第五章 霍尔传感器ppt课件

1、8.1 霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及霍尔元件8.2 霍尔集成传感器霍尔集成传感器8.3 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用8.1 霍尔效应及霍尔元件8.1.1 霍尔效应 位于磁场中的静止载流导体，当其电流I的方向与磁场强度H的方向之间有夹角时，则在载流导体中平行与H、I的两侧面之间将产生电动势，这一物理现象称为霍尔效应。 如图8-1所示， 图8-1 霍尔效应原理 其洛仑兹力大小可表示为 FL= q0vB 静电场对电子的作用力 上式连立:bUqEqFH0H0EBIKdBIRdnqBIUCHCH0CH式中:0H1nqR霍尔系数m3/C） dRKHH霍尔器件的灵敏系数 8.1.2霍尔元件和测量电路霍尔

2、元件 霍尔元件的结构如图8-2所示。 图中的矩形薄片状的立方晶体称为基片，在它的两垂侧面上各装有一对电极，电极1-1用以加激励电压或流过激励电流，故称为激励电极，电极2-2作为霍尔电势UH的输出，故称为霍尔电极，基片的尺寸要求厚度d越薄越好，d越薄，霍尔元件的灵敏系数 越大，在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂封装作为外壳。图8-3是霍尔元件的通用图形符号。图8-2 外形结构示意图 图8-3 图形符号2霍尔元件的测量电路(1)基本测量电路 霍尔元件的基本测量电路如图8-5所示。激励电流由电压源E供给，其大小由可变电阻来调节。 8-5基本测量电路 (2)霍尔元件的输出电路 在实际应用中，要根据不同的

3、使用要求采用不同的连接电路方式。如在直流激励电流情况下，位了获得较大的霍尔电压，可将几块霍尔元件的输出电压串联，如图8-6a所示。在交流激励电流情况下，几块霍尔元件的输出可通过变压器接成如图8-6b的形式，以增加霍尔电压或输出功率。 (a) 直流激励 (b) 交流激励 图8-6 霍尔元件的输出电路 8.1.3 霍尔元件的主要特性参数1输入电阻Ri和输出电阻Ro 定义霍尔元件激励电极之间的电阻称为输入电阻Ri。霍尔电极之间的电阻称为输出电阻Ro 2额定激励电流IN和最大允许激励电流Imax 霍尔元件在空气中产生的温升为10时，所对应的激励电流称为额定激励电流IN。以元件允许的最大温升为限制，所对

4、应的激励电流称为最大允许激励电流Imax。 3不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为额定值IN时，若元件所处位置的磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零，这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。 产生原因:主要由霍尔电极安装不对称造成的,由于半导体材料的电阻率不均匀、基片的厚度和宽度不一致、霍尔电极与基片的接触不良部分接触等原因，即使霍尔电极的装配绝对对称，也会产生不等位电势。补偿方法: 任意两相邻的电极之间可视为一个等效电阻,则霍尔元件可视为一四臂电桥,要不等位电势为0,只需电桥输出为零即可,因此采用加调零电位器的方法很好.如图8-7所示.4交流不等位电势与寄生直流电势

5、在不加外磁场的情况下，霍尔元件使用交流激励时，霍尔电极间的开路交流电势称为交流不等位电势。在此情况下输出的直流电势称为寄生直流电势。产生交流不等位电势的原因与不等位电势相同，而寄生直流电势的产生则是由于：（1霍尔电极与基片间的非完全欧姆接触而产生的整流效应。（2霍尔电极与基片间的非完全欧姆接触而产生的整流效应，使激励电流中包含有直流分量，通过霍尔元件的不等位电势的作用反映出来。一般情况下，不等位电势越小，寄生直流电势也越小。（3当两个霍尔电极的焊点大小不同时，由于它们的热容量、热耗散等情况的不同，引起两电极温度不同而产生温差电势，也是寄生直流电势的一部分。 寄生直流电势可用图8-8所示电路测量

6、，经变压器降压后的交流电源供给霍尔元件的激励电流，直流电位差计UJ-30的显示灵敏度应大于10-7V。图8-8 测量寄生直流电势的电路图5霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1时，霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数。6霍尔灵敏系数KH 在单位控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输出端的开路电压，称为霍尔灵敏系数KH，霍尔灵敏系数KH的单位为V/（AT）。8.1.4 霍尔器件的材料选择 以N型半导体材料为好.表中给出常见的材料.表8-1 霍尔器件常用材料的物理性能8.2.1霍尔开关集成传感器1工作原理图8-9 霍尔开关集成传感器原理框图（1霍尔元件：在0.1T磁

7、场作用下，霍尔元件开路时可输出20mV左右 的霍尔电压，当有负载时输出10mV左右的霍尔电压。（2差分放大器：放大器将霍尔电压放大，以便驱动后一级整形电路。（3整形电路：一般采用施密特触发器，它把经差分放大的电压整形为矩形脉冲，实现A/D转换。（4输出管：由一个或两个三极管组成，采用单管或双管集电极开路输出，集电极输出的优点是可以跟很多类型的电路直接连接，使用方便。（5电源电路：包括稳压电路和恒流电路，设置稳压和恒流电路的目的，一方面是为了改善霍尔传感器的温度性能，另一方面可以大大提高集成霍尔传感器工作电源电压的适用范围。2霍尔开关集成传感器的特性（1磁特性 霍尔开关集成传感器的磁特性是指由高

