霍尔式传感器ppt课件

1、常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理霍尔式传感器霍尔式传感器3.10 3.10 霍尔式传感器霍尔式传感器法拉第电磁感应定律：法拉第电磁感应定律：当穿当穿过回路的磁通量发生变化时，过回路的磁通量发生变化时，回路中的感生电动势的大小回路中的感生电动势的大小和穿过回路的磁通量变化率和穿过回路的磁通量变化率成正比。（成正比。（18311831）当一个当一个N N匝线圈相对地处匝线圈相对地处于随时间变化的磁场中，于随时间变化的磁场中，当穿过它的磁通量当穿过它的磁通量 发生发生变化时，线圈产生的感应变化时，线圈产生的感应电动势电动势 dtdNe当导体在稳恒均匀磁场中，当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场

2、方向运动时，导沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电动势为：体内产生的感应电动势为：BlvdtdxBldtde常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理霍尔式传感器霍尔式传感器霍霍 尔尔 式式霍尔效应霍尔效应：半导体或金属薄片置于磁场中，当有电：半导体或金属薄片置于磁场中，当有电流（在与磁场垂直的薄片平面方向）流过时，在垂流（在与磁场垂直的薄片平面方向）流过时，在垂直于磁场和电流的方向上产生电动势。（直于磁场和电流的方向上产生电动势。（18791879）sinIBKVHH3.10.1 3.10.1 霍尔效应霍尔效应常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理霍尔式传感器霍尔式传感器3.10.1 3

3、.10.1 霍尔效应霍尔效应 如书上图如书上图3.883.88所示，一块长为所示，一块长为l l，宽为，宽为b b，厚度为，厚度为h h的的N N型半导体，在半导体长度方向通以电流型半导体，在半导体长度方向通以电流I I，将，将其置于磁感应强度为其置于磁感应强度为B B的磁场中，则半导体中的载的磁场中，则半导体中的载流子电子将会受到洛仑兹力流子电子将会受到洛仑兹力F FL L的作用，根据物理的作用，根据物理学知识学知识F FL Lq q0 0vbvb F FL L方向如图所示。在力的作用下，按长度方向运方向如图所示。在力的作用下，按长度方向运动的电子将会向半导体的一侧偏移，形成电子积动的电子将

4、会向半导体的一侧偏移，形成电子积累，而在另一侧将会累积正电荷，从而又在两侧累，而在另一侧将会累积正电荷，从而又在两侧之间形成一附加内电场之间形成一附加内电场E EH H ，即霍尔电场。此时霍，即霍尔电场。此时霍尔电场两端之间的电位差尔电场两端之间的电位差U UH H为为U UH HbEbEH H常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理霍尔式传感器霍尔式传感器3.10.1 3.10.1 霍尔效应霍尔效应 在霍尔电场中电子又受到电场力在霍尔电场中电子又受到电场力F FE E的作用，阻止电的作用，阻止电子继续偏移，其方向与力子继续偏移，其方向与力F FL L的方向相反，大小为的方向相反，大小为F F

5、E Eq q0 0E EH H 这样电子会同时受到两个力这样电子会同时受到两个力F FE E和和F FL L的作用，的作用， F FL LF FE E 时，电子累积将会出现动态平衡，即时，电子累积将会出现动态平衡，即q q0 0vbvbq q0 0E EH H 由上可以推出由上可以推出U UH HbvBbvB 设激励电流设激励电流I I在霍尔片内均匀分布，根据电流的概念在霍尔片内均匀分布，根据电流的概念可得可得 I Inqnq0 0vbhvbh常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理霍尔式传感器霍尔式传感器3.10.1 3.10.1 霍尔效应霍尔效应 根据上式可得根据上式可得v vI/nqI/

6、nq0 0bhbh 进而可以推得进而可以推得U UH HBI/nqBI/nq0 0h h 令令R RH H1/nq1/nq0 0，称为霍尔常数，它是由材料性质决定，称为霍尔常数，它是由材料性质决定的常数，则的常数，则U UH H R RH HBI/hBI/hK KH HBIBI 式中，式中，K KH H霍尔片的灵敏系数，霍尔片的灵敏系数，K KH HR RH H/h/h。 进一步知道进一步知道HR 常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理霍尔式传感器霍尔式传感器3.10.2 3.10.2 霍尔元件霍尔元件（1 1）霍尔元件的结构）霍尔元件的结构 霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体霍尔

7、元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体三部分构成，见书三部分构成，见书P105P105如图如图3.893.89所示。霍尔元件的所示。霍尔元件的等效电路如图等效电路如图3.903.90所示。所示。（2 2）霍尔元件的应用）霍尔元件的应用 根据式根据式U UH H R RH HBI/hBI/hK KH HBIBI可知，霍尔元件一般可应可知，霍尔元件一般可应用于下面三种情况的测量。用于下面三种情况的测量。 1 1）测量电流）测量电流I I 2 2）测量磁感应强度）测量磁感应强度B B 3 3）功率测量）功率测量常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理霍尔式传感器霍尔式传感器 1 1）用霍尔器件检测

