第7章 霍尔传感器课件

2024/2/29第五章电动势传感器1第7章霍尔传感器

7.1霍尔元件工作原理7.2霍尔元件的基本结构和主要特性参数

7.3霍尔元件的测量电路及补偿7.4应用第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器

霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽(从直流到微波)、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器3霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。霍尔元件是一种四端元件7.1霍尔元件的结构及工作原理第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器4

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cdab第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器5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=KHIB/d第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器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。cdab第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器一、工作原理及结构

1.工作原理电子在磁场中受洛伦兹力作用（左手定则）：e:电子电荷;v:电子运动平均速度;B:磁场的磁感应强度电子除了沿电流反方向作定向运动外,还在Fl的作用下向上漂移,结果使金属导电板上底面积累电子,而下底面积累正电荷,从而形成了附加内电场EH,称霍尔电场。第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器8霍尔电场的出现,使定向运动的电子除了受洛仑磁力作用外,还受到霍尔电场的作用力，此力阻止电荷继续积累：EH为电场强度；UH为电位差;l为元件宽度随着上、下底面积累电荷的增加,霍尔电场增加,电子受到的电场力也增加,当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反时,即第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器9霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，与载流材料的物理性质和几何尺寸有关；式中kH=1/ned称为霍尔片的灵敏度。表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的大小；d－薄片厚度n－电子浓度第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器10☞霍尔元件的材料选择kH与n、e、d成反比，若要霍尔效应强,则kH值大。灵敏度kH与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度,霍尔元件常制成薄片形状。薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。一般金属材料载流子迁移率很高；而绝缘材料载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔片。目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。kH=1/ned第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器117.2霍尔元件基本结构和主要特性参数

由霍尔片、引线和壳体组成,如图所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件可用两种符号表示。7.2.1霍尔元件基本结构第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器127.2.2主要特性参数

1．输入电阻Ri和输出电阻Ro

霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻Ri，两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻Ro。

Ri，Ro是纯电阻，可用直流电桥或欧姆表直接测量；并随温度改变而改变，一般为几欧姆到几百欧姆。

2．额定激励电流I和最大激励电流IM

霍尔元件在空气中产生10℃的温升时所施加的激励电流值称为额定电流I。每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安到几十毫安。

第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器13

3．乘积灵敏度KH

KH=UH/I.B，mV/mA.T，反映了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希望它越大越好。表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电动势的大小。

4．不等位电势UM

在额定激励电流下，当外加磁场为零时，即当而B=0时，UH=0；但由于4个电极的几何尺寸不对称，引起了且B=0时，为此引入UM来表征霍尔元件输出端之间的开路电压，即不等位电势。

5．霍尔电势温度系数a

在一定磁感应强度和激励电流的作用下，温度每变化1℃时霍尔电势变化的百分数称为霍尔电势温度系数a。它与霍尔元件的材料有关，一般约为0.1%/℃左右,在要求较高的场合,应选择低温漂的霍尔元件.

第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器147.3霍尔元件的测量电路及补偿

7.3.1、基本电路RW调节控制电流的大小。RL为负载电阻，可以是放大器的内阻或指示器内阻。霍尔效应建立的时间极短（10-12～10-14S），I即可以是直流，也可以是交流。若被测物理量是I、B或者IB乘积的函数，通过测量霍尔电势UH就可知道被测量的大小。第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器7.3.2温度误差的补偿霍尔元件属于半导体材料，对温度比较敏感，温度的变化对霍尔元件的输入/输出电阻，以及霍尔电势有明显的影响。

图7.4内阻与温度关系曲线锑化铟材料对温度最敏感，温度系数最大，低温更明显，负温度系数。其次是硅材料。再次是锗材料砷化铟的温度系数最小，温度特性最好。第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器

