任务五 磁传感器课件

思考1：直流无刷电动机如何来实现普通直流电动机中电刷和换向器共同实现的换向任务？

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。cdab霍尔效应演示一、工作原理霍尔效应在置于磁场中的金属或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电动势差，这种现象称为霍尔效应。霍尔传感器

利用霍尔元件制成的传感器称为霍尔传感器。霍尔电动势其中，KH为霍尔元件灵敏度，I控制电流，B磁感应强度。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霍尔元件是一个4端元件，短边上是两个控制电流输入端，长边上是两个霍尔电压输出端。表示方法有二种：①输入端用加粗的方法来表示输入电极；②用符号H表示方向。图形符号二、主要技术参数输入电阻Ri

输入电阻是指a、b两侧控制电极间的电阻。数值从几十欧到几百欧，视不同型号元件而定。输出电阻Ro

是指两个霍尔电动势输出端之间电阻。它的数值与输入电阻同一数量级。最大激励电流Im

每种型号元件均规定了相应的最大激励电流，从几毫安到几十毫安。三、霍尔集成电路——霍尔IC特点：体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小、对电源稳定性要求低。分类：线性型霍尔集成传感器开关型霍尔集成传感器单端输出差动输出线性型霍尔集成电路单端输出（UGN3501T）将霍尔元件、恒流源和线性差动放大器做在一个芯片上。差动输出（UGN3501M）思考：多将开关型霍尔IC制作成具有施密特特性是为了什么？其回差越大，它的什么能力就越强？讨论思考：1.在无刷霍尔电动机中，为利用霍尔IC来进行位置检测，应选用什么类型的霍尔IC？应使用几个？2.如何检测无刷电动机霍尔IC的好坏？3.如何检测线性霍尔元件的好坏？1.线性霍尔IC2.开关型霍尔IC1）单极霍尔开关具有磁性工作阈值，如果霍尔单元承受磁头密度大于工作阈值，那么输出晶体管将开启；当磁通密度低于工作阈值，晶体管会关闭。典型应用：无触点开关；汽车点火器；刹车电路；位置、转速检测控制；安全报警；纺织控制系统Allegro:A1101,A1102,A1103,A1104,A1106,A3240,A3245,SEC：S1101，S1102，S1104，SS441A，SS443A，S5881，S3141，S3142，S3144Honeywell:SS441A,SS443A,SS541AT,SS543AT

AKE旭化成：EW450,EW550,EW460,EW560

Melexis:US58813）全极性霍尔开关与其他霍尔效应开关不同，只要存在强度足够大的北极或南极磁场，这些器件就能打开；而在没有磁场的时候，输出会关闭。Allegro:A3212,A3213,A3214SEC：S3212，S248MST：MH248电动自行车的电路系统框图根据此电压完成电机调速的控制调速转把结构示意图闸把结构示意图此端口高低电平输出决定是否将电源电压施加到无刷直流电机的电枢绕组上使用霍尔元件时应注意什么问题？

1.驱动方式霍尔元件的驱动方式有恒流和恒压两种。恒压工作的最大优点是电路简单，但它的性能较差，仅用于精度要求不太高的场合；恒流工作与恒压工作相比，具有温度影响小、精度高、线性好等优点。

2.控制电流霍尔元件可采用直流控制，也可采用交流控制。使用时要根据不同的要求采用不同的电路连接法。在直流控制情况下，为了获得较大的霍尔电动势输出，可以将控制极通过电阻并联，霍尔电极则串联，使用时必须注意：不能将霍尔元件的控制电极串联。3.安装霍尔元件对安装工艺要求很高，安装应坚实牢固，不可有扭曲现象。这是因为霍尔元件的输出电动势受应力影响较大，即使应力很小，也会使其输出电动势发生变化，并且会很不稳定。另外，应力稍大，有可能会使基片碎裂。4.散热霍尔元件必须有良好的散热条件，以降低温升，特别是希望选用较大的控制电流时应更注意。四、霍尔传感器的误差与补偿零位误差

主要成因：霍尔电极不在同一个等势面上，当控制电流流过元件时，即使磁感应强度等于零，输出端也会有电势存在，这个电势称为不等位电势。

其它成因：控制电流极的端面接触不良，材料电阻率不均匀，霍尔元件的厚度不均匀等均会产生零位误差。

UHIIR3R4R2R1R1•R4=R2•R3零位误差UHIIR3R4R2R1R'1•R'4≠R'2•R'3零位误差ADWBCIIR3R4R2R1ADBCW措施——对称补偿法措施——不对称补偿法温度误差及补偿原因：半导体材料的电阻率、载流子浓度等都随温度变化而变化。因此，霍尔元件的输入电阻、输出电阻、冷敏度等也将受到温度变化影响，从而给测量带来较大的误差。

措施：1）选用温度系数小的霍尔元件

2）采用恒流源提供控制电流

3）合理选择负载电阻五、霍尔传感器的应用霍尔电势是关于I、B、

三个变量的函数，即UH=KHIBcos

。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。n=60f4(r/min)软铁分流翼片

开关型霍尔IC霍尔式接近开关用于转速测量演示霍尔无刷电机普通直流电机使用的电刷和换向片

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。无刷电动机在电动自行车上的应用

可充电电池组无刷电动机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调速光驱用的无刷电动机内部结构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

