霍耳传感器及其它磁传感器

第6章霍耳传感器及其它磁传感器6.1霍耳传感器工作原理6.2霍耳传感器6.3其它磁传感器6.4霍耳传感器及其它磁传感器应用实例6.5实训6.1霍耳传感器工作原理图6-1霍耳效应与霍耳元件（a）霍耳效应（b）霍耳元件结构（c）图形符号（d）外形6.1霍耳传感器工作原理6.1.1霍耳效应在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象称为霍耳效应。如图6-1所示，长、寛、高分别为L或(l)、W或(b)、H或(d)的N型半导体薄片的相对两侧a、b通以控制电流，在薄片垂直方向加以磁场B。在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由c側指向d側方向力的作用，这个力就是洛仑兹力，大小为：FL=qvB

c、d两端面因电荷积累而建立了一个电场EH

，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡。这时有：qEH

=qvB

霍耳电场的强度为：EH=vB

在c与d两側面间建立的电势差称为霍耳电压：UH=EHW或UH=vBW

当材料中的电子浓度为n时，，

电子速度为：得：设：得霍耳电压：设：得：式中RH为霍耳系数，它反映材料霍耳效应的强弱;KH为霍耳灵敏度，它表示一个霍耳元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍耳电压的大小。可以看出：（1）霍耳电压UH大小与材料的性质有关。（2）霍耳电压UH大小与元件的尺寸有关。（3）霍耳电压UH大小与控制电流及磁场强度有关。6.1.2霍耳元件的主要技术参数利用霍耳效应制成的磁电转换元件称为霍耳元件也叫霍耳传感器。霍耳元件由霍耳片、引线和壳体组成,如图6-1-1(a)所示。霍耳片是矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1′两根引线加激励电流，称为激励电极；2、2′引线为霍耳电压输出引线，称为霍耳电极。霍耳元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。图6-1-1霍耳元件在电路中霍耳元件可用两种符号表示，如图6-1-1(b)所示。霍耳元件主要技术参数为：1.输入电阻RIN和输出电阻ROUT；2.额定控制电流IC；3.不等位电势U0，即未加磁场时的输出电压，一般小于1mV；4.霍耳电压UH；5.霍耳电压的温度特性。6.蜡2霍耳采传感思器6.五2霍耳揉传感叹器6.辞2.猴1霍耳期开关扬集成泡传感斜器霍耳骂开关坚集成岗传感愁器是晃利用季霍耳震效应翁与集轿成电如路技住术制忠成的自一种爬磁敏级传感紫器，萄它能纵感知馅一切想与磁滥信息渡有关叨的物猎理量找，并秃以开要关信户号形丧式输洁出。图6-注2所示章为内绒部组瓦成框碗图。当有冠磁场哀作用常在霍穷耳开贼关集拴成传鼓感器会上时骗，霍摔耳元描件输找出霍屑耳电冶压UH，一糟次磁疲场强悟度变缩慧化，梨使传仓感器波完成危一次屑开关抢动作既。图6-骄2霍耳床开关落集成脉传感扎器内猫部框飘图霍耳舍开关仗集成划传感娃器具币有使剖用寿衰命长怕，无垃触点访磨损绸，无旗火花爪干扰彻，无昨转换密抖动女，工秒作频芝率高赢，温沃度特知性好庄，能阿适应民恶劣真环境帅等优法点。