霍尔式传感器课件

1、电气测试技术电气测试技术电子信息与自动化学院贺晓蓉7/30/202214.11 霍尔式传感器（磁敏传感器） 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达m级）。采用

2、了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达55150。 7/30/20222 霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。 随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。磁敏传感器磁学量电信号7/30/20223 实际应用中磁敏元件主要用于检测磁场，而与人们相关的磁场范围很宽，一般的磁敏传感器检测的最低磁场只能到106高斯。 磁场强度与磁场源的分布7/30/20224测磁的方法： 利用电磁感应作用的传感器（强磁

3、场）如： 磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器； 利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件； 利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器； 利用超导效应传感器，SQVID约瑟夫元件； 利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。 随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，微型化和集成化方向发展。7/30/20225金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。这是由科学家爱德文霍尔在1879年发现的。产生的电势差称为霍尔电压。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。4.11.1.霍尔元件 KH表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度

4、时产生的霍尔电压的大小。它不仅决定于载流体材料，而且取决于它的几何尺寸 。愈大愈好。KH为霍尔灵敏度方向判定：伸开手掌，四指并拢，拇指与四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，把手掌放入磁场中，让磁感线穿入手心，四指指向电荷运动的方向。那么大拇指的指向，就是电荷在磁场中受的磁场力的方向。对正电荷用左手、对负电荷用右手。 7/30/20226霍尔效应演示当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab7/30/20227磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上

5、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Bcos，这时的霍尔电势为结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B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，则霍尔电势为同频率的交变电势。 EH=KHIBcos 7/30/20228霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。 基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d越小)，kH 就越大，薄膜霍尔元件厚度只有1m左右 。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。 7/30/20229讨论：

6、 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件 ；绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用； 金属材料电子浓度很高，RH很小，UH很小。 半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型半导体（多电子）。 7/30/202210霍尔元件的基本电路7/30/2022114.11.2 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。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，越来越受到重视。集

7、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。7/30/202212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。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，其典型电路如图所示。 1. 开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器的典型电路7/30/202213输出电平与磁场的关系 集成霍尔传感器的输出电平与磁场B之间的关系见图，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

8、它们的饱和电流不相等引起的。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。7/30/2022142.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。与分立元件霍尔传感器相比，灵敏度大为提高。 线性集成霍尔传感器 7/30/2022154.11.3 应用 电流计 磁感应开关 磁敏电位器 霍尔电动机 1）若I为常数， 正比于B。将霍尔元件置于非线性均匀磁场中，可用于测量各种机械量、热工量以及电磁量。若B为运动中的

9、磁场，判断B是否存在，可用于同步传递装置、无整流子电动机、信号发信以及产品计数等。2）若B为常数，I 为变量，可用于小电流测量、隔离器以及U-I转换器等。3）若B、I均为变量， 正比于B*I，可用于做成各种运算器、功率测量以及调制解调器等。7/30/202216案例1.检测磁场(数字高斯计）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。概述HT20系列手持式数字高斯计/特斯拉计可用于测量直流磁场、 交流磁场、辐射磁场等各类磁场的磁感应强度。该仪器可以随身携带，量程范围宽，操作方便，液晶显示清晰。电源为一节9V干电池，可连续使用20小时。应用范围永磁材料表面磁场、直流电

10、机、扬声器、磁选机、永磁除铁器的工作磁场。7/30/202217霍尔特斯拉计（高斯计） 霍尔元件7/30/202218霍尔高斯计（特斯拉计）的使用 霍尔元件磁铁7/30/202219霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件测量铁心气隙的B值7/30/202220案例2.无损探伤 霍尔无损探伤已在炮膛探伤、管道探伤，缆绳探伤，船体探伤以及材料检验等方面得到广泛应用。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，可辨别出缺陷的位置

11、，性质（孔或裂纹）和大小（如深度、宽度等），7/30/202221铁磁材料裂纹检测 NS7/30/202222案例3.用在直流无刷电机中 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，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。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。 普通直流电动机使用的电刷和换向器7/30/202223无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车可充电电池组无刷电动机7/30/202224在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应

12、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，构成霍尔接近传感器。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、角度检测等。 案例4.霍尔接近传感器和接近开关7/30/202225当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。 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、

13、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等。霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。这是最常用的霍尔开关，它的直径为12毫米，固定时只要在设备外壳上打一个12毫米的园孔就能轻松固定，长度约30毫米，背后有工作指示灯，当检测到物体时红色LED点亮，平时处于熄灭状态。7/30/202226n=60f4(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔IC T霍尔式接近开关用于转速测量演示7/30/202227按下图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

14、电路一次，便输出一个电压脉冲。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。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。案例5.霍尔旋转传感器(a)径向磁极 (b)轴向磁极 (c)遮断式 旋转传感器磁体设置7/30/202228右图的霍尔流量计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

15、流量。霍尔流量计霍尔流量计基于位移传感的霍尔流量计：叶轮在流体推动下旋转，带动螺杆旋转，使磁系统产生上下移动。流速高则位移量大。用霍尔器件检出位移而获得流速和流量。 7/30/202229测转角7/30/202230汽车速度测量: 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。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，输出为低电平。7/30/202231霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用 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

16、来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔7/30/202232案例6.电流传感器 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。既可测直流也可测交流。卡形电流计的结构 7/30/202233霍尔电流传感器演示铁心 线性霍尔ICII UH=KH IB 7/30/202234从 a端通入电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生霍尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。其动态范围可达 5 mm, 分辨率为 0.001mm。 案例7.霍尔位移传感器7/30/202235案例8