第七章-电磁式传感器-课件

7.1磁电感应式传感器7.1.1工作原理和结构类型7.1.2动态特性7.1.3误差及其补偿7.1.4信号调理电路7.1.57.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应与霍尔元件材料7.2.2测量电路7.2.3特性和指标7.2.4补偿电路7.2.57.3磁敏传感器7.3.1磁敏电阻7.3.2磁敏二极管7.3.3磁敏三极管第7章磁电式传感器2020/10/2817.1磁电感应式传感器第7章磁电式传感器2020/10/知识单元与知识点电磁感应、霍尔效应的基本概念；磁电感应式传感器的工作原理、分类（恒磁通式：动圈式和动铁式结构，变磁通式：开磁路和闭磁路结构）、基本特性、测量电路与应用；霍尔式传感器的工作原理、测量电路与应用；霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿。能力点深入理解电磁感应、霍尔效应的基本概念；理解磁电感应式传感器的工作原理、分类、基本特性、测量电路；理解霍尔式传感器的工作原理；了解霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿；了解磁电感应式传感器、霍尔式传感器的应用。重难点重点：电磁感应、霍尔效应的基本概念，磁敏式传感器工作原理、分类、测量电路，霍尔式传感器的工作原理。难点：磁敏式传感器的基本特性。学习要求熟练掌握电磁感应、霍尔效应的基本概念；掌握磁电感应式传感器的工作原理、分类、基本特性、测量电路；掌握霍尔式传感器的工作原理；了解霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿；了解磁电感应式传感器、霍尔式传感器的应用。2020/10/282知识单元与知识点电磁感应、霍尔效应的基本概念；能力点深入理解精品资料3精品资料3磁电式传感器定义：通过磁电作用，将被测量的变化转变为电信号的传感器。分类：磁电感应式传感器：利用法拉第电磁感应定律，测量磁场和位置速度等霍尔式传感器：利用霍尔效应，测量磁场、位置、速度、电压、电流等磁敏传感器：利用磁阻效应，测量转速、磁通、电流、流量等2020/10/284磁电式传感器定义：通过磁电作用，将被测量的变化转变为电信号的7.1磁电感应式传感器

磁电感应式传感器简称感应式传感器，根据电磁感应原理，利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势即将运动速度转换成感应电势输出。是典型的无源传感器。反向使用时可构成力发生器或电磁激振器，称为电动式传感器。

优点：一种机-电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围（一般为10～1000Hz），只适用于振动、转速、扭矩等动态测量。缺点：尺寸和重量都较大。磁电式传感器机械能电量2020/10/2857.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器简称感应式传感电感式传感器是把被测量转换成电感量的变化，磁电式传感器通过检测磁场的变化测量被测量。磁电传感器霍尔传感器测转速2020/10/286电感式传感器是把被测量转换成电感量的变化，磁电式传感器通过7.1.1工作原理和结构类型

磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。根据法拉第电磁感应定律可知，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小取决于穿过线圈的磁通Φ的变化率，即2020/10/2877.1.1工作原理和结构类型磁电感应式传感器是以电磁感磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈与磁场的相对运动速度有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。

根据以上原理有两种磁电感应式传感器：恒磁通式：磁路系统恒定磁场，运动部件可以是线圈也可以是磁铁。变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。2020/10/288磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈与磁场的相对运动1.恒磁通式

由永久磁铁、线圈、弹簧和骨架组成，磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，气隙中的磁通也恒定不变，感应电势是由于线圈相对于永久磁铁运动时切割磁力线产生的，运动部件可以是线圈也可以是磁铁，结构常分为动圈式和动磁式2020/10/2891.恒磁通式由永久磁铁、线圈、弹簧和骨架下图所示为动圈式磁电感应式传感器的结构原理图。当线圈在垂直于磁场方向作直线运动或旋转运动时，若以线圈相对磁场运动的速度v或角速度ω表示，则所产生的感应电动势e为式中l——每匝线圈的平均长度；

B——线圈所在磁场的磁感应强度；2020/10/2810下图所示为动圈式磁电感应式传感器的结构原理图。当线圈在垂直于式中l——每匝线圈的平均长度；

B——线圈所在磁场的磁感应强度；

S——每匝线圈的平均截面积。2020/10/2811式中l——每匝线圈的平均长度；

B——线圈所在磁场的磁感应

在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、S均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或ω)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。2020/10/2812在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、S均为定2变磁通式开磁路式闭磁路式变磁通式的线圈和永久磁铁都是静止的，感应电势由变化的磁通产生。2020/10/28132变磁通式开磁路式闭磁路式变磁通式的线圈和永久

图为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速n与测量齿轮上齿数z的乘积。由频率计测得f，即可求得转速n。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。2020/10/2814图为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，图为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮5和外齿轮6、永久磁铁1和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。2020/10/2815图为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内7.1.4信号调理电路为便于各级阻抗匹配，将积分电路和微分电路置于两极放大器之间。直接输出电动势测量速度；接入积分电路测量位移；接入微分电路测量加速度。2020/10/28167.1.4信号调理电路2020/10/28167.1.5磁电式传感器的应用举例2020/10/28177.1.5磁电式传感器的应用举例2020/10/2817

