1、第第7章章 霍尔传感器原理及其应用霍尔传感器原理及其应用7.1 概述概述7.2 霍尔传感器的测量电路和误差分析霍尔传感器的测量电路和误差分析7.3 霍尔传感器的应用电路霍尔传感器的应用电路 7.1 概述概述 霍尔传感器是基于霍尔传感器是基于霍尔效应霍尔效应的一种传感器。的一种传感器。1879年美年美国物理学霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应。国物理学霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应。随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔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。元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器是基于霍尔效应将被测量
2、（如电流、磁场、霍尔传感器是基于霍尔效应将被测量（如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等）转换成电动势输出的传位移、压力、压差、转速等）转换成电动势输出的传感器。感器。霍尔式传感器结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、霍尔式传感器结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、动态范围大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于动态范围大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化。在测量技术、自动化技术和信息处微型化和集成化。在测量技术、自动化技术和信息处理得到了广泛的应用。理得到了广泛的应用。7.1.1 霍尔元件的结构霍尔元件的结构目前最常用的霍尔元件材料是鍺（目前最常用的霍尔元件材料是鍺（Ge）、硅（
3、）、硅（Si）、）、锑化铟（锑化铟（InSb）、砷化铟（）、砷化铟（InAs）等半导体材料。）等半导体材料。20世纪世纪80年代末出现了一种新型霍尔元件年代末出现了一种新型霍尔元件超晶格超晶格结构（砷化铝结构（砷化铝/砷化稼）的霍尔器件，它可以用来测微砷化稼）的霍尔器件，它可以用来测微磁场。磁场。霍尔元件由霍尔片、霍尔元件由霍尔片、4根引线和壳体组成。根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，在它的长度方霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，在它的长度方向两端面上焊有向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线。其焊接处称为线，通常用红色导线。其
4、焊接处称为控制电流极控制电流极。要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触。触。在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有在薄片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，其焊接两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为处称为霍尔电极霍尔电极，要求欧姆接触，且电宽度与基片，要求欧姆接触，且电宽度与基片长度之比小于长度之比小于0.1，否则影响输出。，否则影响输出。霍尔元件的壳体上是用非导磁金属、陶瓷或环氧树霍尔元件的壳体上是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。脂封装。7.1.2 霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的
5、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，这种现象称为两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应霍尔效应，该，该电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。在垂直于外磁场在垂直于外磁场B的方向上放置半导体薄片，当有电的方向上放置半导体薄片，当有电流流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场方向上将产生流过薄片时，在垂直于电流和磁场方向上将产生霍尔电势霍尔电势EH。作用在半导体薄片上的磁场强度。作用在
