霍尔传感器及应用

关于霍尔传感器及应用

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量、压力、加速度、振动等方面的测量。第2页,共68页，星期六，2024年，5月7.1霍尔效应及霍尔元件一、霍尔效应霍尔效应第3页,共68页，星期六，2024年，5月图7-1霍尔效应UHbldIFLFEvB第4页,共68页，星期六，2024年，5月所以，霍尔电压UH可表示为

UH=EHb=vBb

(7-3)设霍尔元件为N型半导体，当它通电流I时

FL=qvB

(7-1)

当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有

qEH=qvB故霍尔电场的强度为

EH=vB

（7-2）第5页,共68页，星期六，2024年，5月流过霍尔元件的电流为

I=Q/t=bdlnq/t=bdvnq得：

v=I/nqbd

(7-4)

所以：UH=BI/nqd

若取

RH=1/nq

则

RH为霍尔元件的霍尔系数。显然，霍尔系数由半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。

UHbldIFLFEvB图7-1霍尔效应第6页,共68页，星期六，2024年，5月设KH为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小。单位是mV/（mA·T）第7页,共68页，星期六，2024年，5月

材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。即所以而比较得或第8页,共68页，星期六，2024年，5月结论：①如果是P型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为p，同理可得②霍尔电压UH与材料的性质有关。③霍尔电压UH与元件的尺寸有关。④霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。第9页,共68页，星期六，2024年，5月二、霍尔元件的构造及测量电路

基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。1、构造第10页,共68页，星期六，2024年，5月

霍尔片是半导体单晶薄片(一般为4×2×0.1mm)，它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，通常用红色导线，其焊接处称为激励（控制）电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。第11页,共68页，星期六，2024年，5月2、测量电路W1W2UHUH~（a）基本测量电路WUHRLE（b）直流激励的连接方式（c）交流激励时的连接方式第12页,共68页，星期六，2024年，5月三、霍尔元件的技术参数1.额定功耗P0

在环境温度25℃时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。2.输入电阻Ri和输出电阻RORi是指控制电流极之间的电阻值。R0指霍尔元件霍尔电极间的电阻。Ri、R0可以在无磁场时用欧姆表等测量。第13页,共68页，星期六，2024年，5月4.霍尔温度系数α

在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，霍尔电势变化的百分率。即：3.不平衡电势U0

在额定控制电流I下，不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。第14页,共68页，星期六，2024年，5月5.内阻温度系数β

霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1℃时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。即：6.灵敏度或：减小d；选好的半导体材料第15页,共68页，星期六，2024年，5月四、霍尔元件的测量误差和补偿1.不等位电势补偿：在无磁场时，霍尔元件通以控制电流I，两输出端产生的电压为不等位电压。主要是元件输出极焊接不对称、厚薄不均、输出电极接触不良等，可以通过桥路平衡加以补偿。图7-4不等位电势图7-5霍尔元件的等效电路AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4第16页,共68页，星期六，2024年，5月几种常用补偿方法BBBWACDWACD(b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）WCDAR2R3R4R1B第17页,共68页，星期六，2024年，5月2.温度误差及补偿(1)利用输入回路串联电阻进行补偿（a）基本电路（b）等效电路

EIUHRRo(t)RIUHERi(t)第18页,共68页，星期六，2024年，5月元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：则霍尔电压随温度变化的关系式为：由图b可知：

第19页,共68页，星期六，2024年，5月对上式求温度的导数，可得增量表达式：第20页,共68页，星期六，2024年，5月即：由上式可看出，要使温度变化时霍尔电压不变，必须使

当元件的α、β及内阻Ri0确定后，温度补偿电阻R便可求出。在实际应用中，当霍尔元件选定后，其α、β值可以从元件参数表中查出，而元件内阻Ri0则可由测量得到。第21页,共68页，星期六，2024年，5月（2）利用输出回路的负载进行补偿

（a）基本电路（b）等效电路

UHIIRLULtRi(t)Ro(t)RLIUHtI

霍尔元件的输入采用恒流源，使控制电流Ｉ稳定不变。即，可以不考虑输入回路的温度影响。第22页,共68页，星期六，2024年，5月

在温度影响下，元件输出电阻和电势变为：此时，RL上的电压为负载电阻RL上电压随温度变化最小的极值条件为根据第23页,共68页，星期六，2024年，5月

当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，输出电阻变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只考虑在输入端进行补偿即可。若采用恒流源，输入电阻随温度变化而引起的控制电流的变化极小，从而减少了输入端的温度影响。（3）利用恒流源进行补偿第24页,共68页，星期六，2024年，5月

对于温度系数大的半导体材料常使用。霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。（4）利用热敏电阻进行补偿（a）输入回路补偿RRt第25页,共68页，星期六，2024年，5月（b）输出回路补偿

或在输出回路进行补偿。负载RL上的霍尔电势随温度上升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠近，使它们温度变化一致。RRLRt第26页,共68页，星期六，2024年，5月（5）利用补偿电桥进行补偿

调节电位器W1可以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，电桥的输出电压相应变化，仔细调节，即可补偿霍尔电势的变化，使其输出电压与温度基本无关。w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt第27页,共68页，星期六，2024年，5月7.2集成霍尔元件