磁电式扭距传感器：当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1、u2存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比，传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。转轴测量电路磁电传感器1磁电传感器2齿型转盘u1u2u

电磁心音传感器电磁血流量计2020/10/2818磁电式扭距传感器：转轴测量电路磁电传感器1磁电传感器2齿例子1：某磁电传感器的总刚度为3200N/m，测得其固有频率为20Hz。若欲使其固有频率降低为为10Hz，则其刚度应该为多大？解：固有频率为：其中，c为弹簧刚度；m为质量块质量；因此有：两个式子相比：2020/10/2819例子1：某磁电传感器的总刚度为3200N/m，测得其固有频率1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传感器是基于霍尔效应。霍尔传感器是目前国内外应用最广的一种磁电式传感器，利用霍尔效应实现磁电转换，可以检测微位移、转速、流量、角度，也可以制作高斯计、电流表、功率计、乘法器、接近开关和无刷直流电机等7.2霍尔传感器

2020/10/28201878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱1霍尔效应半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。

磁感应强度B为零时的情况cdab7.2.1霍尔效应与霍尔元件

2020/10/28211霍尔效应磁感应强度B为零时的情况cdab7.2.1霍磁感应强度B较大时的情况作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势UH可用下式表示：UH=KH（霍尔常数）

IB2020/10/2822磁感应强度B较大时的情况作用在半导体薄片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，直至在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起稳定的霍尔电势。cdab2020/10/2823霍尔效应演示当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力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

UH=KHIBcos

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。

2020/10/2824磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势工作原理

设霍尔片的长度为l，宽度为b，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力q—电子电量(1.62×10-19C)；

v—电子运动速度。同时，作用于电子的电场力

当达到动态平衡时2020/10/2825工作原理设霍尔片的长度为l，宽度为b，厚度为d。又霍耳电势UH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。电流密度j=nqvn—N型半导体中的电子浓度N型半导体P型半导体—霍耳系数，由载流材料物理性质决定。ρ—材料电阻率p—P型半导体中的空穴浓度μ—载流子迁移率,μ=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。2020/10/2826霍耳电势UH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。电流密度定义KH=RH/d

KH—霍耳器件的灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。若磁感应强度B的方向与霍尔器件的平面法线夹角为θ时，霍尔电势应为：UH＝KH

IB

UH＝KHIBcosθ

注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势并不改变方向。2020/10/2827定义KH=RH/dKH—霍耳器件的灵敏度。它与载流讨论：

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ρ很大，电子迁移率μ很小，不适用；金属材料电子浓度n很高，RH很小，UH很小;半导体材料电阻率ρ较大RH大，非常适于做霍尔元件，半导体中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）;由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米(d≈1μm)。2020/10/2828讨论：2020/10/2828

当RH

，d一定时，即载流材料和几何尺寸一定时，霍尔电势∝电流I（磁场B一定时）或∝磁场B（电流I一定时），所以霍尔传感器可以用来测量磁场或检测电流。

当霍尔元件在一个线性梯度磁场中移动时，输出霍尔电势的大小反映了磁场变化，即可测量微小位移、压力或者机械振动等2020/10/2829当RH，d一定时，即载流材料和几何尺寸一定时优点：霍尔元件使用寿命长、可靠性高、结构简单，外围电路简单、体积小、动态特性好、频带宽、易微型化集成化。因而在很多领域得到了广泛的应用。缺点：转换效率低，受温度影响大。2020/10/2830优点：霍尔元件使用寿命长、可靠性高、结构简单，外围电路简单、习题8：已知霍尔元件厚度1mm，沿长度方向通有1mA电流，在垂直方向加均匀磁场B=0.3T，灵敏度SH=22V/(AT)，试求输出霍尔电势及载流子浓度？解：2020/10/2831习题8：已知霍尔元件厚度1mm，沿长度方向通有1mA电流，在习题9：霍尔元件灵敏度SH=40V/(AT)，控制电流为3mA，将其置于B=1*10-4~5*10-4T的线性变化磁场中，其输出霍尔电势的范围有多大？解：霍尔电势变化范围在12uV~60uV之间。2020/10/2832习题9：霍尔元件灵敏度SH=40V/(AT)，控制电流为3m霍尔元件材料材料电阻率（Ωm）载流子迁移率（cm2v-1s-1）霍尔系数（cm2c-1）锗（Ge）10-23.6×1034.25×103硅（Si）（温度系数小，线性好）1.5×10-22.25×103砷化铟（InAs）（温度系数小，线性好）2.5×10-33×104350锑化铟（InAb）（温度系数大）7×10-36×10410002霍尔元件2020/10/2833霍尔元件材料材料电阻率（Ωm）载流子迁移霍尔元件构造控制电极2020/10/2834霍尔元件构造控制电极2020/10/2834