8、电平翻转为低电平的导通磁感应强度BHL）、由低电平翻转为高电平的截止磁感应强度BLH和磁感应强度的滞环宽度 . 滞环宽度对霍尔开关集成传感器是必需的，因为在导通磁感应强度BHL附近，如果没有滞环效应或滞环效应很小，那么由于磁噪声或磁钢振动等原因，会使电路的输出反复开启和关闭，形成类似于自激振荡现象。为防止这种现象的产生，必须具有一定宽度的滞环。但如果这种滞环宽度过大，对开关动作也是不利的，因为要求磁场变化幅度很大，有可能不发生动作而出现漏计现象。 我国CS型开关集成霍尔传感器的滞环宽度典型值为610-3T。 图8-10给出了霍尔开关集成传感器磁电转换特 性曲线，横坐标表示作用于霍尔元件上的正向

9、磁感应强度。 8-10 霍尔开关集成传 感器输出特性 （2电特性 霍尔开关集成传感器的电特性是指它的输出电性能，标志它的输出电性能的主要参数有输出高电平UOH、输出低电平UOL 、负载电流IOL、输出漏电流IOH、截止电源电流ICCH和导通电源电流ICCL等参数。（3温度特性 霍尔开关集成传感器参数也随温度的变化而变化，在此主要讨论它的导通磁感应强度BHL）、截止磁感应强度BLH和滞环宽度的温度特性由图8-11a可以看出，导通磁感应强度的温度系数约为1.52）10-4T/，是正温度系数。从BHL与BLH特性曲线的差值中算出滞环宽度的温度系数约为 0.2%0.3%，是负温度系数。 图8-11b给

10、出了CS型霍尔开关集成传感器两个磁特性参数随电源电压E的变化曲线。从图中可以看出，BHL和BLH参数在电源电压E6V时，随电源电压减少而增加，但滞环宽度随电源电压减小而减小；在电源电压E8V时，这三个参数基本变化不大。 图8-11 霍尔开关集成传感器温度特性8.2.2 霍尔线性集成传感器 线性集成霍尔传感器是将霍尔器件、放大电路、电压调整电路、电流放大输出级、失调调整和线性度调整部分集成在一块芯片上，其特点是输出电压随外加磁感应强度B呈线性变化。霍尔线性集成传感器分单端输出和双端输出两种，它们的结构如图8-12a）、（b所示。 （a） SL3501T型结构单端输出） (b) SL3501M型结

11、构双端输出） 图8-12 线性集成霍尔传感器的电路结构 由于霍尔传感器具有在静态状态下感受磁场的独特能力，而且它具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽从直流到微波）、动态特性好和寿命长、无触点等许多优点，因此在测量技术，自动化技术和信息处理等方面有着广泛应用。 归纳起来，霍尔传感器有三个方面的用途：（1当控制电流不变时，使传感器处于非均匀磁场中，则传感器的霍尔电势正比于磁感应强度，利用这一关系可反映位置、角度或励磁电流的变化。 （2当控制电流与磁感应强度皆为变量时，传感器的输出与这两者乘积成正比。在这方面的应用有乘法器、功率计以及除法、倒数、开方等运算器，此外，也可用于混频、调制、解调等环节中，

12、但由于霍尔元件变换频率低，温度影响较显著等缺点，在这方面的应用受到一定的限制，这有待于元件的材料、工艺等方面的改进或电路上的补偿措施。（3若保持磁感应强度恒定不变，则利用霍尔电压与控制电流成正比的关系，可以组成回转器、隔离器和环行器等控制装置。 8.3.1 霍尔位移传感器霍尔位移传感器图8-13 霍尔位移传感器8.3.2 霍尔电流变换器 图8-14 霍尔传感器电流变换器8.3.3 利用霍尔传感器实现无接触式仿型加工 图8-15 无接触式仿型加工原理示意图8.3.4 自动供水装置图8-16 自动供水装置8.3.5 霍尔元件在磁性材料研究中的应用图8-17 研究闭合材料试样磁特性的线路框图8.3.

13、6非接触式键盘开关 图8-18 用霍尔开关集成传感器构成的按钮 位于磁场中的静止载流导体，当电流I的方向与磁场强度H的方向垂直时，则在载流导体中平行与H、I的两侧面之间将产生电动势，这个电动势称为霍尔电势，这种物理现象称为霍尔效应。利用霍尔效应原理制成的传感器称为霍尔传感器。 霍尔传感器有分立元件式简称霍尔元件和集成式简称霍尔集成传感器两种。霍尔元件常用锗、硅、砷化镓、砷化铟及锑化铟等半导体材料制作而成。霍尔集成传感器是将霍尔器件、放大电路、电压调整电路、电流放大输出级、失调调整和线性度调整部分集成在一块芯片上组成的。 霍尔传感器由于具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽从直流到微波）、动态特性

