霍尔传感器PPT学习教案

1、会计学1霍尔传感器霍尔传感器第1页/共60页如图8-1所示， 图8-1 霍尔效应原理 第2页/共60页bUqEqFH0H0EBIKdBIRdnqBIUCHCH0CH第3页/共60页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元件 霍尔元件的结构如图8-2所示。第4页/共60页第5页/共60页图8-2 外形结构示意图 图8-3 图形符号第6页/共60页8-5基本测量电路 第7页/共60页 (a) 直流激励 (b) 交流激励 图8-6 霍尔元件的输出电路 第8页/共60页第9页/共60页第10页/共60页第11页/共60页第12页/共60页图8-

2、8 测量寄生直流电势的电路图第13页/共60页第14页/共60页表8-1 霍尔器件常用材料的物理性能第15页/共60页图8-9 霍尔开关集成传感器原理框图第16页/共60页第17页/共60页第18页/共60页 8-10 霍尔开关集成传 感器输出特性 第19页/共60页第20页/共60页第21页/共60页第22页/共60页 图8-11 霍尔开关集成传感器温度特性第23页/共60页示。第24页/共60页 （a） SL3501T型结构（单端输出） (b) SL3501M型结构（双端输出） 图8-12 线性集成霍尔传感器的电路结构第25页/共60页第26页/共60页图8-13 霍尔位移传感器第27页/

3、共60页图8-14 霍尔传感器电流变换器第28页/共60页图8-15 无接触式仿型加工原理示意图第29页/共60页图8-16 自动供水装置第30页/共60页图8-17 研究闭合材料试样磁特性的线路框图第31页/共60页 图8-18 用霍尔开关集成传感器构成的按钮 第32页/共60页第33页/共60页第34页/共60页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将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。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、电路三位一体。集成霍尔传它取消了传

4、感器和测量电路之间的界限，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，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、重感器与分立相比，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、功耗低等优点，正越来越爱到众的重视。量轻、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尔输出信号。按照输出信号的形式，可以分为开关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。型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。8.2.1 开关型集成霍尔传感器开关型集成霍

5、尔传感器 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电平的数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电平的数字信号。字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，器和输出级组成，其典型电路见图其典型电路见图8.2.18.2.1。 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 N型硅外延层上制作的。由于型硅外延层上制作的。由于N N型硅外延层的电阻率型硅外延层的电阻率一般为一般为

6、1.01.01.5cm1.5cm电子迁移率电子迁移率约为约为1200cm1200cm2 2(Vs)(Vs)，厚度，厚度d d约为约为10m10m，故很适合做霍尔元件。集成，故很适合做霍尔元件。集成块中霍尔元件的长块中霍尔元件的长600m600m，宽为，宽为400m400m。由于在制造工艺中采用了光刻技术，电极的对称。由于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，由于厚度性好，零位误差大大减小。另外，由于厚度d d很小，霍尔灵敏度也相对提高了，在很小，霍尔灵敏度也相对提高了，在0.1T0.1T磁场磁场作用下，元件开路时可输出作用下，元件开路时可输出20mV20mV左右的

7、霍尔电压。霍尔输出经前置放大的后送到斯密特触左右的霍尔电压。霍尔输出经前置放大的后送到斯密特触发器，通过整形成为矩形脉冲输出。当磁感应强度发器，通过整形成为矩形脉冲输出。当磁感应强度B B为为0 0时，霍尔元件无输出，即时，霍尔元件无输出，即U UH H=0=0。线。线路中，由于流过路中，由于流过V V2 2集电极电阻的电流大于流过集电极电阻的电流大于流过V V1 1集电极电阻的电流，输出电压集电极电阻的电流，输出电压U U b3 b3U Ub4b4，则，则V V3 3优先导通，经过下面的正反馈过程：优先导通，经过下面的正反馈过程：第35页/共60页UH2UH1Ub3V1V2V3V4V5V6V

