专题6 霍尔传感器

2024/1/221专题6霍尔传感器

本章主要学习霍尔传感器的工作原理、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2024/1/2221.霍尔元件的结构及工作原理(101到104页）

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cdab2024/1/223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=KHIB2024/1/224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。cdab2024/1/225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。

2024/1/226霍尔元件的主要外特性参数

最大磁感应强度BM

上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯？线性区2024/1/227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？5μA0.1mA2mA80mA

2024/1/228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2024/1/229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2024/1/2210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。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。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。2024/1/2211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.Vcc2024/1/2212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?2024/1/2214开关型霍尔集成电路的史密特输出特性

回差越大，抗振动干扰能力就越强。

当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？相当于多少高斯（Gs）？2024/1/22153.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。2024/1/2216(1)霍尔特斯拉计（高斯计）

霍尔元件2024/1/2217霍尔高斯计（特斯拉计）的使用

霍尔元件磁铁2024/1/2218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2024/1/2219结构组成：霍尔开关集成器件+磁性转盘工作原理：磁性转盘的输入轴与被测轴相连，转盘随被测轴转动。转轴转动时，固定在转盘附近的霍尔开关在每个小磁钢通过时产生一个脉冲，检测单位时间的脉冲数可知被测对象的转速。设频率计的频率为f，盘上小磁钢数为Z，转轴转速:n=60f/Z

下图为不同结构的传感器示意图。磁性转盘上的磁钢数目多少确定传感器的分辨率，数目越多，分辨率越高。(2)霍尔转速表（153页）2024/1/2220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。2024/1/2221

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2024/1/2222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2024/1/2223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2024/1/2224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。

2024/1/2227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2024/1/2228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2024/1/2229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2024/1/2230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。2024/1/2231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2024/1/2232光驱用的无刷电动机内部结构2024/1/2233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。2024/1/2234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ICT2024/1/2236(3)霍尔电流传感器(225页）

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。2024/1/2237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：I2024/1/2238其他霍尔电流传感器2024/1/2239其他霍尔电流传感器（续）2024/1/2240霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口2024/1/2241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零70.9A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70.9A2024/1/2243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？2024/1/2244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2024/1/2245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2024/1/2246（4）霍尔电压传感器（226页）特点：无惯性、线性度好、过载能力强、响应快，可非接触检测直流到100kHz的各种波形信号，适用范围广、性价比高等。典型产品：瑞士LEM公司系列传感器。组成：一次电路+聚磁环+霍尔元件+二次线圈+放大电路等原理:通过二次线圈的电流所产生的磁场补偿一次电流所产生的磁场，使霍尔元件始终处于检测零磁通的工作状态。工作过程：Ip->Hp->UH->补偿电流Is->Hs

Hp

-HS->UH

当IsNs所产生的Hs和IpNp所产生的Hp相等时，Is不再增加，此时霍尔元件处于零磁通状态。2024/1/2247等效模型如图所示，一个动态的磁平衡建立过程很短(<1

s)。宏观上，二次补偿电流的安匝数在任何时刻都与一次电流的相等，即|NpIp|＝|NsIs|；其中Np、Ns分别为一、二次线圈匝数；

Ip、Is分别为一次、二次的电流值。已知Np、Ns，测得Is即可算出Ip。利