梁森——霍尔传感器讲解

1、2021-6-281 机械工业出版社机械工业出版社 中等职业教育电气类规划教材中等职业教育电气类规划教材 自动检测与转换技术自动检测与转换技术 第八章第八章 多媒体课件 200951 更新 2021-6-282 第八章第八章 霍尔传感器霍尔传感器 在这一章里，卡卡要给大家介绍霍尔传在这一章里，卡卡要给大家介绍霍尔传 感器的原理、特性、霍尔集成电路（霍尔感器的原理、特性、霍尔集成电路（霍尔 IC）及其应用。霍尔）及其应用。霍尔IC可以用于测量地球可以用于测量地球 磁场，制成电罗盘；将霍尔磁场，制成电罗盘；将霍尔IC夹在环形铁夹在环形铁 心的缺口中，可以制成大电流变送器。霍心的缺口中，可以制成大电

2、流变送器。霍 尔传感器还广泛用于高斯计、无刷电动机、尔传感器还广泛用于高斯计、无刷电动机、 接近开关等。霍尔传感器的最大特点是非接近开关等。霍尔传感器的最大特点是非 接触测量。接触测量。 最基本的霍最基本的霍 尔元件是一尔元件是一 种种四端元件四端元件 第一节第一节 霍尔元件的结构及工作原理霍尔元件的结构及工作原理 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，的磁场中， 磁场方向垂直于薄片，当有电流磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在流过薄片时，在 垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这，这 种现象称为种现象称为霍尔效应

3、霍尔效应。 磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况 c c d d a a b b 磁感应强度磁感应强度B B 较大时的情况较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势越强，霍尔电势 也就越高。霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：可用下式表示： EH=KH IB 霍尔效应动画演示霍尔效应动画演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的 作用，作用，向内侧（向内侧（d 侧）偏移，在半导体薄片侧）偏移，在半导体薄片c、d方方 向的端面之间建立起霍尔电势。向的端面之间建立起霍尔电势。 c c d d

4、a a b b a a d d c c b b 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度若磁感应强度B B不垂直于霍尔元件，而是与其不垂直于霍尔元件，而是与其法法 线成某一角度线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的时，实际上作用于霍尔元件上的有效有效 磁感应强度磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分 量，即量，即B Bcoscos ，这时的，这时的霍尔电势与法线的夹角的余弦霍尔电势与法线的夹角的余弦 成正比成正比： E EH H= =K KH HIBIBcoscos 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场

5、不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势演示演示 结论：结论：霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I、磁感应强度、磁感应强度B成正比。成正比。 当当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。 如果所施加的磁场为交变磁场，霍尔电势为同频率如果所施加的磁场为交变磁场，霍尔电势为同频率 的交变电势的交变电势。 a a c c d d b b 霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数 最大最大磁感应强度磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯负的多少高斯 至正的多少高斯至正的多少高斯？（？（1T104Gs） 线性区线性区

6、 mVmV B B 霍尔元件的主要外特性参数（续）霍尔元件的主要外特性参数（续） 最大最大激励电流激励电流IM : : 由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故 在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励 电流增大，霍尔元件的电流增大，霍尔元件的功耗增大功耗增大，元件的温度元件的温度 升高升高，从而，从而引起霍尔电势的温漂增大引起霍尔电势的温漂增大，因此每，因此每 种型号的元件均规定了相应的种型号的元件均规定了相应的最大激励电流最大激励电流， 它的数值从几毫安至十几毫安。它的数值从几毫安至十几毫安。 以下哪一个以下哪一个激励

7、电流的数值较为妥当激励电流的数值较为妥当？ 8A 8A 0.8mA0.8mA 8mA8mA 80mA 80mA 第二节第二节 霍尔集成电路霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。 线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差 动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直 接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件 如如UGN3501等。等。 线性型三端线性型三端 霍尔集成电路霍尔集成电路 线性型霍尔特性线

8、性型霍尔特性 右图示出了具有双右图示出了具有双 端差动输出特性的线性端差动输出特性的线性 霍尔器件的输出特性曲霍尔器件的输出特性曲 线。当磁场为零时，它线。当磁场为零时，它 的输出电压等于零；当的输出电压等于零；当 感受的磁场为正向（磁感受的磁场为正向（磁 钢的钢的S S极对准霍尔器件极对准霍尔器件 的正面）时，的正面）时， 输出为输出为 正；磁场反向时，输出正；磁场反向时，输出 为负。为负。 请画出线性范围请画出线性范围 开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是将开关型霍尔集成电路是将霍尔元件霍尔元件、稳稳 压电路压电路、放大器放大器、施密特触发器施密特触发器、OC门门（集

9、（集 电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。 当外加磁场强度超过规定的工作点时，当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门门 由高阻态变为导通状态，输出变为低电平由高阻态变为导通状态，输出变为低电平； 当当外加磁场强度低于释放点时，外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变门重新变 为高阻态，输出高电平为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍。较典型的开关型霍 尔器件如尔器件如UGN3020等。等。 开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 的外形及内部电路的外形及内部电路 OCOC门门 施密特施密特 触发电路触发电路 双端输入、双端输入、 单端输出运放单端输出运

