1、第第7 7章章 霍尔式传感器及应用霍尔式传感器及应用 第1页，共41页。引言引言n霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。n1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍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尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。应用。n随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成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霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。发展。n霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振霍尔传感器广泛用
2、于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。动等方面的测量。第2页，共41页。主要章节主要章节n7.1霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及霍尔元件 n7.2霍尔传感器实用电路霍尔传感器实用电路第3页，共41页。7.1霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及霍尔元件n金属或半导体薄片置于磁感应强度金属或半导体薄片置于磁感应强度B的磁的磁场（磁场方向垂直与薄片）中，当有电场（磁场方向垂直与薄片）中，当有电流流I通过时，在垂直于电流和磁场的方向通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势上将产生电动势UH，这种物理现象称为，这种物理现象称为霍尔效应。该电势霍尔效应。该电势UH 称霍尔电势。称霍尔电势。7.1.1 霍霍
3、 尔尔 效效 应应 第4页，共41页。霍尔效应原理霍尔效应原理n一块长为一块长为L、宽为、宽为W、厚为、厚为d的的N型半导型半导体薄片，位于磁感应强度为体薄片，位于磁感应强度为B的磁场中，的磁场中，B垂直于垂直于L-W平面，沿平面，沿L通电流通电流I，N型半型半导体的载流体导体的载流体-电子将受到电子将受到B产生的洛仑产生的洛仑兹力兹力FB的作用的作用 BeFvB第5页，共41页。n在力在力FB的作用下，电子向半导体片的一的作用下，电子向半导体片的一个侧面偏转，在该侧面上形成电子的积个侧面偏转，在该侧面上形成电子的积累，而在相对的另一侧面上因缺少电子累，而在相对的另一侧面上因缺少电子而出现等量
4、的正电荷。在这两个侧面上而出现等量的正电荷。在这两个侧面上产生霍尔电场产生霍尔电场EH。该电场使运动电子受。该电场使运动电子受有电场力有电场力FEEHeFE第6页，共41页。n电场力阻止电子继续向原侧面积累，当电场力阻止电子继续向原侧面积累，当电子所受电场力和洛仑兹力相等时，电电子所受电场力和洛仑兹力相等时，电荷的积累达到动态平衡，由于存在荷的积累达到动态平衡，由于存在EH，半导体片两侧面间出现电位差半导体片两侧面间出现电位差UH，称为，称为霍尔电势霍尔电势 HHHRUIBK IBd第7页，共41页。n磁场与薄片法线夹角为磁场与薄片法线夹角为 HHcosUK IB第8页，共41页。常用的霍尔元
5、件材料常用的霍尔元件材料 n锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。温度性能和线性度都较好。N型硅的线型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度小，温度系数也较小，输出特性线性度好。好。第9页，共41页。
6、常用国产霍尔元件的技术参数常用国产霍尔元件的技术参数 参参 数数 名名 称称符号符号单位单位HZ-1型型HZ-2型型HZ-3型型HZ-4型型HT-1型型HT-2型型HS-1型型材料（材料（N）型）型Ge（111）Ge（111）Ge（111）Ge（100）InSbInSbInAS电阻率电阻率 cm0.81.20.81.20.81.20.40.50.0030.010.0030.050.01几何尺寸几何尺寸Lbdmm3840.2420.2840.2840.2630.2840.2840.2输入电阻输入电阻Ri 11020%11020%11020%4520%0.820%0.820%1.220%输出电阻输
7、出电阻Ru 10020%10020%10020%4020%0.520%0.520%120%灵敏度灵敏度KHmV/(mAT)12121241.820%1.820%120%不等位电阻不等位电阻ro 0.070.050.070.020.0050.0050.003第10页，共41页。7.1.2 霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构 n霍尔片、引线和壳体组成霍尔片、引线和壳体组成 1霍尔元件的结构霍尔元件的结构第11页，共41页。2.霍尔元件的连接霍尔元件的连接 n（1）当控制电流为直流输入时，为了得）当控制电流为直流输入时，为了得到较大的霍尔输出，可将几块霍尔元件到较大的霍尔输出，可将几块霍尔元件的输出串