14、好和寿命长、无触点等许多优点，因此在测量技术，自动化技术和信息处理技术等方面有着广泛应用。 1. 试述霍尔效应的定义。2. 试说明霍尔系数的物理意义。3. 试述霍尔传感器的主要参数。4. 试分析霍尔开关集成传感器的组成及各部分的作用。5. 简述利用霍尔传感器测量电流、磁感应强度、微位移的原理。6. 试举实例说明霍尔传感器的应用。8.2 集成霍尔传感器集成霍尔传感器 集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件

15、、电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越爱到众的重视。功耗低等优点，正越来越爱到众的重视。集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号的形式，可尔输出信号。按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。成霍尔传感器两种类型。8.2.1 开关型集成霍尔传感器

16、开关型集成霍尔传感器 开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，放大器，斯密特触发器和输出级组成，其典型电路见图其典型电路见图8.2.1。 下面我们分析电路的工作原理。下面我们分析电路的工作原理。 图中的霍尔元件是在图中的霍尔元件是在N型硅外延层上型硅外延层上制作的。由于制作的。由于N型硅外延层的电阻率型硅外延层的电阻率一一般为般为1.0

17、1.5cm电子迁移率电子迁移率约为约为1200cm2(Vs)，厚度，厚度d约为约为10m，故很适合做霍尔元件。集成块中霍尔元故很适合做霍尔元件。集成块中霍尔元件的长件的长600m，宽为，宽为400m。由于。由于在制造工艺中采用了光刻技术，电极的在制造工艺中采用了光刻技术，电极的对称性好，零位误差大大减小。另外，对称性好，零位误差大大减小。另外，由于厚度由于厚度d很小，霍尔灵敏度也相对提高很小，霍尔灵敏度也相对提高了，在了，在0.1T磁场作用下，元件开路时可磁场作用下，元件开路时可输出输出20mV左右的霍尔电压。霍尔输出左右的霍尔电压。霍尔输出经前置放大的后送到斯密特触发器，通经前置放大的后送到

18、斯密特触发器，通过整形成为矩形脉冲输出。当磁感应强过整形成为矩形脉冲输出。当磁感应强度度B为为0时，霍尔元件无输出，即时，霍尔元件无输出，即UH=0。线路中，由于流过线路中，由于流过V2集电极电阻的电流集电极电阻的电流大于流过大于流过V1集电极电阻的电流，输出电集电极电阻的电流，输出电压压U b3Ub4，则，则V3优先导通，经过优先导通，经过下面的正反馈过程：下面的正反馈过程： UH2UH1Ub3V1V2V3V4V5V6V7V8Ub4Ue3Uc4Ic4Ic2Ib3Ic1Ue4Ic31234(E) 图图8.2.1 8.2.1 开关型集成霍尔传感器的典型电路开关型集成霍尔传感器的典型电路 最终使得

19、最终使得V3饱和饱和V4截止。此时，截止。此时，V4的集电极处于高电位，的集电极处于高电位，Uc4E，V5截止，截止，V6、V7均截止，输出为高电平。均截止，输出为高电平。 当磁感应强度当磁感应强度B不为不为0时，霍尔元件有时，霍尔元件有UH输出。若集成霍尔传感器处于正向磁场，则输出。若集成霍尔传感器处于正向磁场，则UH1升高，升高，UH2下降，使下降，使V1的基极电位升高，的基极电位升高，V2的基极电位下降。于是，的基极电位下降。于是，V1的集电极的集电极输出电压输出电压Ub3下降，下降，V2的集电极输出电压的集电极输出电压Vb4升高。当升高。当Ub3=Ue3+0.6V时，时，V3由饱和由饱

20、和进入放大状态，经过下面的正反馈过程：进入放大状态，经过下面的正反馈过程： Ub3Ic3Ub4Ic4Ue3 最终使得V3截止V4饱和。此时，V4的集电极处于低电位。于是，V5导通，由V5和V6组成的P.N.P和N.P.N型三极管的复合管，足以使V7、V8进入饱和状态。输出由原来的高电平UoH转换成低电平U0L。 当正向磁场退出时，随着作用于霍尔元件上磁感应强度B的减少，UH相应减小。Ub3升高，Ub4下降。当Ub3= Ue4+0.5V，V3由截止进入放大状态，经过下面正反馈过程：Ub3 Ic3Ub4Ic4Ue3最终又使得V3饱和，V4截止。V4的集电极处于高电位，恢复初始状态，V7、V8截止，

21、输出又转换成高电平UoH。 集成霍尔传感器的输出电平与磁场B之间的关系见图8.2.2，可以看出，集成霍尔传感器的导通磁感应强度和截止磁感应强度之间存在滞后效应，这是由于V3、V4共用射极电阻的正反馈作用使它们的饱和电流不相等引起的。其回差宽度B为 B=B(HL).B(LH)开关型集成霍尔传感器的这一特性，正是我们所需要的，它大大增强了开关电路的抗干扰能力，保证开关动作稳定，不产生振荡现象。国产CS型集成霍尔传感器的磁电特性如下：回差宽度典型值610.3T。电源电压CS837、CS6837 10V(CS839、CS6839 18V)。低电平输出电压U0L均为0.4V，高电平输出最大漏电流为10A

