自动检测技术及应用6(霍尔传感器)

自动检测技术及应用(七)霍尔传感器及应用第七章霍尔传感器

本章主要学习霍尔传感器的工作原理、霍尔元件的特性参数,霍尔集成电路的特性及其在检测技术中的应用，还涉及磁场测量技术。霍尔元件是一种四端元件第七章霍尔传感器霍尔式传感器是基于半导体材料的霍尔效应原理制成的敏感元件，它是利用霍尔元件将被测量电流、磁场、位移、压力等转换成电势输出的传感器。1879年，霍尔即在金属上发现了霍尔效应，但由于非常微弱，没有引起重视。1948年后，由于半导体材料迅速发展，找到了霍尔效应比较明显的半导体材料，并制成了砷化镓、锑化铟、硅、锗等材料的霍尔元件。霍尔式传感器最大的特点是非接触测量。第一节霍尔元件的结构及工作原理

金属或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cdab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。cdab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EH可用下式表示：

EH=KHIB霍尔效应当|FL|＝|FE|时,电子的积累达到平衡。这时在半导体薄片的前后端面之间建立的电势就是霍尔电动势EH，其大小可用下式表示：霍尔效应霍尔电动势的大小正比于输入电流I和磁感应强度B；当输入电流I或磁感应强度B的方向改变时，霍尔电动势的方向也随之改变；根据公式，d越小，霍尔灵敏度越高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。

KH与组件材料的性质和几何尺寸有关,在实际应用中，一般都采用N型半导体材料做霍尔元件称KH为霍尔元件的灵敏度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：

EH=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。

霍尔元件的结构、图形符号利用霍尔效应产生霍尔电势的器件称为霍尔元件。结构：霍尔片引线壳体霍尔元件的结构、图形符号图形符号：

国产器件常用H代表霍尔元件，后面的字母代表元件的材料，数字代表产品的序号。如HZ-1元件，说明是用锗材料制成的霍尔元件；HT-1元件，说明是用锑化铟材料制成的元件。

a、b通常用红色，焊接处称为激励电极。c、d通常用绿色，焊接处称为霍尔电极。第二节霍尔元件的特性参数及其误差1、灵敏度KHKH是指I为单位电流，B为单位磁感应强度，霍尔电极为开路（RL=∞）时的霍尔电势。2、输入电阻RiRi为霍尔器件两个电流极之间的电阻，Ri受温度变化的影响，会引起霍尔电势的变化而带来测量误差。为此，最好采用恒流源作为激励源。3、输出电阻R0R0为两个霍尔电极之间的电阻。R0也受温度变化的影响，选择适当负载电阻与之匹配，可减小该影响。第二节霍尔元件的特性参数及其误差4、额定控制电流Ic使在空气中的霍尔器件产生10℃温升的控制电流称为额定控制电流。由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，Ic的大小与霍尔元件的尺寸有关：尺寸越小，Ic越小。因此每种型号的元件均规定了相应的额定控制电流，它的数值从几毫安至十几毫安。以下哪一个激励电流的数值较为妥当？5μA0.1mA2mA80mA第二节霍尔元件的特性参数及其误差5、不等位电势U0和不等位电阻r0在额定激励电流下，当Ｂ＝０时，霍尔输出端的开路电压称不等位电势；不等位电势与额定控制电流之比，称为不等位电阻，ro＝Uo／Ｉc.通常要求Uo<１mv。不等位电势U0造成的原因：a、工艺上不可能将两个霍尔电极绝对对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不处于同一等位面上，这是造成Uo的主要原因。b、霍尔片电阻率不均匀，厚薄不均匀，控制电流极接触不良等均会造成等位面歪斜。不等位电势U0通常通过桥路平衡的原理加以补偿。第二节霍尔元件的特性参数及其误差不等位电势的补偿：①、在工艺上采取措施②、采取电路补偿当两个霍尔电极处于同一等位上时，r1＝r2＝r3＝r4，则Uo＝０，否则Uo≠０，可通过电桥平衡原理对不等位电势进行补偿。