8、7V8Ub4Ue3Uc4Ic4Ic2Ib3Ic1Ue4Ic31234(E) 图图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均均截止，输出为高电平。截止，输出为高电平。 当磁感应强度当磁感应强度B B不为不为0 0时，霍尔元件有时，霍尔元件有U UH H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U UH1H1升高，升高，U UH2H2下降，使下降，使V V1 1的基极电位升高，的基极电位升高，V V

9、2 2的基极电位下降。于是，的基极电位下降。于是，V V1 1的集电极输出电的集电极输出电压压U Ub3b3下降，下降，V V2 2的集电极输出电压的集电极输出电压V Vb4b4升高。当升高。当U Ub3b3=U=Ue3e3+0.6V+0.6V时，时，V V3 3由饱和进入放大状态，经由饱和进入放大状态，经过下面的正反馈过程：过下面的正反馈过程：第36页/共60页 Ub3Ic3Ub4Ic4Ue3 最终使得最终使得V3截止截止V4饱和。此时，饱和。此时，V4的集电极处于低电位。于是，的集电极处于低电位。于是，V5导通，由导通，由V5和和V6组组成的成的P.N.P和和N.P.N型三极管的复合管，足

10、以使型三极管的复合管，足以使V7、V8进入饱和状态。输出由原来的高进入饱和状态。输出由原来的高电平电平UoH转换成低电平转换成低电平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，的减少，UH相应减小。相应减小。Ub3升升高，高，Ub4下降。当下降。当Ub3= Ue4+0.5V，V3由截止进入放大状态，经过下面正反馈过程：由截止进入放大状态，经过下面正反馈过程：Ub3 Ic3Ub4Ic4Ue3最终又使得最终又使得V3饱和，饱和，V4截止。截止。V4的集电极处于高电位，恢复初始状态，的集电极处于高电位，恢复初始状态，V7、V8截

11、止，输截止，输出又转换成高电平出又转换成高电平UoH。 集成霍尔传感器的输出电平与磁场集成霍尔传感器的输出电平与磁场B之间的关系见图之间的关系见图8.2.2，可以看出，集成霍尔传，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开关型集成霍尔传感器的这一特

12、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型集成霍尔传感器的磁电特性如下：回差宽度典型值下：回差宽度典型值610.3T。电源电压。电源电压CS837、CS683710V(CS839、CS683918V)。低。低电平输出电压电平输出电压U0L均为均为0.4V，高电平输出最大漏电流为，高电平输出最大漏电流为10A，高电平电源电流，高电平电源电流ICCHCS837、CS6837为为6mA(CS839、CS6839为为7mA)，低电平电源电流，低电平电源电流ICCLCS83

13、7、CS6837为为9mA(CS839、CS6839为为7mA)。第37页/共60页UOHUOLU0B(LH)B(HL)B图图8.2.2输出电平与磁场的关系输出电平与磁场的关系 V1V2V3V4V5V6123475869R1R2R3R4R5R6R7R8 图图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

14、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8.2.38.2.3。这是。这是HL1.1HL1.1型线性集成霍尔传感器，它的电路比较简单，用于精度要求不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高的一些场合。图中，霍尔元件的输出经由V V1 1、V V2 2、R R1 1至至R R5 5组成的第一级差分放大器放大组成的第一级差分放大器放大，放大后的信号再由，放大后的信号再由V V3 3、V V6 6、R R6 6、R R7 7组成的第二级差分放大器放大。第二级放大采用达林组成的第二级差分放大器放大。第二级放大采用达

15、林顿对管，射极电阻顿对管，射极电阻R R8 8外接，适当选取外接，适当选取R R8 8的阻值，可以调整该极的工作点，从而改变电路增的阻值，可以调整该极的工作点，从而改变电路增益。在电源电压为益。在电源电压为9V9V，R R8 8取取2K2K时，全电路的增益可达时，全电路的增益可达10001000倍左右，与分立元件霍尔传感器倍左右，与分立元件霍尔传感器相比，灵敏度大为提高。相比，灵敏度大为提高。 第38页/共60页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

