6霍尔式传感器

传感器与检测技术第六章霍尔式传感器上节课回顾：1.电容传感器有哪些类型？2.电容传感器的工作原理，输出特性。3.为什么电感式和电容式传感器的结构多采用差动形式，差动结构形式的特点是什么？4．推导差动式电容传感器的灵敏度，并与单极式电容传感器相比较。

电容传感器测量电路有哪些？是否可以避免线性误差？电容式传感器的工作原理和结构

以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理。在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为:平板电容器的电容ε0—真空的介电常数，(ε0=8.854×10-12F/m)；

S—极板的遮盖面积（m2）；

ε—极板间介质的相对介电系数，在空气中，ε=1；

δ—两平行极板间的距离（m）。结论：差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍非线性误差减小（多乘？因子）。可以改善环境因素的影响电容式传感器的输出特性分析

第六章霍尔传感器6.1霍尔传感器工作原理6.2霍尔元件的结构和基本电路6.3霍尔元件的主要特性参数6.4霍尔元件误差及补偿6.5霍尔式传感器的应用教学目的与要求：掌握霍尔效应的物理解释.掌握影响霍尔电势大小的因素,用半导体且用N型材料制作霍尔元件的原因了解霍尔元件外形结构,基本测量电路,根据不同使用要求连接电路.一般了解霍尔元件的主要特性参数.了解霍尔不等位电势及其补偿.了解温度误差及其减少的措施;掌握恒流源温度补偿电路(图)及其工作原理(解决什么问题).概述：

霍尔型传感器是磁电转换的一种传感器。1879年霍尔在金属材料中发现的，已有一百多年的历史，由于霍尔效应在金属中非常微弱，只是在大学的教科书中作为一种理论而存在，并未付诸实际应用。直到100多年以后，大约到上世纪四十年代后期，半导体工艺的成熟，科学家利用半导体工艺重新试验霍尔效应，结果发现：半导体工艺（P或N型）都可以再现霍尔效应现象，并金属霍尔元件的公式半导体霍尔元件可得到同样的结论，而且N型半导体尤其明显。使霍尔效应得到广泛的应用。我国大约到上世纪七十年代开始研究霍尔元件，已能生产各种性能霍尔元件，例如：普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁性和开关型等。概述：

霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁敏传感器，属于固态物性型传感器，这类传感器主要以半导体、电介质、铁电铁等为敏感材料，在力、磁、热、光、射线、气体、湿度等因素作用下引起材料物理特性变化，通过检测其物理特性的变化即可反映被测参数值。特点：

霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔元件霍尔高斯计（特斯拉计）的使用霍尔元件磁铁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值霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口

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6.1霍尔传感器工作原理半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。产生的电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件上一页下一页返回霍尔效应原理图霍尔效应原理载流子受洛仑兹力霍尔电场强度平衡状态电子运动平均速度

因为载流子受电场力当磁场和环境温度一定时:

霍尔电势与控制电流I成正比当控制电流和环境温度一定时:

霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比当环境温度一定时:

输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比

可测量电流、磁场强度或制成各种运算器，还可测微小位移、压力、振动等霍尔电势霍尔常数霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。

霍尔元件灵敏度（灵敏系数）

半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，

霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件图（a）中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1-1电极用于加控制电流，称控制电极。另一对2-2电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳图（b）是霍尔元件通用的图形符号。图（c）所示，霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。图（d）是基本测量电路。

国产霍尔元件型号的命名方法6.3霍尔元件的主要特性参数：(1)输入电阻和输出电阻

输入电阻：控制电极间的电阻

输出电阻：霍尔电极之间的电阻测量以上电阻时，应在没有外磁场和室温变化的条件下进行。

(2)额定控制电流和最大允许控制电流

额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在空气中产生10℃温升时，对应的控制电流值

最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对应的控制电流值(3)不等位电势Uo和不等位电阻ro

不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。不等位电势是由霍尔电极2和之间的电阻决定的，r0称不等位电阻

产生原因:主要由霍尔电极安装不对称造成的,由于半导体材料的电阻率不均匀、基片的厚度和宽度不一致、霍尔电极与基片的接触不良（部分接触）等原因，即使霍尔电极的装配绝对对称，也会产生不等位电势。6.4霍尔元件误差及补偿1.不等位电势误差的补偿2.温度误差及其补偿1.不等位电势误差的补偿可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。

不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。在分析不等位电势时，可将霍尔元件等效为一个电桥，如右图所示。控制电极A、B和霍尔电极C、D可看作电桥的电阻连接点。它们之间分布电阻R1、R2、R3、R4构成四个桥臂，控制电压可视为电桥的工作电压。不等位电势误差的补偿

理想情况下，不等位电势UM=0，对应于电桥的平衡状态，此时R1＝R2＝R3＝R4。如果霍尔元件的UM≠0，则电桥就处于不平衡状态，此时R1、R2、R3、R4的阻值有差异，UM就是电桥的不平衡输出电压。只要能使电桥达到平衡的方法都可作为不等位电势的补偿方法。（一）基本补偿电路