国产霍尔元件别号的命名方法如下：常见的国产霍尔元件型号有HZ—1、HZ—2、HZ—3、HT—1、HT—2、HS—1等。2020/10/2835

国产霍尔元件别号的命名方法如下：常见的国产霍尔元件控制电流I；霍尔电势UH；控制电压V；输出电阻R0；输入电阻Ri；霍尔负载电阻RL；霍尔电流IH。图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍尔输出端接负载RL，RL可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍尔器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。VHRLVBIEIH霍尔器件的基本电路R实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。7.2.2信号调理电路霍尔元件的测量电路及符号2020/10/2836控制电流I；图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端或输出端。若霍耳端子间连接负载,称为霍耳负载电阻或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。H霍耳器件符号AAABBBCCCDDD2020/10/2837霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端或输出端。器件电流(控上两式是霍尔器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍尔输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。同样，若给出控制电压U，由于U=R1I，可得控制电压和霍尔电势的关系式设霍尔片厚度d均匀，电流I和霍尔电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流I和霍耳电势UH的关系式2020/10/2838上两式是霍尔器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍尔输

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、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压与外加磁场强度呈线性关系。广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电场等的测量和控制。输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。线性型三端霍尔集成电路霍尔集成传感器2020/10/2839霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。线性型集单端输出传感器的电路结构框图23输出+－稳压VCC1霍耳元件放大地H稳压H3VCC地4输出输出18675双端输出传感器的电路结构框图单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是UGN3501T。

双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是UGN3501M。2020/10/2840单端输出传感器的电路结构框图23输出+－稳压VCC1霍耳元件开关型霍尔集成电路

开关型霍尔集成电路将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。特点是输出电压为高低电平两种状态。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC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，OC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CS系列和UGN3020等。可做成无触点、无抖动、高可靠、长寿命的接近开关或按键开关，广泛用于计数装置以及汽车点火等系统。2020/10/2841开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路将霍尔元温度特性（a）RH与温度的关系；（b）ρ与温度的关系RH/cm2/℃﹒A-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/℃0246ρ/7×10-3Ω·cmLnAs20015010050LnSbT/℃07.2.3误差分析及补偿方法1、温度补偿霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。2020/10/2842温度特性（a）RH与温度的关系；（b）温度误差的补偿温度变化会引起霍尔元件输入电阻变化，才用恒压源供电时，控制电流将发生变化而带来误差。为了减小输入电阻随温度变化而引起的误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，采用恒流源供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定。2020/10/2843温度误差的补偿温度变化会引起霍尔元件输入电阻变化，才用

电路中Is为恒流源，分流电阻RT与霍尔元件的激励电极相并联。为了使霍尔电势在温度升高前后保持不变，当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻RT自动地增大分流，减小了霍尔元件的激励电流IH，从而达到补偿的目的。T2020/10/2844电路中Is为恒流源，分流电阻RT与霍尔元件的激励2不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的控制电流为I时，不加外磁场时，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。产生这一现象的原因有：①霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；

2020/10/28452不等位电势和不等位电阻2020/10/2②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；

③电极与霍尔元件接触不良造成激励电流不均匀分布等。2020/10/2846②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；霍尔元件不等位电势补偿不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电势。2020/10/2847霍尔元件不等位电势补偿2020/10/2847不等位电势的补偿：分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥，不等位电压相当于桥路四个电阻不相等，初始有不平衡输出U0≠0，可在电阻大的桥臂上并联电阻。或在相邻桥臂上同时并联电阻，仔细调节并联电阻的阻值，就可以补偿霍尔元件的不等位电势。2020/10/2848不等位电势的补偿：2020/10/28487.2.4霍尔式传感器的应用1、霍尔式位移传感器2、霍尔式压力传感器2020/10/28497.2.4霍尔式传感器的应用1、霍尔式位移传感器2、霍7.2.4霍尔传感器的应用霍尔元件测量铁心气隙的B值霍尔传感器用于测量磁场强度2020/10/28507.2.4霍尔传感器的应用霍尔元件测量铁心气隙的霍尔转速表

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直、放大、整形后可以确定被测物的转速。SN线性霍尔磁铁2020/10/2851霍尔转速表在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选霍尔转速表原理

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。2020/10/2852霍尔转速表原理当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过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2020/10/2853霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用霍尔式无触点汽车电子点火装置

采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。

汽车点火线圈高压输出接头12V低压电源输入接头2020/10/2854霍尔式无触点汽车电子点火装置采用霍尔式无触点电汽车电子点火装置使用的

点火控制器、霍尔传感器及点火总成磁铁点火总成2020/10/2855汽车电子点火装置使用的点火控制器、霍尔传感器及点火总成磁霍尔式无刷电动机

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2020/10/2856霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机取消了换向器和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2020/10/2857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无刷电动机在电动自行车上的应用