霍尔电压UH正比于控制电流和磁感应强度。在实际应用中，总是希望获得较大的霍尔电压。通过霍尔元件的最大允许控制电流为：霍尔元件在最大允许温升下的最大开路霍尔电压：第28页,共68页，星期六，2024年，5月霍尔元件的组成：由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。第29页,共68页，星期六，2024年，5月集成霍尔元件：

集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立器件相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越受到重视。第30页,共68页，星期六，2024年，5月一、开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。双入单出运放第31页,共68页，星期六，2024年，5月当外加磁场强度超过规定的工作点时，输出级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，输出级重新变为高阻态，输出高电平。第32页,共68页，星期六，2024年，5月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？第33页,共68页，星期六，2024年，5月二、线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出信号与磁感应强度成比例。通常由霍尔元件、差分放大、差动输出电路及稳压源四部分组成，它的电路比较简单，用于精度要求不高的一些场合。线性型三端霍尔集成电路第34页,共68页，星期六，2024年，5月二、线性集成霍尔传感器

单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是SL3501T。单端输出传感器的电路结构框图23输出+－稳压VCC1霍耳元件放大地H第35页,共68页，星期六，2024年，5月线性型霍尔特性请画出线性范围

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。第36页,共68页，星期六，2024年，5月三、差动霍尔电路(双霍尔电路)

它的霍尔电压发生器由一对相距2.5mm的霍尔元件组成，使用时在电路背面放置一块永久磁体，当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时，一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反，经差分放大后，使器件灵敏度大为提高。第37页,共68页，星期六，2024年，5月一、霍尔式传感器的典型应用7.3霍尔传感器的应用利用霍尔效应制作的霍尔器件，不仅在磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用。利用霍尔电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。第38页,共68页，星期六，2024年，5月利用霍尔传感器制作的仪器优点：(1)体积小，结构简单、坚固耐用。(2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。(3)装置性能稳定，寿命长，可靠性高。(4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。(5)霍尔器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍尔器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。第39页,共68页，星期六，2024年，5月

霍尔电势是关于I、B、KH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。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。第40页,共68页，星期六，2024年，5月例1检测磁场

检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。测量铁心气隙的B值霍尔元件第41页,共68页，星期六，2024年，5月例2霍尔位移传感器

将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1—VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。第42页,共68页，星期六，2024年，5月例3霍尔式压力传感器图8-30霍尔压力传感器结构原理图霍尔元件磁钢压力P波登管NSSN第43页,共68页，星期六，2024年，5月霍尔式压力传感器由两部分组成，一部分是弹性敏感元件的膜盒用以感受压力P，并将P转换为弹性元件的位移量x，即x=KpP，其中系数Kp为常数。另一部分是霍尔元件和磁系统，磁系统形成一个均匀梯度磁场，在其工作范围内，B=x，其中斜率为常数；霍尔元件固定在弹性元件上，因此霍尔元件在均匀梯度磁场中的位移也是x。霍尔电势与被测压力P之间的关系就可表示为式中K为霍尔式压力传感器的输出灵敏度。霍尔元件磁钢压力P波登管SNSN第44页,共68页，星期六，2024年，5月SN线性霍尔磁铁例4霍尔转速传感器1

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。第45页,共68页，星期六，2024年，5月霍尔转速表原理

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46页,共68页，星期六，2024年，5月例4霍尔转速传感器2图8-31霍尔转速传感器结构输入轴输入轴霍尔传感器（a）（b）第47页,共68页，星期六，2024年，5月图8-32a霍尔计数装置例5霍尔计数装置1第48页,共68页，星期六，2024年，5月例5霍尔计数装置2图8-32b霍尔计数装置及电路(a)工作示意图霍尔开关传感器绝缘板磁铁NS(b)电路图+12VSL3051ASVT+VCR5RLR4R3R1R2计数器第49页,共68页，星期六，2024年，5月当钢球通过霍尔开关传感器时，传感器可输出毫伏脉冲电压，该电压经运算放大器A放大后，驱动三极管VT工作，VT输出端便可接计数器进行计数，并由显示器显示检测数值。+12VSL3051ASVT+VCR5RLR4R3R1R2计数器第50页,共68页，星期六，2024年，5月例6汽车霍尔电子点火器霍尔传感器隔磁罩磁钢缺口霍尔传感器隔磁罩磁钢缺口

当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔传感器形成闭合回路，电路导通，霍尔电路输出≤0.4V的低电平；当隔磁罩竖边的凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，电路截止，霍尔电路输出高电平。

第51页,共68页，星期六，2024年，5月图8-34霍尔计数装置及电路R6DW1R7V1+12VCR5D1R4R3R1R2磁钢R8D2DW2HV2V3

当霍尔传感器输出低电平时，V1截止，V2、V3导通，点火器的初级绕组有恒定的电流通过；当霍尔传感器输出高电平时，V1导通，V2、V3

截止，点火器的初级绕组电流截止，此时储存在点火线圈中的能量由初级绕组以高压放电的形式输出，即放电点火。第52页,共68页，星期六，2024年，5月带有微型磁铁的霍尔传感器例7：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和防止侧偏。第53页,共68页，星期六，2024年，5月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。霍尔元件磁铁第54页,共68页，星期六，2024年，5月例8：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。第55页,共68页，星期六，2024年，5月霍尔式接近开关

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。

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。

第56页,共68页，星期六，2024年，5月n=60f4(r/min)软铁分流翼片

开关型霍尔ICT第57页,共68页，星期六，2024年，5月例9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，