8、由电流感生的磁场，即可测）用霍尔器件检测由电流感生的磁场，即可测出产生这个磁场的电流的量值。由此，可以构成出产生这个磁场的电流的量值。由此，可以构成霍尔电流、电压传感器。霍尔电流、电压传感器。 2 2）因为霍尔器件的输出电压与加在它上面的磁）因为霍尔器件的输出电压与加在它上面的磁感应强度以及流过其中的工作电流的乘积成比例，感应强度以及流过其中的工作电流的乘积成比例，是一个具有乘法器功能的器件，因而可用它检测是一个具有乘法器功能的器件，因而可用它检测电功率，构成具有各种特殊功能的霍尔功率计和电功率，构成具有各种特殊功能的霍尔功率计和霍尔电度表。霍尔电度表。 3 3）由输入的电信号建立的磁场，经霍

9、尔器件的）由输入的电信号建立的磁场，经霍尔器件的作用，实现了磁电变换后，又变成电信号输出，作用，实现了磁电变换后，又变成电信号输出，这一变换实现了输入输出信号间的电隔离，由这一变换实现了输入输出信号间的电隔离，由此可构成隔离放大器、隔离耦合器等许多新型产此可构成隔离放大器、隔离耦合器等许多新型产品。品。霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理霍尔式传感器霍尔式传感器3.10.3 3.10.3 霍尔式传感器的组成霍尔式传感器的组成（1 1）霍尔元件的基本电路）霍尔元件的基本电路 霍尔元件的基本电路见书霍尔元件的基本电路见书P106P106如图如图3.913.91所

10、示。所示。（2 2）霍尔元件的连接）霍尔元件的连接 1 1）激励电流端并联（直流激励情况下），见书）激励电流端并联（直流激励情况下），见书P106P106如图如图3.923.92（a a）所示。）所示。 2 2）激励电流端串联（交流激励情况下），见书）激励电流端串联（交流激励情况下），见书P106P106如图如图3.923.92（b b）所示。）所示。（3 3）实用测量电路）实用测量电路 1 1）线性测量应用）线性测量应用 2 2）开关状态应用）开关状态应用常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理霍尔式传感器霍尔式传感器3.10.4 3.10.4 测量误差补偿测量误差补偿（1 1）零位误差及其

11、补偿）零位误差及其补偿 1 1）不等位电势）不等位电势 2 2）寄生直流电势）寄生直流电势 要完全消除零位电势非常困难，因而只能采取补偿的要完全消除零位电势非常困难，因而只能采取补偿的方法。通常采用零位电势补偿电路，如图方法。通常采用零位电势补偿电路，如图3.953.95所示。所示。（2 2）温度误差及补偿）温度误差及补偿 温度的变化会引起霍尔电势的改变，称为温度误差。温度的变化会引起霍尔电势的改变，称为温度误差。 1 1）恒流源供电和输入回路并联电阻）恒流源供电和输入回路并联电阻 2 2）恒压源供电和输入回路串联电阻）恒压源供电和输入回路串联电阻常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理霍尔式

12、传感器霍尔式传感器霍霍 尔尔 式式霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。目前霍尔传感器已从量液位、压力等工业生产过程参数。目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。重视，应用日益广泛。（需供电源）（需供电源） 3.10 3.10 霍尔式传感器霍尔式传感器常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理霍尔式传感器霍尔

13、式传感器按被检测的对象的性质可将霍尔按被检测的对象的性质可将霍尔传感器的应用分为传感器的应用分为: :直接应用和直接应用和间接应用间接应用。前者是直接检测出受。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变转

14、数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。检测和控制。 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理霍尔式传感器霍尔式传感器在盒体上固定均质弹簧片在盒体上固定均质弹簧片S,S,片片S S的中部处装一惯性块的中部处装一惯性块M M，片片S S的末端固定测量位移的的末端固定测量位移的霍尔元件霍尔元件H H，H H的上下方装的上下方装上一对永磁体，它们同极上一对永磁体，它们同极性相对安装。盒体固定在性相对安装。盒体固定在被测对象上，当它们与被被测对象上，当它们与被测对象一起作垂直向上的测对象一起作垂直向上的加速运动时，惯

15、性块在惯加速运动时，惯性块在惯性力的作用下使霍尔元件性力的作用下使霍尔元件H H产生一个相对盒体的位移，产生一个相对盒体的位移，产生霍尔电压产生霍尔电压VHVH的变化。的变化。可从可从VHVH与加速度的关系曲与加速度的关系曲线上求得加速度。线上求得加速度。 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理霍尔式传感器霍尔式传感器铁磁材料受到磁场激励时，铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高，磁阻小，磁因其导磁率高，磁阻小，磁力线都集中在材料内部。若力线都集中在材料内部。若材料均匀，磁力线分布也均材料均匀，磁力线分布也均匀。如果材料中有缺陷，如匀。如果材料中有缺陷，如小孔、裂纹等，在缺陷处，小孔、裂纹等，在缺陷处，磁力线会发生弯曲，使局部磁力线会发生弯曲，使局部磁场发生畸变。用霍尔探头磁场发生畸变。用霍尔探头检出这种畸变，经过数据处检出这种畸变，经过数据处理，可辨别出缺陷的位置，理，可辨别出缺陷的位置，性质（孔或裂纹）和大小性质（孔或裂纹）和大小（如深度、宽度（如深度、宽度 ）铁磁材料霍尔传感器检测铁磁材料霍尔传感器检测霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理霍尔式传感器霍尔式传感器壳体内装有一个带磁体的壳体内装有一个带磁体的叶轮，