磁电式传感器

1、广*枚*轉龜诊比第8章磁电式传感器8.1霍尔元件的结构及工作原理 8.2霍尔集成电路霍尔传感器的应学习本课程所需的预备知识。 物理、电工基础、电子测量技术、电子线路。教学提要（重难点）、课程内容、教学要求、实 验指导。 霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应实现 对磁场和电流测量的，目前使用的基本是霍尔集 成电路，所以霍尔效应和霍尔集成电路是本章的 重点内容。教材从霍尔效应开始，介绍了霍尔效 应，霍尔元件的主要参数以及霍尔集成电路。最 后介绍了霍尔传感器的应用。 一千多年前，中国人就发明了指南针，用于指示地球磁 场的方向，但指南针却较难指示出磁场的强弱，这成了 磁场检测的一个难题。 1879年，

2、美国物理学家霍尔经过大量的实验发现：如果让一恒定电流通过一金属薄片，并将薄片置于强磁 场中，在金属薄片的另外两侧将产生与磁场强度成正比 的电动势。这个现象后来被人们称为霍尔效应。但是由 于这种效应在金属中非常微弱，1948年以后，由于半 导体技术迅速发展，人们找到了霍尔效应比较明显的半 导体材料，并制成了碑化傢、伊化锢、硅、猪等材料的 霍尔元件。用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器。 它们被广泛应用于弱电流、弱磁场及微小位移的测量。8.1 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B的磁场中，磁场 方向垂直于薄片，如图所示。当有电流枕过薄 片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动 势

3、吕，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍 尔电势，上述半导体薄片称为霍尔元件。原理简述如下：假设霍尔元件为N型半导体元件（载流子为电子）， 当沿着a, b通入控制电流I时，电子首先沿着与I相反的方向产生 一个初速度v。同时，由于霍尔元件处于磁场B中，会受到洛伦 兹力Fl的作用，电子向一侧偏转并形成电子堆积，从而在霍尔元 件的c, d方向产生电场，电子积累得越多，忌也越大，随后， 电子又会在该电场中受电场力Fe的作用，这两种力方向相反。当 两力大小相等时，电子的堆积便达到动态平衡，这样，就在半导 体c, d方向的端面之间形成了稳定的电动势丘屮 即霍尔电势。磁感应强度B为零时的情况5=0磁感应强度

4、B较大时的情况作用在半导体薄片上的磁场强度聰强，霍尔电势也就 越高。霍尔电势件彳可用下式表示eh=kh 1 B设半导体霍尔元件的厚度为电子浓度为n,电子电荷量 为e,则霍尔电势Eh可以用下式表示Eh 二 ©Bl式中,心“伯"称为霍尔电势灵敏系数。若磁感应强度B不 垂直于霍尔元件，而是与其法线成一角度e时，霍尔电势为Eh=KhBIcos0如果图中选用的霍尔元件是P型而不是N型半导体材料，则 参加导电的载流子是空穴，则式中KH=1/Pe6,P为空穴浓度。结论：霍尔电势与输入电流/、磁感应强度成正比，且 当B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，则

5、霍尔电势为同频率的交变电势。 因此霍尔传感器能用于测量静态磁场或交变磁场。m1.霍尔元件特性参数 1)输入电阻Ri：霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电 阻。它的数值从几十欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度 升高，输入电阻变小，从而使输入电流变大，最终引起霍尔电动 势变化。为了减少这种影响，最好釆用恒流源作为激励源。 2)输出电阻R。：两个霍尔电动势输出端之间的电阻称为输出电 阻，它的数值与输入电阻同一数量级。它也随温度改变而改变。 选择适当的负载电阻Rl与之匹配，可以使由温度引起的霍尔电动 势的漂移减至最小。 3)最大激励电流lm:由于霍尔电动势随激励电流增大而增大， 故在应用中总希

6、望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔 元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增 大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数 值从几毫安至几十毫安。 4)最大磁感应强度Bm：磁感应强度超过Bm时，霍尔电 动势的非线性误差将明显增大，Bm的数值一般小于零 点几特斯拉。 5)不等位电势：在额定激励电流下，当外加磁场为零 时，霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电势，它是 由于四个电极的几何尺寸不对称引起的，使用时多釆用 电桥法来补偿不等位电动势引起的误差。2.霍尔元件不等位电势补偿不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电 势，而实用中要消除不等位电势

7、是极其困难的，因而必须釆用 补偿的方法。分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电 桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电势。图为霍尔元件的等效电路，其中A、B为霍尔电极，C、D为激 励电极，电极分布电阻分别用斤、Q、3、厂4表示，把它们看作电 桥的四个桥臂。理想情况下，电极A、B处于同一等位面上，r1= r2= r3=，电桥平衡，不等位电势4为0。实际上，由于A、B电极不在同一等位面上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡， 不等位电势不等于零。此时可根据A、B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联-定的电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电势为零。r4IZZ几种补偿线路如图所示。图（a）、（b）为常

