河南工业职业技术学院电气工程系

1、河南工业职业技术学院电气工程系第三讲第三讲 霍尔式传感器霍尔式传感器一、一、磁敏传感器磁敏传感器二、二、霍尔式传感器霍尔式传感器三、三、集成霍尔传感器集成霍尔传感器 属于物性型磁敏传感器，它是利用导体或半导体的磁属于物性型磁敏传感器，它是利用导体或半导体的磁电转换原理，将磁场信息变换成相应电信息的元器件。目电转换原理，将磁场信息变换成相应电信息的元器件。目前应用最广泛的是半导体磁敏元器件，包括霍尔元件，磁前应用最广泛的是半导体磁敏元器件，包括霍尔元件，磁阻元件，磁敏二极管，磁敏晶体管及磁敏集成电路等。阻元件，磁敏二极管，磁敏晶体管及磁敏集成电路等。一、磁敏传感器一、磁敏传感器 磁敏传感器具有灵

2、敏度高、可靠性好、体积小，耗电磁敏传感器具有灵敏度高、可靠性好、体积小，耗电少、寿命长、价格低，易于集成化等优点。它们可测量磁少、寿命长、价格低，易于集成化等优点。它们可测量磁场，磁通量，电流及电功率等电磁量，检测位移、转速及场，磁通量，电流及电功率等电磁量，检测位移、转速及加速度等非电磁量，用作非接触开关、无刷电机、各种运加速度等非电磁量，用作非接触开关、无刷电机、各种运算器、混频器和调制器等。算器、混频器和调制器等。二、霍尔式传感器二、霍尔式传感器由霍尔元件，磁场和电源构成。由霍尔元件，磁场和电源构成。霍尔元件是基于霍尔效应制成的。霍尔元件是基于霍尔效应制成的。1 1、霍尔效应、霍尔效应

3、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 B 的磁场中，磁场方向的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流垂直于薄片，当有电流I I 流过薄片时，在垂直于电流和磁流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势场的方向上将产生电动势E EH H，这种现象称为霍尔效应。，这种现象称为霍尔效应。 霍尔电势霍尔电势E EH H可用下式表示：可用下式表示：E EH H= =K KH HIB IB 式（式（3-3-13-3-1）K KH H称为霍尔元件的灵敏度系数称为霍尔元件的灵敏度系数霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内

4、侧偏移，在半导体薄片兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c c、d d方向的端面之间建立起霍尔电势。方向的端面之间建立起霍尔电势。c cd da ab b 若磁感应强度若磁感应强度B B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即BcosBcos ，这时的霍尔电势为这时的霍尔电势为 E EH H= =K KH HIBcosIBcos 式（式（3-3-23-3-2）结论：结论：霍尔电势与输入电

5、流霍尔电势与输入电流I I、磁感应强度、磁感应强度B B成正成正比，且当比，且当B B的方向改变时，霍尔电势的方向也随的方向改变时，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，则霍尔之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。电势为同频率的交变电势。 式中式中。，RdRKHHH与霍尔元件的材料有关为霍尔系数,u霍尔电动势霍尔电动势E EH H与材料的性质有关。材料的与材料的性质有关。材料的、大，大，R RH H就大。金属的就大。金属的虽然很大，但虽然很大，但很小，故不宜做成很小，故不宜做成元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的元件。在半导体材料中，由于电

6、子的迁移率比空穴的大，所以霍尔元件一般采用大，所以霍尔元件一般采用N N型半导体材料。型半导体材料。u 霍尔电动势霍尔电动势E EH H与元件的尺寸有关。与元件的尺寸有关。 d d 愈小，愈小，K KH H 愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，薄，2 2、霍尔元件、霍尔元件v由霍尔片、引线和壳体由霍尔片、引线和壳体组成组成, , 如图如图3-3-13-3-1所示。所示。 v霍尔片是一块矩形半导霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个体单晶薄片，引出四个引线。引线。1 1、11两根引线两根引线加激励电压或电流，称加激励电压或电流，称为激