常见森霍耳哗开关考集成牧传感棋器型念号有UG盒N-厉30坝20邪,脊UG柜N-志30键30葱,染UG区N-劳30混75。霍耳煤开关哪集成土传感嫂器常疫用于都：点火卡系统旺、保姑安系拆统、宇转速留测量飞、里程蓬测量拜、机你械设苦备限绿位开验关、按钮割开关醒、电票流的栽测量捐和控鲜制、位置难及角犁度的正检测歇，等伶等。6.绍2.洞2霍耳浅线性脊集成践传感筹器霍耳的线性畏集成神传感拔器的凯输出窃电压刊与外蛇加磁妄场强政度呈尸线性茅比例孔关系穗。这类往传感仇器一用般由盗霍耳庄元件椅和放热大器岁组成赚，当逝外加睁磁场近时，张霍耳完元件哲产生真与磁拳场成抬线性辜比例月变化著的霍办耳电经压，畏经放汗大器损放大庸后输启出。霍耳芳线性蕉集成药传感额器有黑单端过输出葬型和远双端劈燕输出阶型两懒种，脚典型旦产品加分别捏为SL容35所01污T和SL络35迈01小M两种黄。如运图6-庙3和图6-浩4所示丧。霍耳辟线性炮集成左传感须器常布用于铁：位置括、力拥、重起量、岸厚度交、速童度、次磁场琴、电俱流等城的测系量和奏控制精。图6-钉3单端沙输出爷型传蓬感器催的电萄路结却构图6-俱4双端见输出蛮型传忽感器伸的电杠路结谱构6.2购.3霍尔村式传峡感器鼠的应严用微位硬移的宝测量转速甚的测像量压力添的测娃量6.跳3其它狠磁传捏感器6.东3其它主磁传极感器6.探3.纷1磁阻伯元件当霍孕耳元肺件受应到与看电流垂方向常垂直狂的磁亚场作司用时街，不著仅会点出现候霍耳魄效应屿，而绿且还醉会出斧现半态导体虏电阻食率增心大的避现象融，这笑种现难象称霞为磁锅阻效嘉应。利用东磁阻赏效应屡做成减的电澡路元直件，际叫做避磁阻价元件日。1.基本精工作稳原理在没支有外荒加磁纤场时呜，磁衣阻元诵件的嗓电流拾密度皱矢量笛，如缩慧图5-厦5(惭a)所示辆。当磁获场垂袍直作超用在境磁阻扩元件晋表面婶上时较，由君于霍加耳效瓶应，鬼使得攀电流嫁密度他矢量萍偏移夺电场请方向隆某个池霍耳仅角θ，如嚼图5-色5(标b)所示嫂。6-趋5(辫a)在无凳磁场丝式时5-倒5(稀b)有磁池场作姑用时图5-耕5磁阻座元件揭工作稻原理般示意师图这使滩电流鞠流通舅的途湖径变愉长，温导致锄元件廉两端悔金属箱电极烘间的晚电阻兼值增固大。2.磁阻通元件架的基名本特蒸性1）B-袜R特性磁阻属元件妇的B-临R特性萌，用失无磁边场时英的电忆阻R0和磁产感应盲强度姨为B时的劳电阻RB来表输示。2）灵太敏度K磁阻雕元件耍的灵毯敏度K，可俊由下惊式表门示，歉即K=狸RB/孙R0一般志来说笨，磁输阻元督件的绍灵敏协度K≥妖2.择7。3）温贵度系誓数磁阻衔元件桂的温誓度系叶数约广为‐2狸%/住℃，是宗比较悠大的外。可以痛采用亩两个使磁敏紫元件例串联访起来举，采潜用分叛压输步出，与可以要大大伍改善贝元件尊的温蜘度特文性。3.磁阻继元件拥的应券用磁阻致元件祝阻抗势低、行阻值多随磁约场变挺化率硬大、冠可以极非接泄触式话测量歉、频财率响哈应好尼、动己态范炒围广部及噪讽声小震，可伤广泛耍应用叨于：无触否点开蹦关、川压力密开关艺、旋款转编曾码器该、角吓度传米感器膨、转间速传举感器搬等场返合。6.搭3.木2磁敏弹二极吐管可以听将磁渗信息继转换愉成电胖信号比，具穗有体剪积小浴、灵库敏度迟高、异响应井快、轿无触压点、虽输出享功率膜大及纽奉性能造稳定努等特愿点。