无刷直流电动机的外转子采用高性能位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。2020/10/2858无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动自行车的无刷电动机及控制电路去速度控制器利用PWM调速2020/10/2859电动自行车的无刷电动机及控制电路去速度控制器利用PW光驱用的无刷电动机内部结构2020/10/2860光驱用的无刷电动机内部结构2020/10/2860霍尔式接近开关

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块钕铁硼磁铁。2020/10/2861霍尔式接近开关当磁铁的有效磁极接近、并达到动作霍尔式接近开关用于转速测量演示n=60f4(r/min)软铁分流翼片

开关型霍尔ICT2020/10/2862霍尔式接近开关用于转速测量演示n=60f4(r/min)软铁霍尔电流传感器

将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。2020/10/2863霍尔电流传感器将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检霍尔电流传感器演示铁心线性霍尔IC

EH=KHIB

I所实现的多媒体界面：I2020/10/2864霍尔电流传感器演示铁心线性霍尔ICEH=KHIBI所其他霍尔电流传感器2020/10/2865其他霍尔电流传感器2020/10/2865其他霍尔电流传感器（续）2020/10/2866其他霍尔电流传感器（续）2020/10/2866霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口2020/10/2867霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口2020/10/2867霍尔钳形电流表演示直流200A量程被测电流的导线未放入铁心时示值为零70.9A2020/10/2868霍尔钳形电流表演示直流200A量程被测电流的导线未放入铁心时钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示70.9A2020/10/2869钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的铁心张开将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中2020/10/2870霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心霍尔钳形电流表的使用（续）叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便用钳形表测量电动机的相电流2020/10/2871霍尔钳形电流表的使用（续）叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便霍尔式电流谐波分析仪

被测电流的谐波频谱铁心的开合缝隙

铁心的杠杆压舌2020/10/2872霍尔式电流谐波分析仪被测电流的谐波频谱铁心的开合缝隙霍尔元件在无损损伤中的应用铁磁材料具有高磁导特性，外加磁场作用下无缺陷时，磁力线绝大部分通过铁磁材料且材料内部磁力线均匀分布。有缺陷时，缺陷处磁导率远比铁磁材料本身小，则磁力线发生弯曲，且有一部分磁力线泄漏出材料表面，采用霍尔元件检测出该泄漏磁场强度的变化，即可有效检测出缺陷的存在。2020/10/2873霍尔元件在无损损伤中的应用铁磁材料具有高磁导特性，外加磁场作7.4.1磁敏电阻7.4磁敏传感器

磁敏电阻是一种电阻值随磁场变化而变化的磁敏元件，也称MR元件。它的理论基础为磁阻效应。1、磁阻效应

将通以电流的金属或半导体材料的薄片置于与电流相垂直的磁场中，除产生霍尔效应外，由于运动的载流子收到磁场力的作用会产生偏转，使载流子经过的路程增加，迁移率减小，电阻率增加，电阻值就增加。此种现象称为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。选择合适的磁敏电阻形状，可以使霍尔效应减弱或消除，磁阻效应增强。2020/10/28747.4.1磁敏电阻7.4磁敏传感器

在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子(电子和空穴)的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化,它可表示为：Ｂ——为磁感应强度；N,P:电子和空穴的数量；ρ——材料在磁感应强度为Ｂ时的电阻率；ρ0——材料在磁感应强度为0时的电阻率；μ——载流子的迁移率。

电阻率变化主要由迁移率较大的一种载流子引起，它可表示为：当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。

2020/10/2875在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。这种与样品形状、尺寸有关的磁阻效应称为几何磁阻效应。

长方形磁阻器件只有在L(长度)<W（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把L<W的扁平器件串联起来，就会形成零磁场电阻值较大、灵敏度较高的磁阻器件。L几何磁阻效应WBIa)BIb)2020/10/2876磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。这种与样a）是没有栅格的情况，电流只在电极附近偏转，电阻增加很小。在L>W长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍耳电势，这种栅格磁阻器件,如图b）所示，就相当于许多L<W扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁阻器件的灵敏度。L几何磁阻效应WBIa)BIb)

常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部有制作成半桥或全桥等多种形式。2020/10/2877a）是没有栅格的情况，电流只在电极附近偏转，电阻增加很小。在1）灵敏度特性磁阻元件的灵敏度特性是在我国某些厂家是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场——电阻特性的斜率。国际上通用的标准是用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，RB为在施加0.3T磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于2.7。2、磁阻元件的主要特性2020/10/28781）灵敏度特性2、磁阻元件的主要特性2020/10/282）磁场—电阻特性15RBR0105温度(25℃)弱磁场下呈平方特性变化强场下呈直线特性变化0(b)电阻变化率特性0.20.40.60.81.01.21.4B/T在0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过0.1T后呈现线性变化当输入电流I，在垂直方向外加磁感应强度B时，由于磁感应强度B的作用会使电流方向发生倾斜而导致电阻值增大，其电阻值与磁感应强度的变化曲线如图a0.30.20.100.10.20.3R/Ω1000500S级(a)S、N级之间电阻特性B/TN级磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加2020/10/28792）磁场—电阻特性15RB105温度(25℃)弱磁场下呈平3）电阻——温度特性

