机械工业出版社课件

机械工业出版社

中等职业教育电气类规划教材

《自动检测与转换技术》

第八章

多媒体课件

2009－5－1更新2/6/20231第八章霍尔传感器在这一章里，卡卡要给大家介绍霍尔传感器的原理、特性、霍尔集成电路（霍尔IC）及其应用。霍尔IC可以用于测量地球磁场，制成电罗盘；将霍尔IC夹在环形铁心的缺口中，可以制成大电流变送器。霍尔传感器还广泛用于高斯计、无刷电动机、接近开关等。霍尔传感器的最大特点是非接触测量。最基本的霍尔元件是一种四端元件2/6/20232第一节霍尔元件的结构及工作原理

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cdab2/6/20233霍尔效应动画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（d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。cdabadcb2/6/20235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，这时的霍尔电势与法线的夹角的余弦成正比：

EH=KHIBcos

2/6/20236磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势演示结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比。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，霍尔电势为同频率的交变电势。acdb2/6/20237霍尔元件的主要外特性参数（续）

最大激励电流IM: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，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，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？8μA0.8mA

8mA80mA

2/6/20239第二节霍尔集成电路

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2/6/202310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2/6/202311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.Vcc2/6/202313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.2/6/202314开关型霍尔集成电路

与继电器的接线?2/6/202315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。霍尔传感器主要用于测量能够转换为磁场变化的其他物理量。2/6/202317霍尔特斯拉计（高斯计）

霍尔元件2/6/202318霍尔高斯计（特斯拉计）的使用

霍尔元件磁铁2/6/202319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2/6/202321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。2/6/202322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和保持车轮的转动，有助于控制刹车力的大小和防止侧偏。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔2/6/202323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2/6/202325霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理

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

2/6/202326霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）

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

2/6/202327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2/6/202329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2/6/202330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2/6/202331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钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔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。2/6/202332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2/6/202333光驱用的无刷电动机内部结构2/6/202334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。2/6/202335霍尔式接近开关

用霍尔IC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。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，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），起限位的作用。

2/6/202336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ICT2/6/202337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。2/6/202338霍尔电流传感器演示铁心线性霍尔IC

EH=KI

I

I所实现的多媒体界面：I2/6/202339其他霍尔电流传感器2/6/202340其他霍尔电流传感器（续）2/6/202341霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口2/6/202342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零70.9A2/6/202343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70.9A2/6/202344霍尔钳形电流表磁力线磁力线2/6/202345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将空调电源的“三芯护套线”夹到钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？2/6/202346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2/6/202347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