22、，高电平电源电流ICCH CS837、CS6837为6mA(CS839、CS6839为 7mA)，低电平电源电流ICCL CS837、CS6837为9mA (CS839、CS6839 为7mA)。 UOHUOLU0B(LH)B(HL)B图图8.2.2 8.2.2 输出电平与磁场的关输出电平与磁场的关系系 V1V2V3V4V5V6123475869R1R2R3R4R5R6R7R8 图图8.2.3 8.2.3 线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器 8.2.2 线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器 线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出信号与磁线性集成霍尔传感器是把霍尔元

23、件与放大线路集成在一起的传感器。其输出信号与磁感应强度成比例。通常由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成，其典型感应强度成比例。通常由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成，其典型线路见图线路见图8.2.3。这是。这是HL1.1型线性集成霍尔传感器，它的电路比较简单，用于精度要求型线性集成霍尔传感器，它的电路比较简单，用于精度要求不高的一些场合。图中，霍尔元件的输出经由不高的一些场合。图中，霍尔元件的输出经由V1、V2、R1至至R5组成的第一级差分放大组成的第一级差分放大器放大，放大后的信号再由器放大，放大后的信号再由V3、V6、R6、R7组成的第二级差分放大器放大。第二

24、级放组成的第二级差分放大器放大。第二级放大采用达林顿对管，射极电阻大采用达林顿对管，射极电阻R8外接，适当选取外接，适当选取R8的阻值，可以调整该极的工作点，从的阻值，可以调整该极的工作点，从而改变电路增益。在电源电压为而改变电路增益。在电源电压为9V，R8取取2K时，全电路的增益可达时，全电路的增益可达1000倍左右，与分倍左右，与分立元件霍尔传感器相比，灵敏度大为提高。立元件霍尔传感器相比，灵敏度大为提高。 8.2.3 差动霍尔电路差动霍尔电路(双霍尔电路双霍尔电路) 它的霍尔电压发生器由一对相距它的霍尔电压发生器由一对相距2.5mm的霍尔元件组成，其功能框图见图的霍尔元件组成，其功能框图

25、见图8.2.4。 图图8.2.4 差动霍尔电路的工作原理图差动霍尔电路的工作原理图 使用时在电路背面放置一块永久磁体，当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时，使用时在电路背面放置一块永久磁体，当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时，一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反，经差分放大后，使器件灵敏度大为提高。用这一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反，经差分放大后，使器件灵敏度大为提高。用这种电路制成的汽车齿轮传感器具有极优的性能。除上述各种霍尔元件外，目前还出现了种电路制成的汽车齿轮传感器具有极优的性能。除上述各种霍尔元件外，目前还出现了许多特殊功能的霍尔电路，如功率霍尔电路，多重双线霍尔传感器电路，

26、二维、三维霍许多特殊功能的霍尔电路，如功率霍尔电路，多重双线霍尔传感器电路，二维、三维霍尔集成电路等等。尔集成电路等等。 8.3 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用8.3.1 一般应用一般应用 8.3.1.1 测量磁场测量磁场 使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，则应求

27、出件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场进行检测。场进行检测。 8.3.1.2 工作磁体的设置工作磁体的设置 用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作

28、磁场。例如，用一个例如，用一个542.5mm3的钕铁硼的钕铁硼号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约2300高斯的磁感应强度。在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。为保证高斯的磁感应强度。在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。为保证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中，霍尔片的深度计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中，霍尔片的深度在产品手册中会给出

29、。在产品手册中会给出。 因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。检信息。 工作磁体和霍尔器件间的运动方式有：工作磁体和霍尔器件间的运动方式有：(a)对移；对移；(b)侧移；侧移；(c)旋转；旋转；(d)遮断。如图遮断。如图8.3.1所示，图中的所示，图中的TEAG即为总有效工作气隙。即为总有效工作气隙。 图图8.3.1 8.3

30、.1 霍尔器件和工作磁体间的运动方式霍尔器件和工作磁体间的运动方式 图图8.3.2 8.3.2 在霍尔器件背面放置磁体在霍尔器件背面放置磁体 在遮断方式中，工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定，用一软磁例如软铁翼片作为运动工作部件，当翼片进入间隙时，作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断，以此来调节工作磁场。被传感的运动信息加在翼片上。这种方法的检测精度很高，在125的温度范围内，翼片的位置重复精度可达50m。也可将工作磁体固定在霍尔器件背面外壳上没打标志的一面），让被检的铁磁物体例如钢齿轮从它们近旁通过，检测出物体上的特殊标志如齿、凸缘、缺口等），得出物体的运动参数。8.3.1.3 与外

31、电路的接口 霍尔开关电路的输出级一般是一个集电极开路的NPN晶体管，其使用规则和任何一种相似的NPN开关管相同。输出管截止时，输漏电流很小，一般只有几nA，可以忽略，输出电压和其电源电压相近，但电源电压最高不得超过输出管的击穿电压即规范表中规定的极限电 压）。输出管导通时，它的输出端和线路的公共端短路。因而，必须外接一个电阻器即压）。输出管导通时，它的输出端和线路的公共端短路。因而，必须外接一个电阻器即负载电阻器来限制流过管子的电流，使它不超过最大允许值一般为负载电阻器来限制流过管子的电流，使它不超过最大允许值一般为20mA），以免损），以免损坏输出管。输出电流较大时，管子的饱和压降也会随之增

