第8章霍尔传感器课件

第8章霍尔传感器

霍尔元件磁场能电量磁电式传感器通过检测磁场大小和变化测量被测量利用某些材料的磁电效应做成对磁场敏感的传感器，如霍尔元件除用于测量和感受磁场外，还广泛用于位移、振动、速度、转速、压力等非电量测量中。主要内容8.1霍尔元件的工作原理及特性8.2霍尔集成电路8.3霍尔传感器的应用8.4工程项目设计实例:漏磁法探伤监测8.1霍尔元件的工作原理及特性一、工作原理通电的导体放在磁场中，电流方向与磁场方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势HallEMF，这种现象称为霍尔效应Halleffect。与薄片尺寸有关与材料有关

任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件;金属材料因电子浓度n很高，RH很小，UH很小;

绝缘材料电阻率ρ很大，但电子迁移率μ很小，不适用；半导体材料电阻率ρ较大，电子迁移率μ适中，非常适于做霍尔元件。半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型半导体（多电子）;

由霍尔灵敏度可见，厚度d越小霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔元件通常做的较薄，近似1微米(d≈1μm)，工作电压很低。霍尔传感器的特点：（1）测量磁物理量、电量及其它物理量（2）实现乘法运算，构成各种非线性运算部件（3）输出信号的信噪比大（4）频率范围宽：直流~数百千赫兹（5）体积小、重量轻（6）稳定性好、寿命长二、霍尔元件半导体霍尔晶体的外形为矩形薄片，有四根引线霍尔元件基本测量电路实测中可把I×B作输入，也可把I或B单独做输入；输出UH与I或B成正比关系，或与I×B成正比关系。三、霍尔传感器特性参数输入电阻Ri：霍尔元件两激励电流端的直流电阻；最大激励电流Im灵敏度Kh=EH/(IB),单位为mV/(mA.T)最大磁感应强度Bm不等位电势：在额定激励电流下，当外加磁场为零时，霍尔输出端之间的开路电压，由4个电极几何尺寸的不对称引起。霍尔电动势温度系数：在一定磁场强度和激励电流的作用下，温度没变化1°C时，霍尔电动势变化的百分数。0.1%/°C霍尔元件的不等位电势霍尔元件通以激励电流I时，若磁场强度为零，霍尔电势应该为零。但此时霍尔电势输出会不等于零，这时测得的空载电势称为不等位电势。电极安装位置不对称材料不均匀（a）（b）（c）不等位电势的补偿霍尔元件的主要技术指标1、结构及工作原理输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系构成：霍尔元件、放大器、稳压、电流放大输出级、失调调整、线性度调整稳压单端输出：SL3501T双端输出：SL3501M稳压8.2集成霍尔传感器2、主要技术特性-0.3-0.2–0.100.10.20.35.64.63.62.61.6

SL3501T输出特性曲线0.040.080.120.160.200.240.280.322.52.01.51.00.50SL3501M输出特性曲线霍尔线性集成传感器的技术参数霍尔电势的输出电路四端器件输出电势：mV量级线性应用：比例放大器线性度好、低噪声放大器开关应用：射极跟随器灵敏度高：一般放大器

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。UGN3501M当UGN3501M感受的磁场为零时，调节5、6、7之间的调零电位器，可使第1引脚相对于第8引脚的输出电压等于零，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。2.开关型集成器件(测转速、开关控制、判断NS极性)

UGN3020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。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。8.3霍尔集成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。这使得霍尔传感器可以有许多用途。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。1.角位移测量仪霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，EH正比于cosθ，于是霍尔电动势EH就反映了转角θ的变化。8.3霍尔集成传感器的应用2.霍尔无触点开关当磁钢接近霍尔器件或磁场方向变化时，霍尔开关输出端的开关管导通或截止变化时，输出高电平或低电平，控制电路中灯的亮灭。霍尔式无触点汽车电子点火装置

霍尔无触点电子点火装置由分电器转子，永久磁铁、霍尔IC及达林顿晶体管功率开关等组成。导磁性良好的软铁磁材料制作的触发器叶片固定在分电器转轴上，并随之转动。汽车点火线圈高压输出电缆接头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

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。

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。霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）

高电压通过分电器中的分火头与分电器同轴，按气缸的顺序，使对应的火花塞放电，点燃气缸中的汽油-空气混合气体。叶片旋转一圈，产生4个霍尔输出脉冲，一次点火4次。点火时刻可由槽口的位置来准确控制。3.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，经编码和逻辑换向电路，触发功率开关，其输出信号控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。

4.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。霍尔式接近开关

磁极的轴线与霍尔接近开关在同一直线上，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。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IC

T5.霍尔电流传感器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。

EH=KBB=KI

I

穿过铁心的磁感应强度B与被测电流I比成正。霍尔IC的输出电动势EH与B成正比，所以也与被测电流I比成正。霍尔电流传感器的技术指标额定输入电流（交直流两用）：300A

额定输出电压：5V，或额定输出电流：4~20mA电源电压：±15V

失调电压：25mV

失调电压漂移：≤±1mV/℃

线性度：≤1%FS

响应时间：≤2μS

绝缘电压：50Hz，1min，2.5kV

工作温度：-10～+70℃

匝数比：1：2000霍尔电流传感器的技术指标（续）闭环霍尔电流传感器的原理电路“磁平衡式霍尔电流传感器”的铁心上绕有二次绕组，与负载电阻RS串联。霍尔电动势经放大，并转换成与被测电流IP成正比的输出电流Is。根据磁场有关定律，同一个铁心中的一次绕组与二次绕组必须有相等的安匝数，即：IPNP=ISNS，霍尔电流传感器的匝数比计算

例1：设某型号霍尔电流传感器的额定匝数比NP/NS=1/1000，NP=1,额定电流比KN=IPN/ISN=300:0.3，二次侧的负载电阻RS=30Ω。通电后，用电压表测得二次侧电压US=4.5V，求输出到二次回路的输出电流IS和被测电流IP。

解：1）IS=US/RS=0.15A2）根据匝数比公式，被测电流IP为：

例2：设某型号霍尔电流传感器的额定匝数比NP/NS=1/2000，标准额定电流值IPN=300A，二次侧的负载电阻RS=30Ω。通电后，用电流表测得二次侧电流IS=0.1A，求输出到弱电回路的输出电压US和被测电流IP。

解：1）US=RS×IS=30Ω×0.1A=3V2）根据匝数比公式，被测电流IP为：

霍尔电流传感器的选型8.4油气管道漏磁法探伤检测漏磁(magneticfluxleakage,简称MFL)无损检测技术由于检测速度快、可靠性高且对工件表面清洁度要求高等特点在金属材料的检测和相关产品的评估中得到广泛应用。漏磁无损检测技术在钢铁-石油-石化等领域应用较广泛。磁漏磁检测中采用各种敏感元件,检测结果直接以电信号输出,容易与计算机连接实现数字处理,因此其检测结果可存储和再现,便于检测信号的分析及检测结果的历史趋势分析。8.4工程项目设计：油气管道漏磁法探伤检测1.漏磁探伤原理：当铁磁性材料被外加磁铁磁化后，在板材内可产生强的感应磁场，若板材上存在腐蚀缺陷，则会在其相应的表面形成漏磁场，如在磁极之间放置一个磁场探头（通常采用霍尔元件或线圈），则可探测到该漏磁场，由于漏磁场的强度与腐蚀缺陷的深度