半导体磁阻元件的温度特性不好。电阻值在35℃的变化范围内减小了1/2。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。10384210242106-4002060100温度/℃电阻变化率%半导体元件电阻-温度特性曲线2020/10/28803）电阻——温度特性10384210242106-40020

7.4.2磁敏二极管和磁敏三极管

霍尔元件和磁敏电阻是用N型半导体材料制成的体型元件。磁敏二极管、三极管是继霍尔元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的PN结型的新型磁电转换元件。它们具有磁灵敏度高（磁灵敏度比霍尔元件高数百甚至数千倍）；输出信号大；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点，因而正日益得到重视，并在检测、控制等方面得到普遍应用。

2020/10/28817.4.2磁敏二极管和磁敏三极管2020/10/2881（一）磁敏二极管

1．磁敏二极管的结构与工作原理

（1）磁敏二极管的结构

有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。磁敏二级管的结构是P+—i—N+型。与普通二极管区别：普通二极管PN结的基区i很短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二级管的PN结却有很长的基区i，大于载流子的扩散长度。H+H-N+区p+区i区r区电流（a）2020/10/2882（一）磁敏二极管（1）磁敏二极管的结构H+H-N+区p+区磁敏二极管的结构和电路符号(a)结构;(b)电路符号+（b）H+H-N+区p+区i区r区电流（a）以2ACM—1A磁敏二级管为例，在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P型和N型两个区域，并在本征区（i）区的一个侧面上，设置表面粗糙的高复合区(r区)，而与r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。2020/10/2883磁敏二极管的结构和电路符号+（b）H+H-N+区p+区i区r图a）当磁敏二极管的P区接电源正极，N区接电源负极,即外加正偏压时，P+向I区注入大量空穴，N+区向I区注入大量电子，只有少数电子和空穴在I区复合掉，大部分的电子和空穴通过I区分别到达P+和N+区，从而产生电流。2）磁敏二极管的工作原理

PNPNPNB=0B+B-→→→←←←电流电流电流（a）（b）（c）磁敏二极管的工作原理示意图iii电子空穴复合区2020/10/2884图a）当磁敏二极管的P区接电源正极，N区接电源负极,图b）当磁敏二极管受到正向磁感应强度B+作用时，电子和空穴受到洛伦兹力向r区偏移，由于r区电子和空穴复合速度很快，进入r区的电子和空穴很快被复合掉，因此电流迅速减小。2）磁敏二极管的工作原理

PNPNPNB=0B+B-→→→←←←电流电流电流（a）（b）（c）磁敏二极管的工作原理示意图iii电子空穴复合区图c）当磁敏二极管受到反向磁感应强度B-作用时，电子和空穴受到洛伦兹力偏离r区，电流明显增大。2020/10/2885图b）当磁敏二极管受到正向磁感应强度B+作用时，电子结论：磁敏二极管不仅能实现磁电转换，而且随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、也能判断磁场的方向。特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。磁敏二极管反向偏置时，则在r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。磁敏二极管的工作原理示意图PNPNPNB=0B+B-→→→←←←电流电流电流（a）（b）（c）iii电子空穴复合区2020/10/2886结论：磁敏二极管不仅能实现磁电转换，而且随着磁场大小和方向的1．磁敏三极管的结构与原理

1）磁敏三极管的结构有NPN和PNP型两种结构。NPN型磁敏三极管是在弱P型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成发射极、基极、集电极所形成的半导体元件。在长基区i区的侧面制成一个复合速率很高的高复合区r。长基区分为输运基区和复合基区两部。发射区和集电区分别设置在它的上、下面。a)NPN型磁敏三极管的结构b)NPN型磁敏三极管的符号bcerN+N+ceH-H+P+bi（三）磁敏三极管2020/10/28871．磁敏三极管的结构与原理1）磁敏三极管的结构有N（三）磁敏三极管的工作原理N+cyerxP+bN+（b）B=B-;N+cyerxP+bN+（c）B=B+N+cyerxP+bN+（a）B=0;运输基区复合基区

当不受磁场作用时，如图(a)时，在正向偏压作用下，由于磁敏三极管的基区I宽度大于载流子有效扩散长度，因而发射区注入的载流子除少部分输入到集电极c外，大部分通过e—i—b而形成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。所以，电流放大系数β0=Ic／Ib＜1。2020/10/2888（三）磁敏三极管的工作原理N+cyerxP+bN+（b）B

当使用如图(b)磁场时，由于洛仑兹力的作用，基极电流基本不变，集电极电流明显减小，电流放大倍数β<β0。当受到B＋磁场作用如图（c）时，载流子在洛仑兹力作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流增大，电流放大倍数β>β0。N+cyerxP+bN+（b）B=B-;N+cyerxP+bN+（c）B=B+可见在正负磁场作用下电流放大倍数发生变化，不仅实现了磁电转换，也能判断磁场的方向2020/10/2889当使用如图(b)磁场时，由于洛仑兹力的作用，基极常用磁敏管的型号和参数