32、大，使用者应当特别注意，仅这坏输出管。输出电流较大时，管子的饱和压降也会随之增大，使用者应当特别注意，仅这个电压和你要控制的电路的截止电压或逻辑个电压和你要控制的电路的截止电压或逻辑“零零”）是兼容的。）是兼容的。 以与发光二极管的接口为例，对负载电阻器的选择作一估计。若在以与发光二极管的接口为例，对负载电阻器的选择作一估计。若在Io为为20mA霍尔电霍尔电路输出管允许吸入的最大电流），发光二极管的正向压降路输出管允许吸入的最大电流），发光二极管的正向压降VLED=1.4V，当电源电压，当电源电压VCC=12V时，所需的负载电阻器的阻值时，所需的负载电阻器的阻值 R=(VCC.VLED)/IO

33、=(12V.1.4V)/0.01A=530 （8-18） 和这个阻值最接近的标准电阻为和这个阻值最接近的标准电阻为560，因而，可取，因而，可取560的电阻器作为负载电阻器。的电阻器作为负载电阻器。 用图用图8.3.3表示简化了的霍尔开关电路，图表示简化了的霍尔开关电路，图8.3.4表示与各种电路的接口：（表示与各种电路的接口：（a与与TTL电电路；路；(b)与与CMOS电路；电路；(c)与与LED；(d)与晶闸管。与晶闸管。 图图8.3.3 简化的霍尔开关示意图简化的霍尔开关示意图 图图8.3.4 8.3.4 霍尔开关与电路接口举例霍尔开关与电路接口举例 与这些电路接口时所需的负载电阻器阻值

34、的估算方法，和式与这些电路接口时所需的负载电阻器阻值的估算方法，和式8-18的方法相同。的方法相同。 若受控的电路所需的电流大于若受控的电路所需的电流大于20mA，可在霍尔开关电路与被控电路间接入电流放大器。，可在霍尔开关电路与被控电路间接入电流放大器。 霍尔器件的开关所需的电流大于霍尔器件的开关所需的电流大于20mA，可在霍尔开关电路与被电路间接入电流放大器。，可在霍尔开关电路与被电路间接入电流放大器。 霍尔器件的开关作用非常迅速，典型的上升时间和下降时间在霍尔器件的开关作用非常迅速，典型的上升时间和下降时间在400nS范围内，优于任何机范围内，优于任何机械开关。械开关。 8.3.2 应用实

35、例应用实例 下面我们将举出一些应用实例。这些例子仅是该类应用中的一种，用同样的原理和方法，下面我们将举出一些应用实例。这些例子仅是该类应用中的一种，用同样的原理和方法，读者可根据自己的使用需要，设计出自己的应用装置。读者可根据自己的使用需要，设计出自己的应用装置。 8.3.2.1 8.3.2.1 检测磁场检测磁场 用霍尔线性器件作探头，丈量用霍尔线性器件作探头，丈量.6T.6T10T10T的交变和恒定磁场，已有许多商品仪器。这里，的交变和恒定磁场，已有许多商品仪器。这里，仅介绍一种用经过校准的仅介绍一种用经过校准的UGN3503UGN3503或或A3515A3515型霍尔线性电路来检测磁场的磁

36、感应强度的简便型霍尔线性电路来检测磁场的磁感应强度的简便方法。电路出厂时，工厂可提供每块电路的校准曲线和灵敏度系数。测量时，将电路第一方法。电路出厂时，工厂可提供每块电路的校准曲线和灵敏度系数。测量时，将电路第一脚面对标志面从左到右数接电源，第二脚接地，第三脚接高输入阻抗（脚面对标志面从左到右数接电源，第二脚接地，第三脚接高输入阻抗（10k10k电压电压表，通电后，将电路放入被测磁场中，让磁力线垂直于电路表面，读出电压表的数值，即表，通电后，将电路放入被测磁场中，让磁力线垂直于电路表面，读出电压表的数值，即可从校准曲线上查得相应的磁感应强度值。使用前，将器件通电一分钟，使之达到稳定。可从校准曲

37、线上查得相应的磁感应强度值。使用前，将器件通电一分钟，使之达到稳定。 用灵敏度系数计算被测磁场的用灵敏度系数计算被测磁场的B B值时，可用值时，可用 B=Vout(B).Vout(o)1000/S B=Vout(B).Vout(o)1000/S 式中，式中，Vout(B)=Vout(B)=加上被测磁场时的电压读数，单位为加上被测磁场时的电压读数，单位为V V，Vout(o)=Vout(o)=未加被测磁场时的电压读未加被测磁场时的电压读数，单位为数，单位为V V，S=S=灵敏度系数，单位为灵敏度系数，单位为mV/G(mV/G(高斯高斯) )，B=B=被测磁场的磁感应强度，单位为被测磁场的磁感应强