它可筝广泛校应用抬于磁转场的芳检测覆、磁族力探皆伤、光转速歇测量侦、位盲移测愈量、情电流管测量乏、无蒙触点嘱开关斩、无堵刷直好流电香机等书许多搭领域诱。1、磁扣敏二肃极管馋的基漂本结袖构及证工作伞原理如图6-偿6所示倾。它帆是平陷面P+-i型-N+型结扁构的吊二极房诚管。在高咐纯度守半导铲体锗蓬的两扬端掺希高杂P型区疑和N型区胃。i区是嚼高纯旺空间下电荷闻区，i区的胡长度侦远远羽大于框载流桥子扩秆散的团长度悄。在i区的碗一个聋侧面泊上，鞋再做撇一个判高复世合区r，在r区域皇载流挤子的吼复合网速率仇较大胀。在电拣路连薄接时地，P+区接倚正电杀压，N+区接丑负电成压。序在没惯有外灿加磁葛场情仆况下袄，大药部分蝴的空屋穴和棒电子鞭分别竹流入N区和P区而伍产生炭电流冤，只朱有很巡寿少部垄分载皮流子盟在r区复出合，抄如图6-皆7(厨a)所示便。图6-豆6磁敏抚二极某管的朽结构若给货磁敏栗二极柔管外简加一材个磁邀场B，在仗正向坦磁场季的作卵用下歪，空煮穴和石电子悠受洛肺仑兹辫力的浙作用毒偏向r区，俘如图6-般7(扫b)所示舟。由于坡空穴原和电野子在r区的爪复合拒速率族大，窑此时孔磁敏未二极粉管正急向电永流减呢小，诱电阻康增大奶。当在烫磁敏傲二极绿管上旁加一伴个反缩慧向磁寻场B时，骡载流鱼子在挑洛仑持磁力脸的作化用下粗，均僵偏离局复合仗区r，见撇图6-谎7(城c)所示糠。此时鉴磁敏六二极起管正完向电熊流增现大，烧电阻亦减小伞。图6-目7磁敏屡二极滋管的包工作削原理2.磁敏膏二极陶管的岭主要址技术欺参数扔和特旅性(1市)灵敏轻度当外牲加磁雪感应掘强度B为±0妥.1焰T时，软输出宿端电漆压增违量与陷电流诱增量观之比响称为穗灵敏黎度。(2朝)工作照电压U0和工楼作电狭流I0在零兆磁场泊时加群在磁胆敏二振极管咬两端践的电淡压、称电流廉值。(3拼)磁电正特性在弱林磁场倍及一巷定的饭工作怒电流搭下，他输出旨电压她与磁礼感应尖强度辈的关蕉系为森线性霸关系察。在兆强磁搭场下竞则成辩非线角性关臣系。(4铃)伏安界特性在负壤向磁迅场作淘用下使，庙磁敏乏二极云管电倍阻小积，电纱流大施；在拣正向堵磁场忙作用恢下，溪磁敏庭二极轰管电份阻大混，电茧流小买。如门图6-体8所示科。图6-板8磁敏携二极骆管的班伏安蛾特性6.厅3.植3磁敏我三极率管磁敏鹿三极域管是团一种陶新型扯的磁佛电转照换器亡件,该器兴件的守灵敏择度比菌霍耳族元件锯高得弹多.同样欣具有裤无触剪点、卫输出尸功率记大、篮响应煮快、显成本膀低等业优点探。其在待磁力青探测酱、无尘损探粗伤、携位移都测量纤、转辽速测抱量等剧领域犬有广防泛的个应用是。1.磁敏废三极激管的民基本固结构功及工披作原艇理图6-眯9是磁悼敏三虑极管怀工作须原理汗图。图（a）是柏无外翼磁场束作用兴情况断。由悟于i区较城长，猜在横波向电拒场作俘用下鸣，发弹射极罢电流裂大部颗分形昏成基满极电括流，阿小部项分形炮成集欧电极规电流请。图（b）是姑有外杨部正叮向磁盛场B+作用巨的情贪况，宽图（c）是望有外昨部反惭向磁班场B-作用许的情涝况，悼会引幻玉起集祖电极展电流炒的减庭少或目增加扯。因此历，可丑以用办磁场孕方向灿控制绒集电摘极电似流的隙增加磨或减出少，替用磁会场的穴强弱贞控制档集电闭极电正流增启加或我减少堪的变膀化量柳。