6、半导体薄片上的磁场强度B越强，越强，霍尔电势霍尔电势EH也就越高。也就越高。0B0B霍尔效应原理图霍尔效应原理图7.1.3 霍尔传感器的命名方法霍尔传感器的命名方法 国产霍尔元件型号命名的方法如图所示。国产霍尔元件型号命名的方法如图所示。霍尔电势可用下式表示：霍尔电势可用下式表示：EH=KHIBKH霍尔器件的灵敏度，它表示霍尔器件在单位磁霍尔器件的灵敏度，它表示霍尔器件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小。感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小。KH=1/ned当磁场和环境温度一定时，霍尔元件输出的霍尔电势当磁场和环境温度一定时，霍尔元件输出的霍尔电势EH与控制电流与控制电流
7、 I成正比。成正比。当控制电流和环境温度一定时，霍尔元件的输出电势当控制电流和环境温度一定时，霍尔元件的输出电势与磁感应强度与磁感应强度B的乘积成正比。的乘积成正比。7.1.4 霍尔传感器的特性参数霍尔传感器的特性参数 1）额定控制电流与最大控制电流）额定控制电流与最大控制电流2）输入电阻和输出电阻）输入电阻和输出电阻3）乘积灵敏度）乘积灵敏度4）不等位电势和不等位电阻）不等位电势和不等位电阻7.2 霍尔传感器的测量电路和误差分析霍尔传感器的测量电路和误差分析7.2.1 霍尔传感器的测量电路霍尔传感器的测量电路霍尔元件的基本测量电路如图。控制电流霍尔元件的基本测量电路如图。控制电流I由电压源由
8、电压源E供给，供给，R是调节电阻，用以根据要求改变是调节电阻，用以根据要求改变I的大小。的大小。所施加的外电场所施加的外电场B一般与霍尔元件的平面垂直。控一般与霍尔元件的平面垂直。控制电流也可以是交流电。制电流也可以是交流电。霍尔元件的基本测量电路霍尔元件的基本测量电路 7.2.2 霍尔传感器的误差分析霍尔传感器的误差分析霍尔元件对温度的变化很敏感，因此，霍尔元件的霍尔元件对温度的变化很敏感，因此，霍尔元件的输入电阻、输出电阻、乘积灵敏度等将受到温度变输入电阻、输出电阻、乘积灵敏度等将受到温度变化的影响，从而给测量带来较大的误差。化的影响，从而给测量带来较大的误差。为了减少测量中的温度误差，除
9、了选用温度系数小为了减少测量中的温度误差，除了选用温度系数小的霍尔元件或采取一些恒温措施外，也可使用以下的霍尔元件或采取一些恒温措施外，也可使用以下的温度补偿方法。的温度补偿方法。（1）恒流源供电）恒流源供电恒流源温度补偿电路恒流源温度补偿电路（2）采用热敏元件）采用热敏元件 对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，可采用以对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，可采用以下温度补偿电路。下温度补偿电路。图图a是在输入回路进行温度补偿；是在输入回路进行温度补偿；图图b是在输出回路进行温度补偿。是在输出回路进行温度补偿。在安装测量电路时，热敏元件最好和霍尔元件封装在一起或尽在安装测量电
10、路时，热敏元件最好和霍尔元件封装在一起或尽量靠近，以使二者的温度变化一致。量靠近，以使二者的温度变化一致。（a）在输入回路进行补偿）在输入回路进行补偿 （b）在输出回路进行补偿）在输出回路进行补偿采用热敏元件的温度补偿电路采用热敏元件的温度补偿电路（3）不等位电势的补偿）不等位电势的补偿 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势。实用中，若想消除不等位电势是极其超过霍尔电势。实用中，若想消除不等位电势是极其困难的，因而只有采用补偿的方法。困难的，因而只有采用补偿的方法。不等位电势由不等位电阻产生，因此可以用分析电阻不等位电势由不等
11、位电阻产生，因此可以用分析电阻的方法找到一个不等位电势的补偿方法。的方法找到一个不等位电势的补偿方法。霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路由于矩形霍尔片有两对电极，各个相邻电极之间有由于矩形霍尔片有两对电极，各个相邻电极之间有4个电阻个电阻R1，R2，R3，R4，因而可把霍尔元件视为一个，因而可把霍尔元件视为一个4臂电阻电桥，这样不等位电势就相当于电桥的初始臂电阻电桥，这样不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。不平衡输出电压。理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于 R1=R2=R3=R4，则所有能够使电桥达到平衡的方法均，则所有能够使