38、度，单位为G G。8.3.2.2 8.3.2.2 检测铁磁物体检测铁磁物体 在霍尔线性电路背面偏置一个永磁体，如图在霍尔线性电路背面偏置一个永磁体，如图8.3.58.3.5所示。图所示。图8.3.58.3.5a a表示检测铁磁物体表示检测铁磁物体的缺口，图的缺口，图8.3.58.3.5b b表示检测齿轮的齿。它们的电路接法见图表示检测齿轮的齿。它们的电路接法见图8.3.68.3.6，(a)(a)为检测齿轮，为检测齿轮，(b)(b)为检测缺口。用这种方法可以检测齿轮的转速。为检测缺口。用这种方法可以检测齿轮的转速。 图图8.3.5 8.3.5 用霍尔线性电路检测铁磁物体用霍尔线性电路检测铁磁物体

39、 图图8.3.6 8.3.6 用霍尔线性电路检测齿口的线路用霍尔线性电路检测齿口的线路 8.3.2.3 8.3.2.3 用在直流无刷电机中用在直流无刷电机中 直流无刷电机使用永磁转子，在定子的适当位置放置所需数量的霍尔器件，它们的输直流无刷电机使用永磁转子，在定子的适当位置放置所需数量的霍尔器件，它们的输出和相应的定子绕组的供电电路相连。当转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令已出和相应的定子绕组的供电电路相连。当转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令已通电的霍尔器件输出一个电压使定子绕组供电电路导通，给相应的定子绕组供电，产生和通电的霍尔器件输出一个电压使定子绕组供电电路导通，给相应的定

40、子绕组供电，产生和转子磁场极性相同的磁场，推斥转子继续转动。到下一位置，前一位置的霍尔器件停止工转子磁场极性相同的磁场，推斥转子继续转动。到下一位置，前一位置的霍尔器件停止工作，下位的霍尔器件导通，使下一绕组通电，产生推斥场使转子继续转动。如此循环，维作，下位的霍尔器件导通，使下一绕组通电，产生推斥场使转子继续转动。如此循环，维持电机的工作。其工作原理示于图持电机的工作。其工作原理示于图8.3.78.3.7。 在这里，霍尔器件起位置传感器的作用，检测转子磁极的位置，它的输出使定子绕组供电在这里，霍尔器件起位置传感器的作用，检测转子磁极的位置，它的输出使定子绕组供电电路通断，又起开关作用，当转子

41、磁极离去时，令上一个霍尔器件停止工作，下一个器件电路通断，又起开关作用，当转子磁极离去时，令上一个霍尔器件停止工作，下一个器件开始工作，使转子磁极总是面对推斥磁场，开始工作，使转子磁极总是面对推斥磁场，霍尔器件，既可使用霍尔元件，也可使霍尔器件，既可使用霍尔元件，也可使用霍尔开关电路。使用霍尔元件时，一用霍尔开关电路。使用霍尔元件时，一般要外接放大电路，如图般要外接放大电路，如图8.3.88.3.8所示，使所示，使用霍尔霍尔器件又起定子电流的换向作用霍尔霍尔器件又起定子电流的换向作用。用。 无刷电机中的开关电路，可直接驱无刷电机中的开关电路，可直接驱动电机绕组，使线路大为简化，如图动电机绕组，

42、使线路大为简化，如图8.3.98.3.9所示。所示。 图图8.3.7 8.3.7 霍尔元件在无刷电机中的工作霍尔元件在无刷电机中的工作图图8.3.8 8.3.8 采用霍尔元件的电机驱动电路采用霍尔元件的电机驱动电路 图图8.3.9 8.3.9 用用CS2018CS2018直接驱动电机的线路示意图直接驱动电机的线路示意图 8.3.2.4 8.3.2.4 无损探伤无损探伤 霍尔无损探伤已在炮膛探伤、管道探伤，海用缆绳探伤，船体探伤以及材料检验等方面得到霍尔无损探伤已在炮膛探伤、管道探伤，海用缆绳探伤，船体探伤以及材料检验等方面得到广泛应用。广泛应用。铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高，磁阻小，磁

43、力线都集中在材料内部。若材料均匀，铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高，磁阻小，磁力线都集中在材料内部。若材料均匀，磁力线分布也均匀。如果材料中有缺陷，如小孔、裂纹等，在缺陷处，磁力线会发生弯曲，磁力线分布也均匀。如果材料中有缺陷，如小孔、裂纹等，在缺陷处，磁力线会发生弯曲，使局部磁场发生畸变。用霍尔探头检出这种畸变，经过数据处理，可辨别出缺陷的位置，性使局部磁场发生畸变。用霍尔探头检出这种畸变，经过数据处理，可辨别出缺陷的位置，性质孔或裂纹和大小如深度、宽度等），图质孔或裂纹和大小如深度、宽度等），图8.3.108.3.10示出两种用于无损探伤的探头结构。示出两种用于无损探伤的探头结构。(b

44、)(b)检测线材用检测线材用 (a)(a)无损探伤的探头结构无损探伤的探头结构 (b)(b)检测板材用检测板材用 图图8.3.10 8.3.10 用于无损探伤的两种霍尔探头用于无损探伤的两种霍尔探头 8.3.2.5 8.3.2.5 霍尔接近传感器和接近开关霍尔接近传感器和接近开关 在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内，做成一在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来，构成如图个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来，构成如图8.3.118.3