16、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。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，

17、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。第39页/共60页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 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

18、场的磁感应强度。若不垂直，则应求出件表面垂直，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 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

19、动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。例如，用一个。例如，用一个542.5（mm3）的钕铁硼）的钕铁硼号磁钢，就可在它的磁极表面上得到号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约约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。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，霍尔片的深在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。

20、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。度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，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。被检信息。 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)(a)对移；对移；(b)(b)侧移；侧移；(c)(c)旋转；旋转；(d)(d)遮断。遮断。如图如图8.3.18.3.1所示，图

21、中的所示，图中的TEAGTEAG即为总有效工作气隙。即为总有效工作气隙。第40页/共60页 图图8.3.1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，用一软磁（例如软铁）翼片作为运动工作部件，当翼片进入间为运动工作部件，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。被传感的运动信息节工作磁场。被传

22、感的运动信息加在翼片上。这种方法的检测精加在翼片上。这种方法的检测精度很高，在度很高，在125的温度范围内，的温度范围内，翼片的位置重复精度可达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）背面（外壳上没打标志的一面），让被检的铁磁物体（例如钢齿，让被检的铁磁物体（例如钢齿轮）从它们近旁通过，检测出物轮）从它们近旁通过，检测出物体上的特殊标志（如齿、凸缘、体上的特殊标志（如齿、凸缘、缺口等），得出物体的运动参数缺口等），得出物体的运动参数。8.3.1.3 8.3.1.3 与外电路的接口与外电路的接口 霍尔开关电路的输出级一般霍

23、尔开关电路的输出级一般是一个集电极开路的是一个集电极开路的NPNNPN晶体管，晶体管，其使用规则和任何一种相似的其使用规则和任何一种相似的NPNNPN开关管相同。输出管截止时，输开关管相同。输出管截止时，输漏电流很小，一般只有几漏电流很小，一般只有几nAnA，可，可以忽略，输出电压和其电源电压以忽略，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（即规范表中输出管的击穿电压（即规范表中规定的极限电规定的极限电 第41页/共60页压）。输出管导通时，它的输出端和线路的公共端短路。因此，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

24、短路。因此，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），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大，使用者应当特别注意，仅损坏输出管。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（或逻辑这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

25、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=(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，因此，可取，因此，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；

26、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 第42页/共60页 图图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

27、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。 第43页/共60页8.3.2.1 8.3.2.1 检测磁场检测磁场 用霍

28、尔线性器件作探头，测量用霍尔线性器件作探头，测量.6T10T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UGN3503或或A3515型霍尔线性电路来检测磁场的磁感应强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（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（10k）电压

29、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）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，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。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值时，可用值时，可用 B=Vout(B).Vout(o)1000/S 式中，式中，V Vout(B)out(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，V Vout(o)out(o)= =

30、未加被测磁场时的电压读数，未加被测磁场时的电压读数，单位为单位为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8.3.5所示。图所示。图8.3.5（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8.3.5（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8.3.6，(a)为检测齿轮，为检测齿轮，(b)为检测缺

31、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 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 图图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 第44页/共60页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

32、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

33、，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，所示，使用霍尔使用霍尔霍尔器件又起定子电

34、流的换向霍尔器件又起定子电流的换向作用。作用。 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，使线路大为简化，如图8.3.98.3.9所示。所示。 图图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第45页/共60页图图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用用CS2018直接驱动电机的线路示意图直接驱动电机的线路示意图 第46页/共60页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霍尔无损探伤已在

35、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。到广泛应用。铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高，磁阻小，磁力线都集中在材料内部。若材料均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，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，性质（孔或裂纹）和大小（如深度、宽度等）

36、，图位置，性质（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示出两种用于无损探伤的探头结构。探头结构。(b)(b)检测线材用检测线材用 (a)无损探伤的探头结构无损探伤的探头结构 (b)检测板材用检测板材用 图图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

37、引线用电缆连接起来，构成如图一个探头，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8.3.118.3.11所示的接近传感器。它们的功能框见图所示的接近传感器。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)为为霍尔接近开关。霍尔接近开关。 第47页/共60页图图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 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

38、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、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。第48页/共60页8.3.2.