12、电桥达到平衡的方法均可用于补偿不等位电势，使不等位电势为零。可用于补偿不等位电势，使不等位电势为零。（1）基本补偿电路）基本补偿电路霍尔元件的不等位电势补偿电路有很多形式。霍尔元件的不等位电势补偿电路有很多形式。图图a是在造成电桥不平衡的电阻值较大的一个桥臂上是在造成电桥不平衡的电阻值较大的一个桥臂上并联并联RP，通过调节，通过调节 RP 使电桥达到平衡状态，称为不使电桥达到平衡状态，称为不对称补偿电路对称补偿电路图图b相当于在两个电桥臂上并联调用电阻，称为对称相当于在两个电桥臂上并联调用电阻，称为对称补偿电路。补偿电路。（a）不对称补偿不对称补偿 （b）对称电路对称电路（2）具有温度补偿的补
13、偿电路）具有温度补偿的补偿电路下图是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电下图是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路。其中一个桥为热敏电阻路。其中一个桥为热敏电阻Rt，并且，并且Rt与霍尔元件的与霍尔元件的等效电路的温度特性相同。等效电路的温度特性相同。在磁感应强度在磁感应强度B为零时调节为零时调节RP1和和RP2，使补偿电压抵，使补偿电压抵消霍尔元件，此时输出不等位电势，从而使消霍尔元件，此时输出不等位电势，从而使B=0时的时的总输出电压为零。总输出电压为零。不等位电势的桥式补偿电路不等位电势的桥式补偿电路 7.3霍尔传感器的应用电路霍尔传感器的应用电路 霍尔元件具有结构简单、体积小
14、、重量轻、频带宽、霍尔元件具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽、动态性能好和寿命长等许多优点，因而得到广泛应用。动态性能好和寿命长等许多优点，因而得到广泛应用。在电磁测量中，用它测量恒定的或交变的磁感应强度、在电磁测量中，用它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；在自动检有功功率、无功功率、相位、电能等参数；在自动检测系统中，多用于位移、压力的测量。测系统中，多用于位移、压力的测量。1）霍尔接近开关）霍尔接近开关霍尔接近开关是一个无接触磁控开关，当磁铁靠近时，霍尔接近开关是一个无接触磁控开关，当磁铁靠近时，开关接通；当磁铁离开后，开关断开。开关接通；当磁铁离开后，
15、开关断开。常见霍尔接近开关实物图：常见霍尔接近开关实物图：2）霍尔式压力传感器）霍尔式压力传感器霍尔元件组成的压力传感器包括两部分：一部分是弹霍尔元件组成的压力传感器包括两部分：一部分是弹性元件，如弹簧管或膜盒等，用它感受压力，并把它性元件，如弹簧管或膜盒等，用它感受压力，并把它转换成位移量；另一部分是霍尔元件和磁路系统。转换成位移量；另一部分是霍尔元件和磁路系统。下图中弹性元件是弹簧管，当被测压力发生变化时，下图中弹性元件是弹簧管，当被测压力发生变化时，弹簧管端部发生位移，带动霍尔片在均匀梯度磁场中弹簧管端部发生位移，带动霍尔片在均匀梯度磁场中移动，作用在霍尔片的磁场发生变化，输出的霍尔电移
16、动，作用在霍尔片的磁场发生变化，输出的霍尔电势随之改变。势随之改变。3）霍尔式转速传感器）霍尔式转速传感器 转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器可时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器可在每一个小磁场通过时产生一个相应的脉冲，检测出在每一个小磁场通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知道被测转速。根据磁性转单位时间的脉冲数，便可知道被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目就可确定传感器测量转速的分辨率。盘上小磁铁数目就可确定传感器测量转速的分辨率。测转角测转角汽车速度测量：汽车速度测量：
17、4）霍尔式汽车无触点点火装置）霍尔式汽车无触点点火装置 传统的机电汽缸点火装置使用机械式的分电器，传统的机电汽缸点火装置使用机械式的分电器，存在着点火时间不准确、触点易磨损等缺点。存在着点火时间不准确、触点易磨损等缺点。采用霍尔开关无触点晶体管点火装置可以克服上采用霍尔开关无触点晶体管点火装置可以克服上述缺点，提高燃烧效率。述缺点，提高燃烧效率。作业：作业：1.什么是霍尔效应？什么是霍尔效应？2.画出霍尔元件的基本测量电路，并说明该电路画出霍尔元件的基本测量电路，并说明该电路的工作原理。的工作原理。3.霍尔传感器中不等位电势产生的原因？有哪些霍尔传感器中不等位电势产生的原因？有哪些补偿方法？补偿方法？