45、.11所所示的接近传感器。它们的功能框见图示的接近传感器。它们的功能框见图8.3.128.3.12。(a)(a)为霍尔线性接近传感器，为霍尔线性接近传感器，(b)(b)为霍尔接近开为霍尔接近开关。关。 图图8.3.11 8.3.11 霍尔接近传感器的外形图霍尔接近传感器的外形图 (a)(a)霍尔线性接近传感器霍尔线性接近传感器 (b)(b)霍尔接近开关霍尔接近开关 图图8.3.12 8.3.12 霍尔接近传感器的功能框图霍尔接近传感器的功能框图霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑色金属的厚度检测、距离检测、霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑色金属的厚度检测、距离检测、

46、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。角度检测等。 霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自动霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等。计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等。8.3.2.6 8.3.2.6 霍尔齿轮传感器霍尔齿轮传感器 用用8.2.38.2.3中介绍的差动霍尔电路制成的霍尔齿轮传感器，如图中介绍的差动霍尔电

47、路制成的霍尔齿轮传感器，如图8.3.138.3.13所示所示, ,新一代的霍尔新一代的霍尔齿轮转速传感器，广泛用于新一代的汽车智能发动机，作为点火定时用的速度传感器，用齿轮转速传感器，广泛用于新一代的汽车智能发动机，作为点火定时用的速度传感器，用于于ABSABS汽车防抱死制动系统作为车速传感器等。汽车防抱死制动系统作为车速传感器等。 在在ABSABS中，速度传感器是十分重要的部件。中，速度传感器是十分重要的部件。ABSABS的工作原理示意图如图的工作原理示意图如图8.3.148.3.14所示。图中，所示。图中，1 1是车速齿轮传感器；是车速齿轮传感器；2 2是压力调节器；是压力调节器；3 3是

48、控制器。在制动过程中，控制器是控制器。在制动过程中，控制器3 3不断接收来自不断接收来自车速齿轮传感器车速齿轮传感器1 1和车轮转速相对应的脉冲信号并进行处理，得到车辆的滑移率和减速信和车轮转速相对应的脉冲信号并进行处理，得到车辆的滑移率和减速信号，按其控制逻辑及时准确地向制动压力调节器号，按其控制逻辑及时准确地向制动压力调节器2 2发出指令，调节器及时准确地作出响应，发出指令，调节器及时准确地作出响应，使制动气室执行充气、保持或放气指令，调节制动器的制动压力，以防止车轮抱死，达到使制动气室执行充气、保持或放气指令，调节制动器的制动压力，以防止车轮抱死，达到抗侧滑、甩尾，提高制动安全及制动过程

49、中的可驾驭性。在这个系统中，霍尔传感器作为抗侧滑、甩尾，提高制动安全及制动过程中的可驾驭性。在这个系统中，霍尔传感器作为车轮转速传感器，是制动过程中的实时速度采集器，是车轮转速传感器，是制动过程中的实时速度采集器，是ABSABS中的关键部件之一。中的关键部件之一。 在汽车的新一代智能发动机中，用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置和活塞在汽缸中的运在汽车的新一代智能发动机中，用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置和活塞在汽缸中的运动速度，以提供更准确的点火时间，其作用是别的速度传感器难以代替的，它具有如下许动速度，以提供更准确的点火时间，其作用是别的速度传感器难以代替的，它具有如下许多新的优点。多新的优点。

50、（1 1相位精度高，可满足相位精度高，可满足0.40.4曲轴角的要求，不需采用相位补偿。曲轴角的要求，不需采用相位补偿。 （2 2可满足可满足0.050.05度曲轴角的熄火检测要求。度曲轴角的熄火检测要求。 （3 3输出为矩形波，幅度与车辆转速无关。在电子控制单元中作进一步的传感器信号调输出为矩形波，幅度与车辆转速无关。在电子控制单元中作进一步的传感器信号调整时，会降低成本。用齿轮传感器，除可检测转速外，还可测出角度、角速度、流量、流整时，会降低成本。用齿轮传感器，除可检测转速外，还可测出角度、角速度、流量、流速、旋转方向等等。速、旋转方向等等。 图图8.3.13 8.3.13 霍尔速度传感器

51、的内部结构霍尔速度传感器的内部结构 1.1.车轮速度传感器车轮速度传感器2.2.压力调节器压力调节器3.3.电子控制器电子控制器图图8.3.14 ABS8.3.14 ABS气制动系统的工作原理示意气制动系统的工作原理示意图图 8.3.2.7 8.3.2.7 旋转传感器旋转传感器 按图按图8.3.158.3.15所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器。霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。转传感器。霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。 (a)(a)径

52、向磁极径向磁极 (b)(b)轴向磁极轴向磁极 (c)(c)遮断式遮断式 图图8.3.15 8.3.15 旋转传感器磁体设置旋转传感器磁体设置 由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体气体、液体去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。个叶轮和磁体，用流体气体、液体去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等，这

53、些应用的实例如图表等等，这些应用的实例如图8.3.168.3.16所示。所示。 图图8.3.168.3.16的壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开关电路，被测流体从的壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开关电路，被测流体从管道一端通入，推动叶轮带动与之相连的磁体转动，经过霍尔器件时，电路输出脉冲电管道一端通入，推动叶轮带动与之相连的磁体转动，经过霍尔器件时，电路输出脉冲电压，由脉冲的数目，可以得到流体的流速。若知管道的内径，可由流速和管径求得流量。压，由脉冲的数目，可以得到流体的流速。若知管道的内径，可由流速和管径求得流量。霍尔电路由电缆来供电和输出。霍尔电路由电缆来供电和输出。

54、图图8.3.16 霍尔流量计霍尔流量计 图图8.3.16 霍尔车速表的框图霍尔车速表的框图 由图由图8.3.178.3.17可见，经过简单的信号转换，便可得到数字显示的车速。可见，经过简单的信号转换，便可得到数字显示的车速。 利用锁定型霍尔电路，不仅可检测转速，还可辨别旋转方向，如图利用锁定型霍尔电路，不仅可检测转速，还可辨别旋转方向，如图8.3.188.3.18所示。所示。 曲线曲线1 1对应对应结构图结构图a a）, ,曲线曲线2 2对应结构图对应结构图(b)(b)，曲线，曲线3 3对应结构图对应结构图(c)(c)。 图图8.3.18 利用霍尔开关锁定器进行方向和转速测定利用霍尔开关锁定器

55、进行方向和转速测定8.3.2.8 霍尔位移传感器霍尔位移传感器 若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压VH值只值只由它在该磁场中的位移量由它在该磁场中的位移量Z来决定。图来决定。图8.3.19示出示出3种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微位移传感器。从曲线可见，构造传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微位移传感器。从曲线可见，构造b在在Z2m

56、m时，时，VH与与Z有良好的线性关系，且分辨力可达有良好的线性关系，且分辨力可达1m，构造，构造C的灵敏度高，但工作距离较小。的灵敏度高，但工作距离较小。 用霍尔元件测量位移的优点很多：惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。用霍尔元件测量位移的优点很多：惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。 以微位移检测为基础，可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。以微位移检测为基础，可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。 1) 霍尔压力传感器 霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如图8.3.20所示。在图8.3.20中，（a的弹性元件为膜

57、盒，(b)为弹簧片，(c)为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统，如图8.3.20中的(a)、(b)，也可采用单一磁体，如c）。加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压VH。由事先校准的pf(VH)曲线即可得到被测压力p的值。图图8.3.20 几种霍尔压力传感器的构成原理几种霍尔压力传感器的构成原理 2) 霍尔应力检测装置霍尔应力检测装置 图图8.3.21示出用来进行土壤和砂子与钢界面上的法向和切向应力检测的霍尔传感器装置。示出用来进行土壤和砂子与钢界面上的法向和切向应力检测的霍尔传感器装置。(a)检测向检测向切应力，切应力，(

58、b)检测压应力。箭头所指是施加的外力方向。在图检测压应力。箭头所指是施加的外力方向。在图8.3.21 (a)中，仪器上用钢作成上下两个块中，仪器上用钢作成上下两个块子，它们之间有两条较细的梁支撑，在钢下块上置一销柱，销上贴两对永磁体，形成均匀梯度磁场，子，它们之间有两条较细的梁支撑，在钢下块上置一销柱，销上贴两对永磁体，形成均匀梯度磁场，在上块上贴两个霍尔传感器，受剪切力作用后，支撑梁发生形变，使霍尔传感器和磁场间发生位移，在上块上贴两个霍尔传感器，受剪切力作用后，支撑梁发生形变，使霍尔传感器和磁场间发生位移，使传感器输出发生变化。由霍尔传感器的输出可从事先校准的曲线上查得与该装置相接的砂或土

59、受到使传感器输出发生变化。由霍尔传感器的输出可从事先校准的曲线上查得与该装置相接的砂或土受到的剪切应力。的剪切应力。 图图 8.3.21 霍尔应力检测装置霍尔应力检测装置图图8.3.21 (b)的磁体固定在受力后产生形变的膜片上，霍尔传感器固定在一杆上。检测原理同上。应用检的磁体固定在受力后产生形变的膜片上，霍尔传感器固定在一杆上。检测原理同上。应用检测压应力的原理，可构成检测重量的装置，称作霍尔称重传感器。测压应力的原理，可构成检测重量的装置，称作霍尔称重传感器。 3) 霍尔加速度传感器霍尔加速度传感器 图图8.3.22示出霍尔加速度传感器的结构原理和静态特性曲线。在盒体的示出霍尔加速度传感

60、器的结构原理和静态特性曲线。在盒体的O点上固定均质弹簧片点上固定均质弹簧片S,片片S的的中部中部U处装一惯性块处装一惯性块M，片，片S的末端的末端b处固定测量位移的霍尔元件处固定测量位移的霍尔元件H，H的上下方装上一对永磁体，它们同的上下方装上一对永磁体，它们同极性相对安装。盒体固定在被测对象上，当它们与被测对象一起作垂直向上的加速运动时，惯性块在惯极性相对安装。盒体固定在被测对象上，当它们与被测对象一起作垂直向上的加速运动时，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产生一个相对盒体的位移，产生霍尔电压产生一个相对盒体的位移，产生霍尔电压VH的变化。可从的变化。可从VH与加速度