8、见的补偿电路，图（b）、（c）相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻, 图（d）用于交流供电的情况。2霍尔集成电路随着微电子技术的发展，目前霍尔器件多已集成化。霍尔集成 电路（又称霍尔ic）有许多优点，如体积小、灵敏度高、输出幅度 大、温漂小、对电源稳定性要求低等。霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。前者是将霍尔元件 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,比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性霍尔器件如UGN3501 等。线性型三端 霍尔集成电路线性型;冒尔特性I请画出线性范围右图示出了具有双端 差动输出特性的线性霍 尔器件的输出特性曲线。 当磁场为零时，它的输 出

9、电压等于零；当感受 的磁场为正向（磁钢的 S极对准霍尔器件的正 面）时，输出为正； 磁场反向时，输出为负。图是UGN3501T的外形及内部电路框图，以及 输出电压与磁场的关系（输出特性）曲线。图示出具有双端差动输出特性的线性霍尔器件UGN3501M的外 形、内部电路框图。当其感受的磁场为零时，第1脚相对于第8脚 的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准3501M 的正面）时，输出为正；磁场为反向时，输出为负，因此使用起 来更加方便。开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、 放大器、施密特触发器、00门(集电极开路输出 门)等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度

10、超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通 状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释 放点时，ocn重新变为高阻态，输出高电平。 这类器件中较典型的有UGN3020、； 3022等。开关型霍尔集成电路的外形及内部电路(b)内卸电路稳压电源触團1-H双端输入.单端输出隹放特3oVo开关型霍尔集成电路（OC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.a)20霍耳开关集成传感莽的接口电路VccVcc|><| 丄VacU°H回羞().010.0150.020.0250.03霍耳开关集成传感器的-般接口电路21开关型霍尔集成电路的史密特输出特性回差 越大，抗振 动

11、干扰能力 就越强。B/T当磁铁从远到近地接近霍尔IC,到多少特斯拉 时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC,到多 少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？A-JddnONnoMo8.3霍尔传感器的应用霍尔电势是关于I、B、e三个变量的函数，gpEH=KHIBcose,利 用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者 固定其中一个量、其余两个量都作为变量。三个变量的多种组合 使得霍尔传感器具有非常广阔的应用领域。归纳起来，霍尔传感 器主要有下列三个方面的用途： 1）维持I、e不变，则EH=f（B）,这方面的应用有：测量磁场强度 的高斯计、测量转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔

12、式角 编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔式加速度计、微压力计 备。 2）维持I、B不变，则E=f（e）,这方面的应用有角位移测量仪等。 3）维持e不变，则EH=f（IB）,即传感器的输出Eh与I、B的乘积成 正比，这方面的应用有模拟乘法器、霍尔式功率计等。霍尔转速表在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械 系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近 齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性 地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、霍尔转速表原理当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时

13、,输出为低电平。霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用带有微 型磁铁的霍尔传感器若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生 危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转 动状态有助于控制刹车力的大小。霍尔转速表的其他安装方法霍尔元件磁铁只要黑色金属旋转体的表面存在缺口 或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。霍尔式无触点汽车电子点火装置汽车点火线高压输出12 V低压电源釆用霍尔式 无触点电子点火 装置能较好地克 服汽车合金触点 点火时间不准确、 触点易烧坏、高 速时动力不足等 缺点。霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理釆用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速

14、时动力足。桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图a）带缺口的触发器叶片b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系c）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（续）当叶片遮挡在霍尔IC面前时，PNP型霍尔IC的输出为低电 平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电 流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。汽车电子点火电路及波形a）电路 b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形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式无刷电动机霍尔式无刷电动机取消了换 向器和电刷，而采用霍尔元件来 检测转子和定子之间的相对位置,其输出信号经放大、整形后触发电子线路，

15、从而控制电枢电流的 换向，维持电动机的正常运转。普通直流电动机使用 的电刷和换向器由于无刷电动机不产生电火花及 电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。无刷电动机在电动自行车上的应用电动自行车无刷电动机可充电电池组电动自行车的无刷电动机及控制电路利用 PWM 调速去速度 控制器光驱用的无刷电动机内部结构霍尔式接近开关当磁铁的有效磁极接近、 并达到动作距离时，霍尔式接 近开关动作。霍尔接近开关一 般还配一块枚铁硼磁铁。霍尔式接近开关用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。霍尔式接近开关用于转速测量演

16、示在图中，磁铁和霍尔IC保持一定的间隙、均固定不动。软铁制作的 分流翼片与运动部件联动。当它移动到磁铁与霍尔IC之间时，磁力 线被屏蔽（分流），无法到达霍尔IC,所以此时霍尔IC输出跳变为 高电平。改变分流翼片的宽度可以改变霍尔IC的高电平与低电平的 占空比。分流翼片的转速门=60血，图中的n=4。霍尔电流传感器将被测电流的 导线穿过霍尔电流 传感器的检测孔。 当有电流通过导线 时，在导线周围将 产生磁场，磁力线 集中在铁心内，并 在铁心的缺口处穿 过霍尔元件，从而 产生与电流成正比 的霍尔电压。a铁心线性霍尔IC其他霍尔电流传感器所实弩竺豎界面：霍尔电流传感器演示霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表演示O直流200A量程被测电流的 导线未放入 铁心时示值 为零.70. 9A霍尔钳形 电流表演示霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心手指