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1、上海电机学院电气学院1 第八章霍尔传感器课题：霍尔传感器的原理及应用课时安排： 2 课次编号： 12 教材分析难点：开关型霍尔集成电路的特性重点：霍尔传感器的应用教学目的和要求1、了解霍尔传感器的工作原理；2、了解霍尔集成电路的分类；3、掌握线性型和开关型霍尔集成电路的特性；4、掌握霍尔传感器的应用。采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、 分析教具：各种霍尔元件、霍尔传感器各教学环节和内容演示 1：将小型蜂鸣器的负极接到霍尔接近开关的OC 门输出端，正极接Vcc端。在没有磁铁靠近时，OC 门截止，蜂鸣器不响。当磁铁靠近到一定距离（例如 3mm）时，OC 门导通，蜂鸣器响。将磁铁逐渐远离霍尔接
2、近开关到一定距离（例如 5mm）时， OC 门再次截止，蜂鸣器停响。演示 2：将一根导线穿过10A 霍尔电流传感器的铁芯，通入 0.11A 电流，观察霍尔IC 的输出电压的变化，基本与输入电流成正比。从以上演示，引入第一节霍尔效应、霍尔元件的工作原理。第一节霍尔元件的工作原理及特性一、工作原理金属或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（ Hall Effect ） ，该电动势称为霍尔电动势（Hall EMF ） ，上述半导体薄片称为霍尔元件（ Hall Element ） 。用霍尔
3、元件做成的传感器称为霍尔传感器（Hall Transducer） 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 上海电机学院电气学院2 图 8-1霍尔元件示意图a）霍尔效应原理图b）薄膜型霍尔元件结构示意图c）图形符号d）外形霍尔属于四端元件：其中一对（即a、b 端）称为激励电流端，另外一对（即c、d 端）称为霍尔电动势输出端， c、d 端一般应处于侧面的中点。由实验可知，流入激励电流端的电流I 越大、作用在薄片上的磁场强度
4、B 越强，霍尔电动势也就越高。霍尔电动势EH可用下式表示EH=KH IB（8-1）式中KH霍尔元件的灵敏度。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（8-2）从式 （8-2）可知，霍尔电动势与输入电流I、磁感应强度B 成正比，且当B 的方向改变时，霍尔电动势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电动势为同频率的交变电动势。目前常用的霍尔元件材料是N 型硅， 霍尔元件的壳体可用塑料、环氧树脂等制造。二、主要特性参数（1）输入电阻
5、Ri恒流源作为激励源的原因：霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。它的数值从几十欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高，输入电阻变小，从而使输入电流Iab变大，最终引起霍尔电动势变大。使用恒流源可以稳定霍尔原件的激励电流。（2）最大激励电流Im激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电动势的温漂增大，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。提问：霍尔原件的最大激励电流Im为宜。A0mA B 0.1 mA C 10mA D100mA（4）最大磁感应强度Bm磁感应强度超过Bm时，霍尔电动势的非线性误差将明显增大， Bm的数值一般小于
6、零点几特斯拉。提问：为保证测量精度，图8-3 中的线性霍尔IC 的磁感应强度不宜超过为宜。A0T B 0.10T C 0.15T D 100Gs名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 上海电机学院电气学院3 第二节霍尔集成电路霍尔集成电路（又称霍尔IC）的优点：体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小、对电源稳定性要求低等。霍尔集成电路的分类：线性型和开关型两大类。线性型的内部电路：霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个
7、芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。开关型霍尔集成电路的内部电路：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。图 8-2线性型霍尔集成电路a）外形尺寸b）内部电路框图图 8-3线性型霍尔集成电路输出特性图 8-4开关型霍尔集成电路a）外形尺寸b）内部电路框图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 -
8、- - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 上海电机学院电气学院4 图 8-5开关型霍尔集成电路的史密特输出特性注： 1 特斯拉（ T） 104高斯（ Gs）提问：磁铁从远到近， 逐渐靠近图8-5 所示的开关型霍尔IC ， 问，多少高斯时，输出翻转？成为什么电平？表 8-1 具有史密特特性的OC 门输出状态与磁感应强度变化之间的关系B/T OC 门输出状态OC 门接法磁感应强度B 的变化方向及数值0 0.02 0.023 0.03 0.02 0.016 0 接上拉电阻RL高电平高电平低电平低电平低电平高电平高电不接上拉电阻RL高阻态高阻态低电平低电平低电
9、平高阻态高： OC 门输出的高电平电压由VCC决定；、： OC 门的迟滞区输出状态必须视B 的变化方向而定. 第三节霍尔传感器的应用霍尔电动势是关于I、B、 三个变量的函数， 即 EH=KHIBcos ，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，三个变量的多种组合等。1）维持 I、 不变，则EH=f(B） ，这方面的应用有：测量磁场强度的高斯计、测量转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔加速度计、微压力计等。2）维持 I、B 不变，则 EH=f( ） ，这方面的应用有角位移测量仪等。3）维持 不变，则 EH=f(IB）