39、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

40、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不断接收来不断接收来自车速齿轮传感器自车速齿轮传感器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信号，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

41、压力，以防止车轮抱死，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，霍尔传感器达到抗侧滑、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，是作为车轮转速传感器，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

42、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。 （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，

43、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。第49页/共60页图图8.3.13霍尔速度传感器的内部结构霍尔速度传感器的内部结构1.车轮速度传感器2.压力调节器3.电子控制器图图8.3.14ABS气制动系统的工作原理示意图气制动系统的工作原理示意图 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。

44、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 旋转传感器磁体设置旋转传感器磁体设置 第50页/共60页由此，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

45、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。

46、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。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 第51页/共60页由图由图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对对应结构图（应结构图（a a）, ,曲线曲线2 2对应结构图对应结构图(b)(b)，曲线，

47、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进行方向和转速测定8.3.2.8 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，它输出的霍尔电压尔电压V VH H值只由它在该磁场中的位移量值只由它在该磁场中的位移量Z Z来决定。图来决定。图8.3.198.3.19示出示出3 3种产生梯度磁场的磁系统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，

48、可构成霍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，结构（尔微位移传感器。从曲线可见，结构（b b）在）在Z2mmZ2mm时，时，VHVH与与Z Z有良好的线性关系，且分辨有良好的线性关系，且分辨力可达力可达1m1m，结构（，结构（C 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、称重等霍以微位移检测为基础，可以构成压

49、力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。尔传感器。 第52页/共60页 1) 1) 霍尔压力传感器霍尔压力传感器 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8.3.208.3.20所示。在所示。在图图8.3.208.3.20中，（中，（a a）的弹性元件为膜盒，）的弹性元件为膜盒，(b)(b)为弹簧片，为弹簧片，(c)(c)为波纹管。磁系统最好用能构为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统，如图成均匀梯度磁场的复合系统，如图8.3.208.3.20中的中的(a)(a)、(b)(b)，也可采用单

50、一磁体，如（，也可采用单一磁体，如（c 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而改变它的输出电压V VH H。由事先校准的。由事先校准的p pf(VH)f(VH)曲线即可得到被测压力曲线即可得到被测压力p p的值。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) 2) 霍尔应力检测装置霍尔应力检测装置 图图8.3.218.3.21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示出用来进行土壤和砂子与

51、钢界面上的法向和切向应力检测的霍尔传感器装置。装置。(a)(a)检测向切应力，检测向切应力，(b)(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 8.3.21 (a)(a)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，在上块上贴两个霍尔传感器，受剪切力销柱，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，使传感器输出发生变

52、化。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受到的剪切应力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。第53页/共60页图图 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)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。理同上。应用检测压应力的原理，可构成检测重量的装

53、置，称作霍尔称重传感器。 3) 3) 霍尔加速度传感器霍尔加速度传感器 图图8.3.228.3.22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器的结构原理和静态特性曲线。在盒体的O O点上固定均点上固定均质弹簧片质弹簧片S,S,片片S S的中部的中部U U处装一惯性块处装一惯性块M M，片，片S S的末端的末端b 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，H H的上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

