霍尔传感器及其应用

优选霍尔传感器及其应用目前一页\总数三十七页\编于二十点目录一、霍尔传感器的结构和工作原理二、霍尔传感器的分类及应用三、霍尔传感器在测试系统中的一个举例目前二页\总数三十七页\编于二十点介绍

将霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等做在一个芯片上称之为集成霍尔传感器(简称霍尔传感器)。它是磁敏传感器最常见的一种,具有感受磁场的独特能力,电路结构简单、噪声小、体积小、动态范围大、频率范围宽、寿命长等优点。可以用磁场作为被检测信息的载体,在测量技术中,将位移、力、加速度、角度、角速度、转速等非电、非磁物理量转换为电量。目前三页\总数三十七页\编于二十点1、霍尔传感器工作原理依据原理：霍尔效应霍尔效应原理：把一个长度为L，宽度为b,厚度为d的导体或者半导体薄片两端通过控制电流I，在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的磁场，在薄片的两外两侧就会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势U。目前四页\总数三十七页\编于二十点当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力fL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感应电动势。

fL=evB图2霍尔效应原理图目前五页\总数三十七页\编于二十点CDEH感应电动势U在半导体膜上产生电场，于是电子在受到电场力fE的作用，方向与洛伦兹力相反。

fE=eU/b图3霍尔效应原理图目前六页\总数三十七页\编于二十点当洛伦兹力和电场力大小相等的时候就达到了平衡即：fL+fE=0。于是就产生了霍尔电势EH。设通过半导体的电流I为:I=-envbd（n为单位体积的载流子数量）则：

EH=IB/end=SHIB

SH灵敏度系数CDEH图4霍尔效应原理图目前七页\总数三十七页\编于二十点霍尔元件材料为什么必须用半导体材料？用金属材料可以么？霍尔元件材料为什么必须用薄片？用厚片可以么？EH=IB/end=SHIB

可见，元件厚度越小，输出电压也越大。霍尔系数:SH=1/(n*q)式中,n为载流子密度,一般金属中载流子密度很大,所以金属材料的霍尔系数系数很小,霍尔效应不明显;目前八页\总数三十七页\编于二十点1.1、霍尔传感器材料图5实物图符号和测量电路1．锗(Ge)，N型及P型均可。2．硅(Si)．N型及P型均可。3．砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相似。目前九页\总数三十七页\编于二十点1.2、霍尔传感器的主要技术指标（1）额定激励电流（2）灵敏度（3）输入电阻和输出电阻（4）不等位电动势和不等位电阻（5）寄生直流电势（6）热阻（7）最大磁感应强度BM目前十页\总数三十七页\编于二十点1.2.1、不等位电势

概念：当霍尔元件通以控制电流IH而不加外磁场时，它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，称为不等位电势。出现的原因：霍尔电极安装不对称半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或几何尺寸不均匀控制电极接触不良造成的电流不均匀分布目前十一页\总数三十七页\编于二十点不等位电势的解决方案：图6不等位电势的补偿电路把霍尔元件等效为一个电桥所有能使电桥达到平衡的方法都可以用来补偿不等位电阻目前十二页\总数三十七页\编于二十点1.2.2、温度补偿产生原因：霍尔元件是半导体材料制作的元件，因此，它的许多参数与温度有关。当温度变化时，载流子浓度、电阻率都会有变化，导致霍尔系数灵敏度和输入输出电阻的变化。目前十三页\总数三十七页\编于二十点1.2.2、温度补偿采用恒流源与输入回路并联电阻。如图所示：图7温度补偿电路目前十四页\总数三十七页\编于二十点2、霍尔传感器分类霍尔集成传感器分为线性型和开关型两大类。1、线性型霍尔集成传感器的输出电压与外加磁场强度呈线性关系。而且在±0.15T范围内有较好的线性。因此可广泛应用在测量、自动控制等领域。图8线性霍尔传感器特性目前十五页\总数三十七页\编于二十点

较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。目前,普及型录音机一般都没有全自动停机装置。这样,在录音机快进、快退完毕或轧带时电机还会继续运转,很容易损坏,并会对其运转部分造成较大磨损。为解决这个问题,可采用UGN3501T来进行全自动停机控制。图9UGN3501实物图和录音机全自动停机装置目前十六页\总数三十七页\编于二十点2、开关型霍尔传感器当外加的磁感应强度超过动作点Bnp时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bnp以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点Brp时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bnp与Brp之间的滞后使开关动作更为可靠。