10、 ，即传感器的输出EH与 I、B 的乘积成正比，这方面的应用有模拟乘法器、霍尔功率计、电能表等。1角位移测量仪角位移测量仪结构示意图如图8-8 所示。霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电动势EH就反映了转角 的变化。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 上海电机学院电气学院5 图 8-8角位移测量仪结构示意图1极靴2霍尔器件3励磁线圈发散性思维：将图 8-8 的铁芯气隙减小到夹紧霍尔IC
11、 的厚度。则B正比于Ui，霍尔 IC 的 Uo正比于B，可以改造为霍尔电压传感器。与交流互感器不同的是：可以测量直流电压，如右图所示。4霍尔接近开关在第 四 章里，曾介绍过接近开关的基本概念。用霍尔接近开关也能实现接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。霍尔接近开关应用示意图如图图8-12 所示。在图8-12b 中，磁极的轴线与霍尔接近开关的轴线在同一直线上。当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔接近开关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（否则将撞坏霍尔接近开关）起到限位的作用。图 8-12霍尔接近开关应用
12、示意图a）外形b）接近式c）滑过式d）分流翼片式1运动部件2软铁分流翼片提问：b）接近式c）滑过式哪一种不易损坏？为什么？在图8-12d 中，磁铁和霍尔接近开关保持一定的间隙、均固定不动。软铁制作的分流翼片与运动部件联动。当它移动到磁铁与霍尔接近开关之间时，磁力线被屏蔽 （分名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 上海电机学院电气学院6 流） ，无法到达霍尔接近开关，所以此时霍尔接近开关输出跳变为高电平。改变分流翼片的宽
13、度可以改变霍尔接近开关的高电平与低电平的占空比。发生性思维：电梯“平层”如何利用分流翼片的原理？霍尔传感器的其他用途：霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、霍尔电能表、霍尔高斯计、霍尔液位计、霍尔加速度计等。5霍尔电流传感器能够测量直流电流，弱电回路与主回路隔离，能够输出与被测电流波形相同的“跟随电压”，容易与计算机及二次仪表接口，准确度高、线性度好、响应时间快、频带宽，不会产生过电压等。（1）工作原理用一环形（有时也可以是方形）导磁材料作成铁心，套在被测电流流过的导线（也称电流母线）上，将导线中电流感生的磁场聚集在铁心中。在铁心上开一与霍尔传感器厚度相等的气隙，将霍尔线性IC 紧紧地夹在气隙中央。
14、电流母线通电后， 磁力线就集中通过铁心中的霍尔IC ，霍尔 IC 就输出与被测电流成正比的输出电压或电流。霍尔电流传感器原理及外形如图8-13 所示。图 8-13霍尔电流传感器原理及外形a）基本原理b）外形1被测电流母线2铁心3线性霍尔IC （2）技术指标及换算霍尔电流传感器可以测量高达2000A 的电流； 电流的波形可以是高达100kHz 的正弦波和电工技术较难测量的高频窄脉冲；它的低频端可以一直延伸到直流电；响应时间小于1 s，电流上升率（di/dt）大于 200A/s。被测电流称为一次测电流IP， 将霍尔电流传感器的输出电流称为“二次侧电流”IS（霍尔传感器中并不存在二次侧）。“匝数比”
15、概念：IS/IP和 NP/NS。在霍尔电流传感器中，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”。因此有：PSSPIINN（8-3）依据霍尔电流传感器的额定技术参数和输出电流IS以及式（ 8-3） ，就可以计算得到被测电流。如果将一只负载电阻RS并联在 “二次侧” 的输出电流端， 就可以得到一个与“一次测电流”（被测电流）成正比的、大小为几伏的电压输出信号。隔离作用：霍尔电流传感器的“一次测”与“二次侧”电路之间的击穿电压可以名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理
16、 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 上海电机学院电气学院7 高达 6kV ，可直接将“二次侧”的输出信号接到计算机电路。提问：有一个额定值很高的传感器（例如100A） 、而欲测量的电流值又低于额定值很多时（例如 10A） ，如何提高测量准确度？可以把“一次测”导线在铁心中间多绕几圈。例如，当用额定值为200A 的传感器去测量10A 的电流时，为提高准确度，可将“一次测”导线在传感器的铁心内孔中心绕10 圈，即 NP=10，则 NP 10A=100A ，达到传感器额定值的一半，从而提高了准确度。缺点：当被测导线在铁心之间穿绕的匝数太多时，被测
17、回路的感抗将增大许多，有可能人为地减小被测回路的电流，因此这种方法不予提倡。例 8-1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=30。 现将被测电流母线在铁心中穿绕两圈，通电后，用电流表测得二次侧电流IS=0.15A ，求输出到弱电回路的电压US和被测电流IP。解1）US=RSIS=4.5V 2）根据式（ 8-3） ，被测电流IP为：A150A15.022000SPSINNIP课外学习指导安排每周二下午，在测控办公室进行答疑课外作业P178：5、9 检测教学目标实现程度考察学生能否利用霍尔IC 测量磁场和计算电流传感器的输入、输出。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -