检测技术与仪表 8Detection学习资料

机电类

《自动检测技术及应用》

多媒体课件

（共13章，第八章）

统一书号：ISBN978-7-111-34300-4

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2012年7月版4/19/20251第八章霍尔传感器

本章介绍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，还涉及交直流霍尔电流传感器、霍尔电压传感器的原理及输出信号的换算。

霍尔元件是一种四端元件4/19/202528.1霍尔元件的工作原理及特性8.2霍尔集成电路8.3霍尔传感器的应用第八章霍尔传感器目录进入进入进入4/19/20253第一节霍尔元件的结构及工作原理

霍尔效应: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，导电薄膜越薄，灵敏度就越高。

4/19/20254影响霍尔电动势的因数

流入激励电流端（a、b）的电流Iab越大，电子和空穴积累得就越多，霍尔电动势也就越高。作用在薄片上的磁感应强度B越强，电子受到的洛仑兹力也越大，霍尔电动势也就越高。薄片的厚度、半导体材料中的电子浓度等因素对霍尔电动势也有很大的影响。设半导体薄片的厚度为δ，霍尔元件中的电子浓度为n，电子的电荷量为e，则霍尔电动势EH可用下式表示：4/19/20255霍尔电动势与灵敏度

式中的n、e、δ在薄片的尺寸、材料确定后均为常数，可令KH=1/(neδ)，则上式可简化为：EH=KHIB式中：KH——霍尔元件的灵敏度。由于金属材料中的电子浓度n很大，所以灵敏度KH非常小。而半导体材料中的电子浓度较小，所以灵敏度比较高。4/19/20256霍尔元件的工作原理分析

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cdab4/19/20257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=KHIBabcd4/19/20258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（d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。cdabdabc4/19/20259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

，这时的霍尔电动势为

EH=KHIBcos

4/19/202510磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势演示结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比。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，霍尔电势为同频率的交变电势。aacdb4/19/202511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？（1T＝104Gs）线性区mV调零后的B/T4/19/202512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？8μA

0.8mA

8mA

80mA

4/19/202513霍尔元件的等效电路

在a、b、c、d四个端点之间,等效于一个四臂电桥4/19/202514霍尔元件的不等位电动势及调零

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称为不等位电动势E0，它是由于4个电极的几何尺寸不对称引起的。4/19/202515霍尔集成电路的调零

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。4/19/202516第二节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回目录4/19/202517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4/19/202518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。4/19/202519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.Vcc4/19/202520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.4/19/202521开始接线开关型霍尔集成电路

与继电器的接线?接线完毕4/19/202522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）？4/19/202523第三节霍尔传感器的应用

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。回目录4/19/202524霍尔特斯拉计（高斯计）

霍尔元件4/19/202525霍尔特斯拉计、高斯计

高斯计是测量物体于空间上一个点的静态或动态(交变)磁感应强度的仪器。物体发出的磁力线垂直穿过霍尔传感器，从而产生与被测B成正比的输出电压，由液晶板显示出磁感应强度。单位为高斯(Gs)或特斯拉(T)。１T（特斯拉)＝1000mT（毫特斯拉）＝10000Ｇs（高斯）测量范围：+/-19999.

9Gs信噪比：0.01Gs分辨力：0.01Gs霍尔元件被测物(剩磁)4/19/202526霍尔高斯计（特斯拉计）的使用

霍尔元件被测磁极4/19/202527霍尔传感器用于测量磁场强度

霍尔元件测量电磁绕组铁心气隙的B值B4/19/202528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。此处应采用线性霍尔传感器。SN线性霍尔磁铁4/19/202529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、整形后输出低电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，磁力线从上下侧通过，输出为高电平。4/19/202530霍尔转速传感器在汽车防抱死装置

（ABS）中的应用

（具体见第十三章课件）

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和保持车轮的转动，有助于控制刹车力的大小和防止侧偏。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔4/19/202531霍尔转速表的其他安装方法

只要黑色金属（导磁体）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，产生转速脉冲。霍尔元件磁铁4/19/202532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电缆接头12V低压电源输入接头4/19/202533传统点火系统组成4/19/202534霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理

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

4/19/202535霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）

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

4/19/202536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。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。

4/19/202537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4/19/202538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，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4/19/202539霍尔式无刷电动机

采用霍尔开关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，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。1－定子底座2－定子铁心3－霍尔开关4－三相绕组线圈5－外转子6－转轴7－磁极4/19/202540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4/19/202541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永磁磁极之间产生连续转矩。具有效率高、无火花、可靠性强等特点。4/19/202542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4/19/202543

无刷电动机的结构由定子、转子、位置传感器及换相电路组成，定子绕组多采用三相星形方式连接。4/19/202544将3只(a、b、c)锁相式霍尔传感器安装在靠近转子磁极的位置。当N极逐渐靠近霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时，其输出翻转为低电平；当N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时，其输出仍然保持为低电平；只有磁场转变为S极并达到一定值时，其输出才翻转为高电平。在S-N交替变化磁场下，传感器输出波形高、低电平各占50%。如果转子是一对极，则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的电压波形，如果转子是两对极，则输出两个周期的电压波形。4/19/202545直流无刷电机中一般安装3个霍尔传感器，间隔120度或60度按圆周分布。如果间隔120度，则3个霍尔传感器的输出波形相差120度电角度；输出信号中高、低电平各占180度电角度。如果规定输出信号高电平为“1”，低电平为“0”，则输出的三个信号可用3位二进制编码表示。4/19/202546直流三相全控无刷电动机的控制原理图

14/19/202547单片三相无刷直流电动机控制器SI9979

4/19/202548由DSP控制的BLDC系统4/19/202549光驱用的无刷电动机内部结构4/19/202550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。4/19/202551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。a）外形b）接近式c）滑过式d）分流翼片式1－运动部件2－软铁分流翼片4/19/202552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

T4/19/202553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。将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。4/19/202554霍尔电流传感器演示铁心

线性霍尔IC

EH=KBB=

KI

I

I导线穿过电流传感器的过程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。4/19/202555其他霍尔电流传感器4/19/202556其他霍尔电流传感器（续）4/19/202557霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口4/19/202558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。70.9A4/19/202559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70.9A4/19/202560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？4/19/202561各种霍尔电流传感器磁力线磁力线4/19/202562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4/19/202563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

铁心的杠杆压舌谐波分析仪将非正弦周期性电流信号按傅立叶级数展开，得到频率为基波频率整数倍的各正弦分量幅值。4/19/202564霍尔电流传感器的技术指标某型号霍尔电流传感器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

4/19/202565霍尔电流传感器的技术指标（续）4/19/202566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。Is流经多匝的二次绕组后，在铁心中所产生的磁通与一次电流IP所产生的磁通相抵消，这样，铁心不易饱和。霍尔器件在测量中起到指示零磁通的作用，属于闭环测量,温漂较小。4/19/202567霍尔电流传感器的技术指标与计算

“匝数比”

：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，或：NP被定义为“一次测线圈”的匝数，一般取NP=1；NS为厂家所设定的“二次侧线圈的匝数”

开环型的霍尔电流传感器没有二次侧线圈。4/19/202568霍尔电流传感器的匝数比计算

例：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：

4/19/202569霍尔电流传感器的电流比计算

电流比定义为：

IPN被定义为“一次测线圈”的额定电流；ISN被定义为“二次侧线圈”的额定电流例：设某型号霍尔电流传感器的额定电流比KN=IPN/ISN=300:0.3（匝数比i=NP/NS=1/1000），NP=1，“二次负载电阻”RS=30Ω。通电后，用数字电压表测得二次输出电压US=4.5V，求：1）额定电流比IPN；2）流过RS的二次电流IS；3）被测电流IP。4/19/202570霍尔电流传感器的技术指标与计算（续）

“电流比”：

IPN被定义为“一次测线圈”的额定电流；ISN为厂家所设定的“二次侧线圈”的额定电流。解：1）由额定电流比KN=300:0.3可知，

IPN=300A；“二次侧线圈”的额定电流ISN=0.3A

2）IS=US/RS=4.5V/30Ω=0.15A。

3）根据电流比与匝数比的概念，被测电流I

P为：4/19/202571霍尔交直流电流表的接线例：设某霍尔电流传感器的额定输出电流为4~20mA，希望在一次额定电流(例如300A)时，得