8、联。但控制电流必须并联，决的输出串联。但控制电流必须并联，决不能串联。因为串联起来将有大部分控不能串联。因为串联起来将有大部分控制电流被相连的霍尔电势极短接。制电流被相连的霍尔电势极短接。第12页，共41页。n（2）当控制电流为交流输入时，可采用）当控制电流为交流输入时，可采用如图连接方式，这样可以增加霍尔输出如图连接方式，这样可以增加霍尔输出电势及功率。电势及功率。第13页，共41页。7.1.3 霍尔元件主要参数及其误差霍尔元件主要参数及其误差 n（1）乘积灵敏度）乘积灵敏度KHn（2）额定控制电流）额定控制电流Icmn（3）磁灵敏度）磁灵敏度KBn（4）输入电阻）输入电阻Ri、输出电阻、输
9、出电阻R。n（5）不等位电势）不等位电势Uo和不等位电阻和不等位电阻Ron（6）寄生直流电势）寄生直流电势UODn（7）霍尔电势温度系数）霍尔电势温度系数n（8）工作温度范围）工作温度范围1主要特性参数主要特性参数第14页，共41页。2.霍尔元件的误差及补偿霍尔元件的误差及补偿 n（1）不等位电势的补偿）不等位电势的补偿n不等位电势的大小和极性与控制电流的不等位电势的大小和极性与控制电流的大小和方向有关大小和方向有关 n不等位电势的大小和相位随交流控制电不等位电势的大小和相位随交流控制电流而变流而变 n不等位电势与控制电流之间并非线性关不等位电势与控制电流之间并非线性关系，而且系，而且U 0还
10、随温度而变还随温度而变 第15页，共41页。常用的不等位电势的补偿电路常用的不等位电势的补偿电路 第16页，共41页。（2）温度补偿）温度补偿n 恒流源供电，输入端并联电阻；或恒恒流源供电，输入端并联电阻；或恒压源供电，输入端串联电阻压源供电，输入端串联电阻 输入端并联电阻补偿 输入端串联电阻补偿 第17页，共41页。合理选择负载电阻合理选择负载电阻n霍尔电势的负载通常是放大器、显示器霍尔电势的负载通常是放大器、显示器或记录仪的输入电阻，其值一定，可用或记录仪的输入电阻，其值一定，可用串、并联电阻的方法使输出负载电压不串、并联电阻的方法使输出负载电压不变，但此时，灵敏度将相应有所降低。变，但此
11、时，灵敏度将相应有所降低。第18页，共41页。采用热敏元件采用热敏元件n最常采用的补偿方法最常采用的补偿方法 第19页，共41页。几种补偿电路几种补偿电路 采用热敏元件的温度误差补偿电路 第20页，共41页。7.2霍尔传感器实用电路霍尔传感器实用电路n将霍尔元件、放大器、施密特触发器以及输出电将霍尔元件、放大器、施密特触发器以及输出电路等集成在一块芯片上，为用户提供了一种简化路等集成在一块芯片上，为用户提供了一种简化的和较完善的磁敏传感器的和较完善的磁敏传感器n其输出信号快，传送过程中无抖动现象，且功耗其输出信号快，传送过程中无抖动现象，且功耗低，对温度的变化是稳定的，灵敏度与磁场移动低，对温
12、度的变化是稳定的，灵敏度与磁场移动速度无关。速度无关。n霍尔集成传感器分为线性集成电路和开关集成电霍尔集成传感器分为线性集成电路和开关集成电路。路。7.2.1 霍尔集成传感器霍尔集成传感器第21页，共41页。1.线性集成传感器线性集成传感器 n线性霍尔集成传感器的特点是输出电压线性霍尔集成传感器的特点是输出电压与外加磁感应强度与外加磁感应强度B呈线性关系呈线性关系.n由霍尔元件由霍尔元件HG、放大器、放大器A、差动输出电、差动输出电路路D和稳压电源和稳压电源R等组成等组成 第22页，共41页。内部框图和输出特性内部框图和输出特性 第23页，共41页。2.开关集成传感器开关集成传感器 n由霍尔元
13、件由霍尔元件HG、放大器、放大器A、输出晶体管、输出晶体管VT、施密、施密特电路特电路C和稳压电源和稳压电源R等组成，与线性集成传感器等组成，与线性集成传感器不同之处是增设了施密特电路不同之处是增设了施密特电路C，通过晶体管，通过晶体管VT的集电极输出的集电极输出 n关集成传感器只有一个输出端，是以一定磁场电平值关集成传感器只有一个输出端，是以一定磁场电平值进行开关工作的。由于内设有施密特电路，开关特性进行开关工作的。由于内设有施密特电路，开关特性具有时滞，因此有较好的抗噪声效果。霍尔集成传感具有时滞，因此有较好的抗噪声效果。霍尔集成传感器一般内有稳压电源，工作电源的电压范围较宽，可器一般内有
14、稳压电源，工作电源的电压范围较宽，可为为316V。第24页，共41页。开关集成传感器的内部框图和输出开关集成传感器的内部框图和输出特性特性 第25页，共41页。7.2.2 霍尔传感器的应用简介霍尔传感器的应用简介 n霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、3个变量的函数，个变量的函数，即即EH=KHIBcos 。利用这个关系可以。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第使其中两个量不变，将第3个量作为变量，个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。为变量。n霍尔传感器结构简单、工艺成熟、体积霍尔传感器结构简单、工艺成熟、体积小、寿命长、线性好、频带宽，