2.磁敏金三极鸡管的掉主要啄技术恳特性1）磁券灵敏灰度h±指当无基极轨电流池恒定港，外尼加磁唉感应毁强度B=0时的沸集电泡极电郊流ICO与外型加磁严感应腰强度B=誉±0宰.1共T时的仅集电赌极电池流IC±相对搞变化优值，死即：2）磁枕电特屯性在基疼极电江流恒粉定时丹，集里电极岁电流姜与外级加磁灯场的香关系悬。在场弱磁跨场作俭用下蹲，特询性接榴近线课性。3）温绍度特清性集电订极电麻流的匠温度乳特性巾具有请负的颤温度雕系数诵。对河温度孕较敏灵感，斜实际粪使用没时应傅进行宪温度讲补偿断。6.舒4霍耳侮传感咐器及做其它悟磁传皂感器陆应用哈实例6.绣4霍耳购传感睡器及仇其它金磁传祥感器盖应用生实例6.伯4.疏1霍耳逼汽车武无触失点点予火器如图6-洗10所示贪，磁搞轮鼓居代替妻了传厕统的溪凸轮乡丰及白镰金触处点。发动僚机主棚轴带跑动磁到轮鼓男转动糖时，示霍耳献器件欲感受葬的磁切场极疑性交剥替改启变，胀输出杂一连森串与扭汽缸爸活塞亮运动越同步岔的脉剪冲信元号去忘触发肠晶体膝管功告率开炸关，乏点火闷线圈真两端卸产生朗很高他的感形应电君压，谣使火眼花塞稻产生航火花网放电恰，完桥成汽轨缸点湖火过磁程。图6-挥10霍耳碧点火羡装置卸示意悦图1-磁轮矮鼓2-开关内型霍霜耳集若成电好路3-晶体撒管功故率开脸关4-点火记线圈5-火花拾塞6.痒4.箩2霍耳晌无刷摇直流辟电机如图6-述11所示细。电累机由凶永久检磁铁认做转宿子。土在定躁子上为安有12只霍回耳元岁件，懂各与剧前方少相差90弄°的一肚个定劣子电沿枢线慈圈相陡连，忘线圈染被安短放在辅定子碑糟中畅。各定号子线刷圈由增霍耳蜂元件馋输出近的霍夺耳电鸟压激乎励，义产生炊的定辈子磁滔场，众与对所应的绑霍耳傅元件狠相差90蠢°，即惹超前骄于转缺子磁柏场90店°。永酱久磁夜铁的害转子辈被定阅子磁踢场吸掌引而昆向前朵转动蔬。当转怀子转乒动通霉过霍宽耳元具件时盼，永乳久磁源铁磁傅通使稀霍耳技元件澡输出历电压走极性榴反相伶，相采应的您电枢键线圈织磁场晴也产鞭生极丧性转朴换，使定然子磁萌场始若终超背前于宁转子肾磁场90魂°，吸择引转叶子，桶转子极则沿斗原方梢向继虎续向贴前转桃动。图6-皂11霍耳压无刷岛电机疤的结深构图1-寸-轴2—外壳3—电路4—定子5—线圈6—霍耳谣元件7—永磁裤转子6.崖4.骗3自动增供水销装置如图6-林12所示乓。锅匹炉中愿的水税由电侮磁阀蚂控制牛流出之与关桶闭。扬电磁碧阀的靠打开陡与关恰闭，袖则受鞭控于城控制西电路旺。打水诵时，被需将冲铁制唤的取巷水卡赤从投丝式放口久投入父，取溪水卡述沿非脚磁性治物质笋制作耗的滑联槽向迟下滑袋行，释当滑鸦行到亿磁传吵感部爸位时芬，传铅感器氏输出枝信号奖经控扔制电晋路驱哈动电访磁阀印打开橡，让现水从铺水龙书头流敞出。延时怒一定般时间盐后，馋控制尸电路亲使电皮磁阀跌关闭娇，水糟流停搁止。1—锅炉2—电磁抛阀3—投卡刘口4—水龙泻头5—水瓶6—收卡郊箱7—磁铁8—磁传桑感器图6-滑12自动环供水狱装置蜂构造毛示意丢图自动残供水越装置失的电仇路,如图6-揉13所示伪。主要蚕由磁柿传感温器装昌置、谣单稳亭态电根路、买固态转继电均器、功电源偷电路浅及电院磁阀舍等组威成。磁传疮感装秩置由改磁铁匆及SL候30那20霍尔论开关翅集成涨传感之器构尊成。当取论水者获投入呈铁制眯