霍尔元件的不等位电势补偿电路有多种形式，图为常见电路，其中Rp是调节电阻。基本补偿电路没有考虑温度变化的影响。当温度发生变化，需要重新进行平衡调节。常用的电势补偿电路对称电路

当温度变化时，补偿的稳定性要好些（二）具有温度补偿的补偿电路右图是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路。该补偿电路本身也接成桥式电路，其工作电压有霍尔元件的控制电压提供；其中一个为热敏电阻Rt，并且于霍尔元件的等效电阻的温度特性相同。在该电桥的负载电阻RP2上取出电桥的部分输出电压（称为补偿电压），与霍尔元件的输出电压反向串联。在磁感应强度B为零时，调节RP1和RP2，使补偿电压抵消霍尔元件此时输出的不等位电势，从而使B＝0时的总输出电压为零。在霍尔元件的工作温度下限T1时，热敏电阻的阻值为Rt（T1）。电位器RP2保持在某一确定位置，通过调节电位器的RP1来调节补偿电桥的工作电压，使补偿电压抵消此时的不等位电势UML，此时的补偿电压称为恒定补偿电压。当工作温度T1升高到T1

＋ΔT时，热敏电阻的阻值为Rt（T1＋ΔT

）。RP1保持不变，通过调节RP2，使补偿电压抵消此时的不等位电势UML＋ΔUM。此时的补偿电压实际上包含了两个分量，一个是抵消工作温度为T1时的不等位电势UML的恒定补偿电压分量，另一个是抵消工作温度升高ΔT时的不等位电势的变化量ΔUM的变化补偿电压分量。根据上述讨论可知，采用桥式补偿电路，可以在霍尔元件的整个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独立地进行调节。所以，可达到相当高的补偿精度。2.温度误差及其补偿温度误差产生原因： 霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。 当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。减小霍尔元件的温度误差选用温度系数小的元件采用恒温措施采用恒流源供电电桥法（一）恒流源温度补偿

霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系KH0

温度T0时的KH值；温度变化量；霍尔电势的温度系数。

分析：

大多数霍尔元件的温度系数α是正值时，它们的霍尔电势随温度的升高而增加（1+α△t）倍。同时，让控制电流I相应地减小，能保持KHI不变就抵消了灵敏系数值增加的影响。恒流源温度补偿电路

当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流控制电流温度升到T时，电路中各参数变为温度为T0时霍尔元件输入电阻温度系数；分流电阻温度系数。

为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足:升温前、后的霍尔电势不变经整理，忽略高次项后得

当霍尔元件选定后，它的输入电阻和温度系数及霍尔电势温度系数可以从元件参数表中查到（可以测量出来），用上式即可计算出分流电阻及所需的分流电阻温度系数值。0iR（二）合理选择负载电阻如上图所示，若霍尔电势输出端接负载电阻RL，则当温度为T时，RL上的电压可表示为：式中R0—霍尔元件的输出电阻。当温度由T变为T+ΔT时，则RL上的电压变为式中α—霍尔电势的温度系数；

β—霍尔元件输出电阻的温度系数。要使UL不受温度变化的影响，即ΔUL＝0，由上两式可知，必须对上式进行整理可得

对于一个确定的霍尔元件，可以方便地获得α、β和R0的值，因此只要使负载电阻RL满足上式，就可在输出回路实现对温度误差的补偿了。虽然RL通常是放大器的输入电阻或表头内阻，其值是一定的，但可通过串、并联电阻来调整RL的值。（三）采用热敏元件对于由温度系数较大的半导体材料（如锑化铟）制成的霍尔元件，常采用右图所示的温度补偿电路，图中Rt是热敏元件（热电阻或热敏电阻）。图（a）是在输入回路进行温度补偿电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔元件的乘积灵敏度KH和输入电阻Ri变化对霍尔输出电势UH的影响。

图（b）则是在输出回路进行温度补偿的电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔电势UH和输出电阻R0变化对负载电阻RL上的电压UL的影响。在安装测量电路时，应使热敏元件和霍尔元件的温度一致。6.5霍尔式传感器的应用优点:

结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长应用：电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；自动检测系统：多用于位移、压力的测量。1.微位移和压力的测量测量原理： 霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。应用： 位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度产生梯度磁场的示意图位移量较小，适于测量微位移和机械振动霍尔式压力传感器弹簧管磁铁霍尔片

加速度传感器2.磁场的测量 在控制电流恒定条件下，霍尔电势大小与磁感应强度成正比，由于霍尔元件的结构特点，它特别适用于微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线方向之间夹角的函数。应用：霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器霍尔转速表

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。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。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。电动自行车的无刷电动机及控制电路速度控制器

利用PWM调速光驱用的无刷电动机内部结构霍尔式接近开关

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。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