15、因而得小、寿命长、线性好、频带宽，因而得到广泛的应用。到广泛的应用。第26页，共41页。1.测量位移测量位移 n将霍尔传感器放置在呈梯度分布的磁场将霍尔传感器放置在呈梯度分布的磁场中，通以恒定的控制电流，当传感器移中，通以恒定的控制电流，当传感器移动时，元件上感知的磁场大小随位移发动时，元件上感知的磁场大小随位移发生变化，从而使得其输出生变化，从而使得其输出UH 也产生变化，也产生变化，且与位移成比例。从原理上来分析，磁且与位移成比例。从原理上来分析，磁场梯度越大，霍尔输出场梯度越大，霍尔输出UH对位移变化的对位移变化的灵敏度就越高，磁场梯度越均匀，则灵敏度就越高，磁场梯度越均匀，则UH 对位
16、移的线性度就越好。对位移的线性度就越好。第27页，共41页。国产国产YSH-1型霍尔压力变送器型霍尔压力变送器 第28页，共41页。2.无触点发信无触点发信 n霍尔传感器通以恒定的控制电流，在近霍尔传感器通以恒定的控制电流，在近距离运动的磁钢作用下，输出距离运动的磁钢作用下，输出UH产生显产生显著的变化，这就是霍尔无触点发信。无著的变化，这就是霍尔无触点发信。无触点发信只要求传感器输出一个足够大触点发信只要求传感器输出一个足够大的的UH信号，而对元件本身的温度特性、信号，而对元件本身的温度特性、线性度等参数要求不高，因此被广泛用线性度等参数要求不高，因此被广泛用于精确定位、接近开关、导磁产品记
17、数于精确定位、接近开关、导磁产品记数以及转速测量。以及转速测量。第29页，共41页。磁转子的转速检测电路磁转子的转速检测电路 第30页，共41页。3.无触点开关无触点开关 n霍尔式无触点开关的每个键上都有两小块永久磁铁，霍尔式无触点开关的每个键上都有两小块永久磁铁，当按钮未按下，通过霍尔传感器的磁力线是由上向下当按钮未按下，通过霍尔传感器的磁力线是由上向下的。的。n当按下按钮时，通过霍尔传感器的磁力线是由下向上当按下按钮时，通过霍尔传感器的磁力线是由下向上的。的。n霍尔传感器输出不同的状态，将此输出的开关信霍尔传感器输出不同的状态，将此输出的开关信号直接与后面的逻辑门电路连接使用。号直接与后面
18、的逻辑门电路连接使用。n这类键盘开关工作十分稳定可靠，功耗很低，动这类键盘开关工作十分稳定可靠，功耗很低，动作过程中传感器与机械部件之间没有机械接触，作过程中传感器与机械部件之间没有机械接触，使用寿命特别长。使用寿命特别长。第31页，共41页。集成霍尔传感器构成的按钮集成霍尔传感器构成的按钮 1按钮按钮 2外壳外壳 3导磁材料导磁材料 4集成传感器集成传感器第32页，共41页。4.霍尔齿轮传感器霍尔齿轮传感器 n差动霍尔电路制成的霍尔齿轮转速传感差动霍尔电路制成的霍尔齿轮转速传感器广泛用于新一代汽车智能发动机。作器广泛用于新一代汽车智能发动机。作为点火定时用的速度传感器，用于为点火定时用的速度
19、传感器，用于ABS（汽车防抱死制动系统）作为车速传感（汽车防抱死制动系统）作为车速传感器等。器等。第33页，共41页。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。带有微带有微型磁铁型磁铁的霍尔的霍尔传感器传感器钢质钢质霍尔霍尔第34页，共41页。ABS的工作原理的工作原理 1车速齿轮传感器 2压力调节器 3控制器 第35页，共41页。5.霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器 n磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，当磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，磁性转盘随之转动，被测转轴转动时，磁
20、性转盘随之转动，固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。多少决定了传感器测量转速的分辨率。第36页，共41页。霍尔转速表60 22fn 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。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁第37页，共41页。几种霍尔式转速传感器的结构几种霍尔式转速传感器的结构 1输入轴 2转盘 3小磁铁 4霍尔传感器 第38页，共41页。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39页，共41页。霍尔电流传感器演示铁心 线性霍尔线性霍尔IC EH=KH IB 所实现的多媒体界面：所实现的多媒体界面：第40页，共41页。霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口第41页，共41页。