3BCM型锗磁敏三极管参数表参数单位测试条件规范ABCDE磁灵敏度%Ec=6V,RL=100Ω,Ib=2mA,B=0.1T5~1010~1515~2020~25>25击穿电压BUccoVIc=1.5mA2020252525漏电流Icc0Vcs=6A≤200≤200≤200≤200≤200最大基极电流mAEc=6VRL=5kΩ4功耗PcmmW

45使用温度℃

-40~65℃最高温度℃

75mA2020/10/2890常用磁敏管的型号和参数参数磁灵敏度Ec=63CCM型硅磁敏三极管参数表

参数单位测试条件规范磁灵敏度%Ec=6VIb=3mAB=0.1T>5%击穿电压BUccoVIc=10≥20V漏电流Icc0Ice=6A≤5功耗mW

20mW使用温度℃

-40~85℃最高温度℃

100℃温度系数%/℃

-0.10~-0.25%/℃2020/10/28913CCM型硅磁敏三极管参数表磁灵敏度Ec=6V

207.4.3、磁敏传感器的应用1.磁敏电阻的应用利用磁敏电阻阻值可变的特点，磁敏电阻可在无触点开关、转速计、磁通计、编码器、计数器、图形识别、电流计、电子水表、可变电阻、流量计等多方面得到应用。2020/10/28927.4.3、磁敏传感器的应用2020/10/28922、磁敏二极管和磁敏三极管的应用

由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，测量电路简单且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。利用磁敏管可以作成磁场探测仪器—如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量10-7T左右的弱磁场。根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用不断线检测方法来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。此外,利用磁敏管还可制成无触点接近开关和电位器，转速传感器(能测高达每分钟数万转的转速)、无触点电位器和漏磁探伤仪等。2020/10/28932、磁敏二极管和磁敏三极管的应用2020/10/28937.1磁电感应式传感器7.1.1工作原理和结构类型7.1.2动态特性7.1.3误差及其补偿7.1.4信号调理电路7.1.57.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应与霍尔元件材料7.2.2测量电路7.2.3特性和指标7.2.4补偿电路7.2.57.3磁敏传感器7.3.1磁敏电阻7.3.2磁敏二极管7.3.3磁敏三极管第7章磁电式传感器2020/10/28947.1磁电感应式传感器第7章磁电式传感器2020/10/知识单元与知识点电磁感应、霍尔效应的基本概念；磁电感应式传感器的工作原理、分类（恒磁通式：动圈式和动铁式结构，变磁通式：开磁路和闭磁路结构）、基本特性、测量电路与应用；霍尔式传感器的工作原理、测量电路与应用；霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿。能力点深入理解电磁感应、霍尔效应的基本概念；理解磁电感应式传感器的工作原理、分类、基本特性、测量电路；理解霍尔式传感器的工作原理；了解霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿；了解磁电感应式传感器、霍尔式传感器的应用。重难点重点：电磁感应、霍尔效应的基本概念，磁敏式传感器工作原理、分类、测量电路，霍尔式传感器的工作原理。难点：磁敏式传感器的基本特性。学习要求熟练掌握电磁感应、霍尔效应的基本概念；掌握磁电感应式传感器的工作原理、分类、基本特性、测量电路；掌握霍尔式传感器的工作原理；了解霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿；了解磁电感应式传感器、霍尔式传感器的应用。2020/10/2895知识单元与知识点电磁感应、霍尔效应的基本概念；能力点深入理解精品资料96精品资料3磁电式传感器定义：通过磁电作用，将被测量的变化转变为电信号的传感器。分类：磁电感应式传感器：利用法拉第电磁感应定律，测量磁场和位置速度等霍尔式传感器：利用霍尔效应，测量磁场、位置、速度、电压、电流等磁敏传感器：利用磁阻效应，测量转速、磁通、电流、流量等2020/10/2897磁电式传感器定义：通过磁电作用，将被测量的变化转变为电信号的7.1磁电感应式传感器

磁电感应式传感器简称感应式传感器，根据电磁感应原理，利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势即将运动速度转换成感应电势输出。是典型的无源传感器。反向使用时可构成力发生器或电磁激振器，称为电动式传感器。

优点：一种机-电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围（一般为10～1000Hz），只适用于振动、转速、扭矩等动态测量。缺点：尺寸和重量都较大。磁电式传感器机械能电量2020/10/28987.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器简称感应式传感电感式传感器是把被测量转换成电感量的变化，磁电式传感器通过检测磁场的变化测量被测量。磁电传感器霍尔传感器测转速2020/10/2899电感式传感器是把被测量转换成电感量的变化，磁电式传感器通过7.1.1工作原理和结构类型

磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。根据法拉第电磁感应定律可知，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小取决于穿过线圈的磁通Φ的变化率，即2020/10/281007.1.1工作原理和结构类型磁电感应式传感器是以电磁感磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈与磁场的相对运动速度有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。

根据以上原理有两种磁电感应式传感器：恒磁通式：磁路系统恒定磁场，运动部件可以是线圈也可以是磁铁。变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。2020/10/28101磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈与磁场的相对运动1.恒磁通式

由永久磁铁、线圈、弹簧和骨架组成，磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，气隙中的磁通也恒定不变，感应电势是由于线圈相对于永久磁铁运动时切割磁力线产生的，运动部件可以是线圈也可以是磁铁，结构常分为动圈式和动磁式2020/10/281021.恒磁通式由永久磁铁、线圈、弹簧和骨架下图所示为动圈式磁电感应式传感器的结构原理图。当线圈在垂直于磁场方向作直线运动或旋转运动时，若以线圈相对磁场运动的速度v或角速度ω表示，则所产生的感应电动势e为式中l——每匝线圈的平均长度；

B——线圈所在磁场的磁感应强度；2020/10/28103下图所示为动圈式磁电感应式传感器的结构原理图。当线圈在垂直于式中l——每匝线圈的平均长度；

B——线圈所在磁场的磁感应强度；

S——每匝线圈的平均截面积。2020/10/28104式中l——每匝线圈的平均长度；

B——线圈所在磁场的磁感应

在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、S均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或ω)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。2020/10/28105在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、S均为定2变磁通式开磁路式闭磁路式变磁通式的线圈和永久磁铁都是静止的，感应电势由变化的磁通产生。2020/10/281062变磁通式开磁路式闭磁路式变磁通式的线圈和永久

图为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速n与测量齿轮上齿数z的乘积。由频率计测得f，即可求得转速n。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。2020/10/28107图为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，图为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮5和外齿轮6、永久磁铁1和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。2020/10/28108图为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内7.1.4信号调理电路为便于各级阻抗匹配，将积分电路和微分电路置于两极放大器之间。直接输出电动势测量速度；接入积分电路测量位移；接入微分电路测量加速度。2020/10/281097.1.4信号调理电路2020/10/28167.1.5磁电式传感器的应用举例2020/10/281107.1.5磁电式传感器的应用举例2020/10/2817

磁电式扭距传感器：当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1、u2存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比，传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。转轴测量电路磁电传感器1磁电传感器2齿型转盘u1u2u

电磁心音传感器电磁血流量计2020/10/28111磁电式扭距传感器：转轴测量电路磁电传感器1磁电传感器2齿例子1：某磁电传感器的总刚度为3200N/m，测得其固有频率为20Hz。若欲使其固有频率降低为为10Hz，则其刚度应该为多大？解：固有频率为：其中，c为弹簧刚度；m为质量块质量；因此有：两个式子相比：2020/10/28112例子1：某磁电传感器的总刚度为3200N/m，测得其固有频率1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传感器是基于霍尔效应。霍尔传感器是目前国内外应用最广的一种磁电式传感器，利用霍尔效应实现磁电转换，可以检测微位移、转速、流量、角度，也可以制作高斯计、电流表、功率计、乘法器、接近开关和无刷直流电机等7.2霍尔传感器

2020/10/281131878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱1霍尔效应半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。

磁感应强度B为零时的情况cdab7.2.1霍尔效应与霍尔元件

2020/10/281141霍尔效应磁感应强度B为零时的情况cdab7.2.1霍磁感应强度B较大时的情况作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势UH可用下式表示：UH=KH（霍尔常数）

IB2020/10/28115磁感应强度B较大时的情况作用在半导体薄片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，直至在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起稳定的霍尔电势。cdab2020/10/28116霍尔效应演示当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力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

UH=KHIBcos

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。

2020/10/28117磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势工作原理

设霍尔片的长度为l，宽度为b，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力q—电子电量(1.62×10-19C)；

v—电子运动速度。同时，作用于电子的电场力

当达到动态平衡时2020/10/28118工作原理设霍尔片的长度为l，宽度为b，厚度为d。又霍耳电势UH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。电流密度j=nqvn—N型半导体中的电子浓度N型半导体P型半导体—霍耳系数，由载流材料物理性质决定。ρ—材料电阻率p—P型半导体中的空穴浓度μ—载流子迁移率,μ=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。2020/10/28119霍耳电势UH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。电流密度定义KH=RH/d

KH—霍耳器件的灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。若磁感应强度B的方向与霍尔器件的平面法线夹角为θ时，霍尔电势应为：UH＝KH

IB

UH＝KHIBcosθ

注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势并不改变方向。2020/10/28120定义KH=RH/dKH—霍耳器件的灵敏度。它与载流讨论：

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ρ很大，电子迁移率μ很小，不适用；金属材料电子浓度n很高，RH很小，UH很小;半导体材料电阻率ρ较大RH大，非常适于做霍尔元件，半导体中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）;由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米(d≈1μm)。2020/10/28121讨论：2020/10/2828