图7.5输出电势与温度关系曲线锑化铟输出电势对温度变化敏感最显著，是负温度系数锑化铟材料比锗材料受温度变化影响大，但它们都有一个转折点，到了转折点从正温度系数转变成负温度系数。转折点的温度就是霍尔元件的上限工作温度，考虑到元件工作时的温升，其上限温度应适当降低一些。硅材料的霍尔元件的温度电势特性较好。第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器17图7.4内阻与温度关系曲线

第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器18

图7.5输出电势与温度关系曲线第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器19霍尔元件的温度补偿可以采用如下几种方法：1．恒流源补偿法温度的变化会引起内阻的变化，而内阻的变化又使激励电流发生变化以致影响到霍尔电势的输出，采用恒流源可以补偿这种影响，其电路如图7.6所示。第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器

图7.6恒流源补偿电路第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器212．选择合理的负载电阻进行补偿图7.3霍尔元件的基本测量电路可知:当温度为T时UL：

UL=UH.RL/(RL+R0)

当温度变化,由T-----T+ΔT时,电压UL为:UL+ΔUL=UH.(1+α.ΔT).RL/(RL+R0(1+Βδt))当UL=UL+ΔUL时:第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器22

RL=R0（β-

α

）/α

RL为负载电阻

α为霍尔电势的温度系数

β为霍尔元件输出电阻的温度系数

Ro为霍尔元件的输出电阻对一个确定的霍尔元件，可查表得到a、b和Ro

值，再求得RL

值，这样就可在输出回路实现对温度误差的补偿了。

第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器233．利用霍尔元件输入回路的串联电阻或并联电阻进行补偿的方法

图7.7串联输入电阻补偿原理图7.8并联输入电阻补偿原理

第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器244．热敏电阻补偿法。

第七章霍尔传感器在使用热敏电阻进行温度补偿时，要求热敏电阻和霍尔元件封装在一起，或者使两者之间的位置靠得很近，这样才能使补偿效果显著

图7.9热敏电阻温度补偿电路

2024/2/29第五章电动势传感器257.3.3不等位电势的补偿

在无磁场的情况下，当霍尔元件通过一定的控制电流I时，在两输出端产生的电压称为不等位电势，用UM表示。采用桥式补偿电路，可以在霍尔元件的整个工作温度范围内对不等位电势进行良好的补偿，并且对不等位电势的恒定部分和变化部分的补偿可相互独立地进行调节，所以可达到相当高的补偿精度。

第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器26图7.10不等位电势的桥式补偿电路第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器277.4、霍尔集成电路霍尔集成电路的外形结构与霍尔元件完全不同，其引出线形式由电路功能决定，根据内部测量电路和霍尔元件工作条件的不同，分为线性和开关型两种。1.线性型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。线性霍尔集成电路的特点是输出电压与外加磁感应强度B呈线性关系，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第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器28图7.11线性霍尔集成电路P122图7.12线性霍尔集成电路输出特性

第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器292.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。第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器30OC门施密特触发电路双端输入、单端输出运放霍尔元件.Vcc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。

第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器317.5、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。第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器

1．霍尔转速表图7.17霍尔转速表

第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器33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。第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器34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线性霍尔磁铁第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器35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第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器36

1—磁轮鼓；2—开关型霍尔集成元件；3—晶体管功率开关；4—点火线圈；5—火花塞7.18霍尔点火装置示意图

2．霍尔式无触点点火装置

当磁轮鼓转动时，霍尔元件受到的磁场交替变化，霍尔元件的输出为脉冲信号。当霍尔IC输出为高电平时，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。当霍尔IC输出跳变为低电平时，晶体管功率开关处于截止状态，，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。第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器37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低压电源输入接头第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器2024/2/29第五章电动势传感器39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第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器403．霍尔式功率计

图7.19霍尔效应交流功率计

第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器414．霍尔式无刷直流电机

图7.20霍尔无刷直流电机基本原理

第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器42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第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器43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。第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器44光驱用的无刷电动机内部结构第七章霍尔传感器2024/2/29第五章电动势传感器