10、放 霍尔霍尔 元件元件 . . VccVcc 开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 （OC门输出）的接线门输出）的接线 请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来. 开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 与继电器的接线与继电器的接线 ? ? 开关型霍尔集成电路的史密特输出特性开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越回差越 大，抗振动大，抗振动 干扰能力就干扰能力就 越强。越强。 当磁铁当磁铁从远到近地接近霍尔从远到近地接近霍尔IC，到多少，到多少 特斯拉时输出翻转？当特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离磁铁从近到远地远离 霍尔霍尔IC，到多少特斯拉

11、时输出，到多少特斯拉时输出再次翻转再次翻转？回回 差为多少特斯拉差为多少特斯拉？相当于多少高斯（？相当于多少高斯（Gs）？）？ 第三节第三节 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函三个变量的函 数，即数，即 EH=KHIBcos 。 利用这个关系可以使利用这个关系可以使其中两个量不变其中两个量不变， 将将第三个量作为变量第三个量作为变量，或者固定其中一个量，或者固定其中一个量， 其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器 有许多用途。有许多用途。 霍尔传感器主要用于测量能够转换为霍尔传感器主要用于测量能够转换为 磁

12、场变化的其他物理量。磁场变化的其他物理量。 霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔特斯拉计（高斯计） 霍尔元件霍尔元件 霍尔高斯计（特斯拉计）的使用霍尔高斯计（特斯拉计）的使用 霍尔元件霍尔元件 磁铁磁铁 霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件 测量铁心测量铁心 气隙的气隙的B值值 霍尔转速表霍尔转速表 60 22 f n 在被测转速的转轴上安装一个在被测转速的转轴上安装一个齿盘齿盘，也可选取机，也可选取机 械系统中的一个械系统中的一个齿轮齿轮，将，将线性型线性型霍尔器件及磁路系统霍尔器件及磁路系统 靠近齿盘靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变磁

13、阻随气隙的改变而而 周期性地变化，霍尔器件输出的周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、微小脉冲信号经隔直、 放大、整形后可以确定被测物的转速放大、整形后可以确定被测物的转速。 S SN N 线性霍尔线性霍尔 磁铁磁铁 霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍集中穿过霍 尔元件尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整，可产生较大的霍尔电动势，放大、整 形后输出高电平；反之，当形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍齿轮的空挡对准霍 尔元件时，输出为低电平尔元件时，输出为低电平。 霍尔转速传感器在汽车防抱死装置霍尔转速传感器在汽车防抱死

14、装置 （ABS）中的应用）中的应用 若汽车在刹车时车轮被若汽车在刹车时车轮被抱死抱死，将产生危险。，将产生危险。 用霍尔转速传感器来检测和保持车轮的用霍尔转速传感器来检测和保持车轮的转动转动， 有助于有助于控制刹车力的大小控制刹车力的大小和防止和防止侧偏侧偏。 带有微带有微 型磁铁型磁铁 的霍尔的霍尔 传感器传感器 钢质钢质 霍尔霍尔 霍尔转速表的其他安装方法霍尔转速表的其他安装方法 只要黑色金属旋转体的表面存在只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突缺口或突 起起，就，就可产生磁场强度的脉动可产生磁场强度的脉动，从而，从而引起霍尔引起霍尔 电势的变化电势的变化，产生转速信号产生转速信号。 霍尔元

15、件霍尔元件 磁铁磁铁 霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置 采用霍尔式无采用霍尔式无 触点电子点火装置触点电子点火装置 能较好地能较好地克服汽车克服汽车 合金触点点火时间合金触点点火时间 不准确、不准确、触点易烧触点易烧 坏坏、高速时动力不高速时动力不 足足等缺点等缺点。 汽车点火线圈汽车点火线圈 高压输出高压输出 接头接头 12V低压电源低压电源 输入接头输入接头 霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理 桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图 1-1-触发器叶片触发器叶片 2- -槽口槽口 3- -分电器转轴分电器转轴

16、4- -永久磁铁永久磁铁 5- -霍尔集成电路（霍尔集成电路（PNP型霍尔型霍尔IC） a a）带缺口的触发器叶片）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集 成电路之间的安装关系成电路之间的安装关系 c c）叶片位置与点火正时的关系）叶片位置与点火正时的关系 霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）续） 汽车电子点火电路及波形汽车电子点火电路及波形 1点火开关点火开关 2达林顿晶体管功率开关达林顿晶体管功率开关 3点火线圈低压侧点火线圈低压侧 4点火线圈铁心点火线圈铁心 5点火线圈高压侧点火线圈高压侧 6分火头分火头 7火花塞火花