7、励电极；为激励电极；2 2、22引引线为霍尔输出引线，称线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。为霍尔电极。 霍尔元霍尔元件壳体由非导磁金属、件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而陶瓷或环氧树脂封装而成。成。 在电路中霍尔元在电路中霍尔元件可用两种符号表示件可用两种符号表示。图图3-3-13-3-1霍尔元件霍尔元件 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、线性差动放大器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，比直接使用霍尔元件方等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件

8、方便得多。较典型的线性型霍尔器件如便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501UGN3501等。等。三、集成霍尔式传感器三、集成霍尔式传感器1 1、线性集成霍尔传感器、线性集成霍尔传感器线性型霍尔特性线性型霍尔特性 右图示出了具右图示出了具有双端差动输出特有双端差动输出特性的线性霍尔器件性的线性霍尔器件的输出特性曲线。的输出特性曲线。线性范围线性范围2 2、线性集成霍尔传感器的应用、线性集成霍尔传感器的应用 利用霍尔元件构成位移传感器的关键是建立一个利用霍尔元件构成位移传感器的关键是建立一个线性变化的磁场，如图线性变化的磁场，如图3-3-23-3-2所示，在所示，在两个结构相同、两个结构相同

9、、磁场强度相同而极性相反的磁钢间隙磁场强度相同而极性相反的磁钢间隙中，可产生一个中，可产生一个线性变化的磁场。将与被测物相连的霍尔片置于磁场线性变化的磁场。将与被测物相连的霍尔片置于磁场气隙中，霍耳片随被测物沿气隙中，霍耳片随被测物沿x x方向移动时，将感受线性方向移动时，将感受线性变化的磁场。若保持控制电流变化的磁场。若保持控制电流I I不变，则输出霍尔电势不变，则输出霍尔电势的变化为：的变化为： 式中，式中，K K与霍尔灵敏度系数、与霍尔灵敏度系数、控制电流、梯度磁场成正比。可控制电流、梯度磁场成正比。可见，输出霍尔电势与位移量见，输出霍尔电势与位移量x x成成线性关系，且其极性反映位移的

10、线性关系，且其极性反映位移的方向，适用于微位移测量。若将方向，适用于微位移测量。若将霍尔片与压力弹性元件相连，可霍尔片与压力弹性元件相连，可构成微压力传感器。构成微压力传感器。式式(3-3-3)KxEH-位移测量位移测量图图3-3-2 霍尔式位移测量示意图霍尔式位移测量示意图a)基本结构图基本结构图 b)线性梯度磁场特性线性梯度磁场特性3 3、开关型集成霍尔传感器、开关型集成霍尔传感器 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放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、大器、施密特触发器、OCOC门（集电极开路输出门）等电门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当

11、外加磁场强度超过规定的工作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，点时，OCOC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；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，当外加磁场强度低于释放点时，OCOC门重新变为高阻态，门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020UGN3020等。等。 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。 当磁铁从远到近地接近霍尔当磁铁从远到近地接近霍尔ICIC，到多少特斯拉，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔时输出翻转？当磁铁从近到远地远

12、离霍尔ICIC，到多，到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？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 当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，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霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。块钕铁硼磁铁。4 4、开关型集成霍尔传感器的应用、开关型集成霍尔传感器的应用霍尔式接近开关霍尔式接近开关霍尔式接近开关霍尔式接近开关 用霍尔用霍尔ICIC也能完成接近开关的功能，但是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

13、需要建立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。一个较强的闭合磁场。 在右图中，当磁在右图中，当磁铁随运动部件移动到距铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔接近开关几毫米时，霍尔霍尔ICIC的输出由高电平的输出由高电平变为低电平，经驱动电变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔（否则将撞坏霍尔ICIC）起到限位的作用。起到限位的作用。 霍尔转速表霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取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、整形后可以确定被测物的转速。直、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Zfn60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装置（A