当RH

，d一定时，即载流材料和几何尺寸一定时，霍尔电势∝电流I（磁场B一定时）或∝磁场B（电流I一定时），所以霍尔传感器可以用来测量磁场或检测电流。

当霍尔元件在一个线性梯度磁场中移动时，输出霍尔电势的大小反映了磁场变化，即可测量微小位移、压力或者机械振动等2020/10/28122当RH，d一定时，即载流材料和几何尺寸一定时优点：霍尔元件使用寿命长、可靠性高、结构简单，外围电路简单、体积小、动态特性好、频带宽、易微型化集成化。因而在很多领域得到了广泛的应用。缺点：转换效率低，受温度影响大。2020/10/28123优点：霍尔元件使用寿命长、可靠性高、结构简单，外围电路简单、习题8：已知霍尔元件厚度1mm，沿长度方向通有1mA电流，在垂直方向加均匀磁场B=0.3T，灵敏度SH=22V/(AT)，试求输出霍尔电势及载流子浓度？解：2020/10/28124习题8：已知霍尔元件厚度1mm，沿长度方向通有1mA电流，在习题9：霍尔元件灵敏度SH=40V/(AT)，控制电流为3mA，将其置于B=1*10-4~5*10-4T的线性变化磁场中，其输出霍尔电势的范围有多大？解：霍尔电势变化范围在12uV~60uV之间。2020/10/28125习题9：霍尔元件灵敏度SH=40V/(AT)，控制电流为3m霍尔元件材料材料电阻率（Ωm）载流子迁移率（cm2v-1s-1）霍尔系数（cm2c-1）锗（Ge）10-23.6×1034.25×103硅（Si）（温度系数小，线性好）1.5×10-22.25×103砷化铟（InAs）（温度系数小，线性好）2.5×10-33×104350锑化铟（InAb）（温度系数大）7×10-36×10410002霍尔元件2020/10/28126霍尔元件材料材料电阻率（Ωm）载流子迁移霍尔元件构造控制电极2020/10/28127霍尔元件构造控制电极2020/10/2834

国产霍尔元件别号的命名方法如下：常见的国产霍尔元件型号有HZ—1、HZ—2、HZ—3、HT—1、HT—2、HS—1等。2020/10/28128

国产霍尔元件别号的命名方法如下：常见的国产霍尔元件控制电流I；霍尔电势UH；控制电压V；输出电阻R0；输入电阻Ri；霍尔负载电阻RL；霍尔电流IH。图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍尔输出端接负载RL，RL可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍尔器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。VHRLVBIEIH霍尔器件的基本电路R实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。7.2.2信号调理电路霍尔元件的测量电路及符号2020/10/28129控制电流I；图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端或输出端。若霍耳端子间连接负载,称为霍耳负载电阻或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。H霍耳器件符号AAABBBCCCDDD2020/10/28130霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端或输出端。器件电流(控上两式是霍尔器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍尔输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。同样，若给出控制电压U，由于U=R1I，可得控制电压和霍尔电势的关系式设霍尔片厚度d均匀，电流I和霍尔电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流I和霍耳电势UH的关系式2020/10/28131上两式是霍尔器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍尔输

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、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压与外加磁场强度呈线性关系。广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电场等的测量和控制。输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。线性型三端霍尔集成电路霍尔集成传感器2020/10/28132霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。线性型集单端输出传感器的电路结构框图23输出+－稳压VCC1霍耳元件放大地H稳压H3VCC地4输出输出18675双端输出传感器的电路结构框图单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是UGN3501T。

双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是UGN3501M。2020/10/28133单端输出传感器的电路结构框图23输出+－稳压VCC1霍耳元件开关型霍尔集成电路

开关型霍尔集成电路将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。特点是输出电压为高低电平两种状态。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC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，OC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CS系列和UGN3020等。可做成无触点、无抖动、高可靠、长寿命的接近开关或按键开关，广泛用于计数装置以及汽车点火等系统。2020/10/28134开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路将霍尔元温度特性（a）RH与温度的关系；（b）ρ与温度的关系RH/cm2/℃﹒A-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/℃0246ρ/7×10-3Ω·cmLnAs20015010050LnSbT/℃07.2.3误差分析及补偿方法1、温度补偿霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。2020/10/28135温度特性（a）RH与温度的关系；（b）温度误差的补偿温度变化会引起霍尔元件输入电阻变化，才用恒压源供电时，控制电流将发生变化而带来误差。为了减小输入电阻随温度变化而引起的误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，采用恒流源供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定。2020/10/28136温度误差的补偿温度变化会引起霍尔元件输入电阻变化，才用

电路中Is为恒流源，分流电阻RT与霍尔元件的激励电极相并联。为了使霍尔电势在温度升高前后保持不变，当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻RT自动地增大分流，减小了霍尔元件的激励电流IH，从而达到补偿的目的。T2020/10/28137电路中Is为恒流源，分流电阻RT与霍尔元件的激