BnpBrp图10开关型霍尔传感器特性目前十七页\总数三十七页\编于二十点较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。图113020外形和结构图目前十八页\总数三十七页\编于二十点在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔开关几毫米时，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。图12开关型霍尔传感器应用目前十九页\总数三十七页\编于二十点2、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。目前二十页\总数三十七页\编于二十点常见霍尔传感器应用霍尔传感器霍尔特斯拉计霍尔接式近开关目前二十一页\总数三十七页\编于二十点

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。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

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）

目前二十二页\总数三十七页\编于二十点a）原理图b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形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

目前二十三页\总数三十七页\编于二十点位移测量原理图磁铁中心位置磁场强度为零磁场分布越均匀输出线性越好比较适用于小位移的机械振动目前二十四页\总数三十七页\编于二十点压力传感器原理图弹性元件收到不同的压力产生不同的位移霍尔元件在磁场中移动使霍尔电势变化目前二十五页\总数三十七页\编于二十点3、霍尔测速计

霍尔传感器可以测量的物理参数有磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。在电机控制系统中,测速电路是其中具有代表性的实例之一。本实验系统采用博世力士乐传感实验装置,主要由传感器实验台、直流稳压电源、传感器、直流电机和信号处理电路模块组成。目前二十六页\总数三十七页\编于二十点3.1、框图设计根据霍尔传感器的工作原理,设计一个路程测试电路,通过信号拾取、低通滤波电路、单片机信号处理、显示输出等单元电路实现其功能,采用数字示波器进行输出信号的动态观察和测量。该测试系统的结构框图如图13所示。图13霍尔传感器设计性电路框图目前二十七页\总数三十七页\编于二十点3.2、工作原理信号拾取信号处理信号显示旋转设备转动速度的数字检测基本方法是利用与该设备同轴连接的霍尔转速传感器的输出脉冲频率与转速成正比的原理，根据脉冲发生器发出的脉冲速度和序列，测量转速和判别其转动方向。目前二十八页\总数三十七页\编于二十点3.2.1、信号拾取电路

其拾取过程大致是这样的：信号盘有24个齿，当信号盘随电机转轴旋转时，信号盘的每个齿经过HZL201探头正前方时产生感应，探头就输出一个标准的脉冲信号。对该信号盘而言，每24个脉冲对应电机的1个工作循环。因此，脉冲信号的频率大小就反映了信号盘转速的高低，可由单片机进行测量并换算为转速。图14信号盘结构和检测信号图目前二十九页\总数三十七页\编于二十点3.2.2、信号处理电路

通过三极管和反相器调理成一个可以满足单片机输入脉冲的方波脉冲信号。反相器图15信号处理电路三极管整形电路目前三十页\总数三十七页\编于二十点测速的计算公式：根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有[1]：M法(测频率法)、T法(测周期法)和M/T法(频率/周期法)M法:在规定的检测时间内，检测霍尔传感器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。（缺点：起止时间具有随机性）T法:它是测量霍尔传感器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速。M/T法。它是同时测量检测时间和在此检测时间内霍尔传感器所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速。(缺点：它的实时性差)目前三十一页\总数三十七页\编于二十点

T法实际上是对计时器进行计数，相对于M法对脉冲进行计数，该方法有着较高的精度。另外T法对每个转速脉冲都进行了转速的计算，最大限度地利用了传感器所提供的转速信息，能实时地反映转速的变化过程。综合考虑文中系统采用了测周期法(T法)。目前三十二页\总数三十七页\编于二十点单片机信号处理

信号处理电路输出端与AT89C52单片机的INT1引脚相连，由INT1引脚接收转速脉冲信号，进而控制单片机内部定时计数器T1的启动和停止。当INT1低电平时启动计数，高电平时停止计数。此时计数器中记得的数值m为12分频时钟的周期数。该装置采用T法测速，因此转速测量公式为n=60f/zm。其中f为AT89C52的内部时钟脉冲频率，m为单片机响应中断从计数器T1读出的计数值。60代表每分钟的转速。z为齿轮信号盘每转输出的脉冲个数。目前三十三页\总数三十七页\编于二十点3.2.3、信号显示电路