Ｒw为调节补偿电位器，用来调节霍尔元件的零位平衡。a)、不对称补偿电路，由于Ｒw与等效桥臂电阻的电阻温度系数一般不相同，故只能在一定温度下能达到补偿作用。b)、c)、两种为对称电路，当温度在一定范围内变化时，补偿的稳定性较好，但同时减小了霍尔元件的输入电阻，降低了霍尔电势的输出.d)、此电路为对称电路，对输入电阻的减小要小些，但它要求霍尔元件必须做成五端元件。第二节霍尔元件的特性参数及其误差6、寄生直流电动势Ug当不加外磁场，器件通以交流控制电流，在霍尔电极之间产生的直流电动势，称为寄生直流动电势Ug。产生Ug的原因主要是器件本身的四个电极与极片之间的非欧姆接触，产生整流效应造成的。因此在元件制作和安装时，应尽量使电极欧姆接触，有良好的散热条件，并做到散热均匀。（欧姆接触是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻）第二节霍尔元件的特性参数及其误差7、霍尔电动势温度系数α在一定的磁感应强度和控制电流下，温度每变化1℃时，霍尔电势的相对变化率称为霍尔电势温度系数。它与霍尔元件材料有关。砷化镓霍尔器件为10-5/℃数量级，锗、硅器件为10-4/℃数量级。8、电阻温度系数β温度变化1℃霍尔元件材料的电阻变化率，内阻温度系数约为10-3℃数量级。β越小越好。第二节霍尔元件的特性参数及其误差9、霍尔元件温度误差及材料温度补偿电路半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度而变化，霍尔元件的输入、输出电阻、霍尔常数等也随温度变化，带来温度误差。为减小温度误差，首先应选用温度系数较小的材料；采用适当的温度补偿电路：如采用恒流源供电、输入回路并联电阻、合理选择负载电阻阻值、采用恒流源和输入回路串联电阻和温度补偿等。第二节霍尔元件的特性参数及其误差A、恒流源供电，输入端并联电阻；或恒压源供电，输入端串联电阻。温度变化引起霍尔元件输入电阻Ｒi变化，使控制电流变化，从而引起输出误差，因此最好采用恒流电源提供控制电流，要求稳定度为±0.1%第二节霍尔元件的特性参数及其误差恒流源电路：KH也是温度的函数，由EH＝KHI.B可知KH变化，EH也变化，故采用恒流源电路在控制极两端并联一个合适的补偿电阻rp，它对元件输入电阻起分流作用，当温度变化时，能自动调节霍尔元件控制电流大小，从而起到补偿作用。rp=βRo/αβ:元件内阻温度系数α:霍尔电势的温度系数Ro：元件的内阻恒压源电路：I＝U／（R+Ri）若Ｒ>>Ri，则Ｉ≈U／Ｒ，当Ri随温度变化时，控制电流Ｉ变化极小。第三节霍尔集成电路霍尔集成传感器是将霍尔元件、放大器、施密特触发器以及输出电路等集成在一块芯片上，提供了一种简化的和较完善的磁敏传感器。其输出信号明快，传送过程中无抖动现象，且功耗低，对温度的变化是稳定的，灵敏度与磁场移动速度无关。霍尔集成传感器分为线性集成电路和开关集成电路。第三节霍尔集成电路

线性型三端霍尔集成电路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。线性型霍尔特性

右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时，输出为正；磁场反向时，输出为负。请画出线性范围开关型霍尔集成电路

开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、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。与线性集成传感器不同之点是增设了施密特电路。它是一种开关特性。开关集成传感器的输出只有1端，是以一定磁场电平值进行开关工作的，由于内设有施密特电路，开关特性具有迟滞，因此有较好的抗波动效果。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。开关型霍尔集成电路

当放大后的电压UO大于施密特触发器“开启”阈值电压时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使V导通，这种状态我们称之为开状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的UO很小，经放大器放大后其值仍然小于施密特整形电路的“关闭”阈值电压时，施密特整形电路再次翻转，输出低电平，使V截止，这种状态称为关状态。

开关型霍尔集成电路的外形及内部电路OC门施密特触发电路双端输入、单端输出运放霍尔元件.Vcc开关型霍尔集成电路（OC门输出）的接线请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来.开关型霍尔集成电路

与继电器的接线?第三节霍尔传感器的应用

霍尔电势是关于I、B、

三个变量的函数，即EH=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。霍尔特斯拉计霍尔元件霍尔高斯计（特斯拉计）的使用

霍尔元件磁铁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。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霍尔转速表的其他安装方法

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。霍尔元件磁铁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低压电源输入接头霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理

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

霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）

当叶片遮挡在霍尔IC面前时，PNP型霍尔IC的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。

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

当叶片槽口转到霍尔IC面前时，霍尔IC输出跳变为高电平，经反相变为低电平，达林顿管截止，切断点火线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出30~50kV的高电压。

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五·霍尔无刷电动机无刷电动机与有刷电机相比有以下优点1·无电刷，没有磨损问题，寿命长，可靠性高。2·具有良好的的旋转特性，可以取得很宽的转速特性，噪音低，启动转矩为额定转矩的2~3倍，稳定性好。霍尔无刷电机控制器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。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。霍尔式接近开关

用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。

在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。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ICT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。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：I其他霍尔电流传感器其他霍尔电流传感器（续）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口霍尔钳形电流表演示直流200A量程