17、塞 a a）电路）电路 b）霍尔）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形及点火线圈高压侧输出波形 霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）续） 当叶片遮挡在霍尔当叶片遮挡在霍尔ICIC面前时，面前时，PNPPNP型霍尔型霍尔 ICIC的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通 状态，状态，点火线圈低压侧有较大电流通过点火线圈低压侧有较大电流通过，并以，并以 磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。 当叶片槽口转到霍尔当叶片槽口转到霍尔IC面前时，面前时，霍尔霍尔IC输输 出跳变为高电平出跳变为高电平，经反相变为

18、低电平，经反相变为低电平，达林顿达林顿 管截止管截止，切断点火线圈的低压侧电流切断点火线圈的低压侧电流。由于没。由于没 有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁磁 场能量在高压侧感应出场能量在高压侧感应出3050kV的高电压的高电压。 汽车电子点火装置使用的点火控制器、汽车电子点火装置使用的点火控制器、 霍尔传感器及点火总成霍尔传感器及点火总成 磁铁磁铁 点火总成点火总成 霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机取消取消 了换向器和电刷了换向器和电刷，而，而采用霍尔采用霍尔 元件来检测转子和定子之间的元件来检测转子和定子之间的 相

19、对位置相对位置，其输出信号控制电，其输出信号控制电 枢电流的换向，维持电动机的枢电流的换向，维持电动机的 正常运转。正常运转。 由于无刷电动机由于无刷电动机不产生不产生 电火花及电刷磨损等问题电火花及电刷磨损等问题，所，所 以它在以它在录像机、录像机、CD唱机唱机、光、光 驱等家用电器中得到越来越广驱等家用电器中得到越来越广 泛的应用。泛的应用。 普通直流电动机使普通直流电动机使 用的电刷和换向器用的电刷和换向器 无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车电动自行车 可充电可充电 电池组电池组 无刷电动机无刷电动机 无刷电动机在电动无刷电动机在电动 自行车上的应用

20、自行车上的应用 无刷直流电动机无刷直流电动机 的的外转子采用高性能外转子采用高性能 钕铁硼稀土永磁材料钕铁硼稀土永磁材料； 三个霍尔位置传感器三个霍尔位置传感器 产生六个状态编码信产生六个状态编码信 号号，控制逆变桥各功控制逆变桥各功 率管通断率管通断，使，使三相内三相内 定子线圈与外转子之定子线圈与外转子之 间产生连续转矩间产生连续转矩。具。具 有效率高、无火花、有效率高、无火花、 可靠性强等特点。可靠性强等特点。 电动自行车的电动自行车的无刷电动机及控制电路无刷电动机及控制电路 去速度去速度 控制器控制器 利用利用 PWM 调速调速 光驱用的无刷电动机内部结构光驱用的无刷电动机内部结构 霍

21、尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接当磁铁的有效磁极接 近、并达到动作距离时，近、并达到动作距离时， 霍尔式接近开关动作。霍霍尔式接近开关动作。霍 尔接近开关一般还配一块尔接近开关一般还配一块 钕铁硼磁铁。钕铁硼磁铁。 霍尔式接近开关霍尔式接近开关 用霍尔用霍尔ICIC只能用于铁只能用于铁 磁材料的检测，并且还需要磁材料的检测，并且还需要 建立一个较强的闭合磁场。建立一个较强的闭合磁场。 当磁铁随运当磁铁随运 动部件移动到动部件移动到距距 霍尔接近开关几霍尔接近开关几 毫米毫米时，时，霍尔霍尔ICIC 的输出由高电平的输出由高电平 变为低电平变为低电平，使，使 继电器吸合或释继电器吸

22、合或释 放放，控制运动部，控制运动部 件件停止移动停止移动（否（否 则将撞坏霍尔则将撞坏霍尔 ICIC），），起限位的起限位的 作用作用。 霍尔式接近开关用于霍尔式接近开关用于 转速测量演示转速测量演示n= = 6060 f 4 (r/min) 软铁分流翼片软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T 霍尔电流传感器霍尔电流传感器 将将被测电流的被测电流的 导线穿过霍尔电流导线穿过霍尔电流 传感器的检测孔传感器的检测孔。 当有电流通过导线当有电流通过导线 时，时，在导线周围将在导线周围将 产生磁场产生磁场，磁力线，磁力线 集中在铁心内，并集中在铁心内，并 在铁心的缺口处穿在铁心的缺口处穿 过霍尔元件过霍尔元件，从而，从而 产生与电流成正比产生与电流成正比 的霍尔电压的霍尔电压。 霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示 铁心铁心 线性霍尔线性霍尔IC EH=KI I 所实现的多媒体界面：所实现的多媒体界面： 其他霍尔其他霍尔 电流传感器电流传感器 其他霍尔电流其他霍尔电流 传感器（续）传感器（续） 霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表（交直流两用） 压舌压舌 豁口豁口 霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示 直流直流200A量程量程 被测电流的被测电流的 导线未放入导线未放入 铁心时示值铁心时示值 为零为零 70.9A70.9A 钳形表的环形铁钳形表的