采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足。桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图

1-触发器叶片

2-槽口

3-分电器转轴

4-永久磁铁

5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC）

a）带缺口的触发器叶片b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系c）叶片位置与点火正时的关系

汽车电子点火电路及波形

1—点火开关2—达林顿晶体管功率开关3—点火线圈低压侧4—点火线圈铁心5—点火线圈高压侧

6—分火头

7—火花塞

a）电路

b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形

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。铁心线性霍尔IC

EH=KHIB

I所实现的多媒体界面：I霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口直流200A量程被测电流的导线未放入铁心时示值为零70.9A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

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霍尔特斯拉计实验：直流激励时霍尔传感器的位移特性实验思考题：在测量数据时，测微头向左和向右移动时，电路输出有何不同，输入输出关系曲线是否重合？为什么？其他磁传感器一、磁敏电阻1、工作原理磁阻效应：一些特定形状的半导体材料，在磁场作用下，霍尔效应不明显，但是，电流在其内部的路径却发生了明显的变化。这种变化在原理上讲可以认为是半导体的电阻值或者说是半导体的电阻率发生了变化。这种现象称为磁阻效应。物理磁阻效应几何磁阻效应物理磁阻效应

当温度恒定，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度成正比。磁阻效应表达式为：其中：B—磁场感应强度

—电子迁移率

—零磁场下的电阻率

—磁感应强度为B时的电阻率电阻率变化为：几何磁阻效应电阻率相对变化与磁感应强度和迁移率关系：其中f（l/b）—形状效应系数2、材料和结构材料磁敏电阻一般用半导体InSb和InAs制成。结构一般采用镀膜的方式构成，在厚度为0.1-0.5mm的绝缘基片上蒸镀InSb材料，镀膜的厚度尽可能小，一般为20-25um，横向宽度比纵向长度大40倍，初始电阻约100Ω，栅格金属条在100根以上。形状科尔比诺圆盘3、特性B-R特性由无磁场时电阻R0和磁感应强度为B时的电阻RB来表示。R0随元件的形状不同而异，约为数十欧至数千欧。

RB随磁感应强度的变化而成倍变化。灵敏度磁敏电阻的灵敏度可由下式表示：其中：R3—磁感应强度为0.3特斯拉时RB值；

R0—无磁场时电阻一般，磁阻元件的灵敏度K>=2.7温度系数

磁敏电阻温度系数约为-2%℃。为了补偿磁敏电阻的温度特性，可采用两个元件串联成对使用。4、特点及应用特点：阻抗低、阻值对磁场变化率大，非接触式测量，频率响应好、动态范围广及噪声小等。应用：无触点开关、压力开关、旋转编码器、角度传感器、转速传感器等等。磁敏电阻可用于测量地球磁场方向及强度的变化指南针只能指示地球磁场方向4、应用磁阻式电子罗盘4、应用磁敏电阻IC及其应用4、应用磁敏电阻的应用

根据铁磁物体对地磁的扰动，可检测车辆的存在，可用于包括自动开门，路况监测，停车场检测，车辆位置监测，红绿灯控制等。4、应用磁敏电阻小型探矿仪上海直川信息技术有限公司研制的磁阻探矿仪及数据统计曲线图4、应用磁阻IC用于笔式验钞器验钞笔顺着纸币上的磁性防伪线扫描4、应用二、磁敏二极管1、结构磁敏二极管是PIN型磁敏二极管的P区，N区之间有一个较长的本征区I一面磨成光滑的复合表面称为I区一面打毛比较粗糙，便于电子－空穴对迅速复合，称为r区2、工作原理

r区和I区的复合能力之差越大，磁敏二极管的灵敏度就越高。在较弱的磁场条件下，能够获得较大的输出。这是霍尔元件以及磁敏电阻都不能够比的。思考题：磁敏二极管施加反向电压呢？3、主要技术参数和特性伏安特性在不同方向和强度的磁感应强度B的作用下，磁敏二极管正向偏置电压和通过其上电流的关系。磁电特性在给定条件下，磁敏二极管的输出电压的变化量与外加磁场关系称为磁电特性。弱磁场下，输出电压与磁场强度成线性关系；随着磁场强度的增加，这种关系呈现非线性。灵敏度当外加磁场强度B为+0.1T时输出端电压增量与电流增量之比。温度特性在标准测试条件下，输出电压变化量随温度变化的规律。工作电压U0和工作电流I0

在零磁场时加在磁敏二极管两端的电压、电流值。4、特点及应用特点：灵敏度高、线路简单、成本低，更适用于测量弱磁场；具有正反磁灵敏度；可在较小电流下工作；灵敏度与磁场关系呈线性范围较窄。应用可用来检测磁场方向；作箝位电流计，测转速、位移等等。复合区-r区NPN型磁敏三管极1、结构三、磁敏三极管N+cyerxP+bN+12

由于基区的宽度大于载流子有效扩散长度，所以注入的载流子只有很少数会扩散到集电极，大部分的载流子都会通过流到基极，形成基极电流。这样由于基极电流大于集电极电流，所以电流放大系数β=Ic/Ib<1。当磁敏三极管不受磁场作用时2、工作原理N+cyerxP+bN+12当磁敏三极管受到H＋（正向磁场）作用时

由于洛仑兹力的作