54、，惯性块在惯性力的作用下使霍尔元件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H H产生一个相对盒体的产生一个相对盒体的位移，产生霍尔电压位移，产生霍尔电压VHVH的变化。可从的变化。可从VHVH与加速度的关系曲线上求得加速度。与加速度的关系曲线上求得加速度。8.3.2.9 8.3.2.9 实现电磁电的转换实现电磁电的转换 众所周知众所周知, ,在有电流流过的导线周围会感生出磁场在有电流流过的导线周围会感生出磁场, ,该磁场与流过的电流的关系该磁场与流过的电流的关系, ,可由安培环可由安培环路定理求出。路定理求出。 用霍尔器件检测由电流感生的磁场用霍尔器件检测由电流感生的磁场,

55、 ,即可测出产生这个磁场的电流的量值。即可测出产生这个磁场的电流的量值。由此由此, ,可以构成霍尔电流、电压传感器。可以构成霍尔电流、电压传感器。 第54页/共60页图图8.3.22 霍尔加速度传感器的结构及其静态特性霍尔加速度传感器的结构及其静态特性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，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例，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霍尔电度表。尔功率计和霍尔

56、电度表。 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，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，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品。多新型产品。 1) 1) 霍尔电流传感器霍尔电流传感器 霍尔电流传感器的结构如图霍尔电流传感器的结构如图8.3.238.3.23所示。用一环形导磁材料作成磁芯，套在被测电流流过所示。用一环形导磁材料作成磁芯，套在被测电流流过的导线上，将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁

57、芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器的导线上，将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流。图件，器件通电后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流。图8.3.238.3.23（a a）所示）所示的传感器用于测量电流强度较小的电流，图的传感器用于测量电流强度较小的电流，图8.3.23 (b)8.3.23 (b)所示的传感器用于检测较大的电流所示的传感器用于检测较大的电流。 实际的霍尔电流传感器有两种构成形式，即直接测量式和零磁通式。实际的霍尔电流传感器有两种构成形式，即直接测量式和零磁通式。 第55页/共60页

58、2) 2) 直接测量式霍尔电流传感器直接测量式霍尔电流传感器 将图将图8.3.238.3.23中霍尔器件的输出（必要时可进行放大）送到经校准的显示器上，即可由中霍尔器件的输出（必要时可进行放大）送到经校准的显示器上，即可由霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。这种方式的优点是结构简单，测量结果的精霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。这种方式的优点是结构简单，测量结果的精度和线性度都较高。可测直流、交流和各种波形的电流。但它的测量范围、带宽等受到度和线性度都较高。可测直流、交流和各种波形的电流。但它的测量范围、带宽等受到一定的限制。在这种应用中，霍尔器件是磁场检测器，它检测的是磁芯气隙中的磁感

59、应一定的限制。在这种应用中，霍尔器件是磁场检测器，它检测的是磁芯气隙中的磁感应强度。电流增大后，磁芯可能达到饱和；随着频率升高，磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗强度。电流增大后，磁芯可能达到饱和；随着频率升高，磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。这些都会对测量精度产生影响。当然，也可采取一些改进措施来降低等也会随之升高。这些都会对测量精度产生影响。当然，也可采取一些改进措施来降低这些影响，例如选择饱和磁感应强度高的磁芯材料；制成多层磁芯；采用多个霍尔元件这些影响，例如选择饱和磁感应强度高的磁芯材料；制成多层磁芯；采用多个霍尔元件来进行检测等等。来进行检测等等。 这类霍尔电流传感器的价格也相对便

60、宜，使用非常方便，已得到极为广泛的应用，国这类霍尔电流传感器的价格也相对便宜，使用非常方便，已得到极为广泛的应用，国内外已有许多厂家生产。内外已有许多厂家生产。 3) 3) 零磁通式（也称为磁平衡式或反馈补偿式）霍尔电流传感器零磁通式（也称为磁平衡式或反馈补偿式）霍尔电流传感器 如图如图8.3.248.3.24所示，将霍尔器件的输出电压进行放大，再经电流放大后，让这个电流通所示，将霍尔器件的输出电压进行放大，再经电流放大后，让这个电流通过补偿线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，若满足条件过补偿线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，若满足条件I Io o