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1、第第6章章 霍耳传感器及霍耳传感器及其它磁传感器其它磁传感器6.1 霍耳传感器工作原理霍耳传感器工作原理v6.1 霍耳传感器工作原理霍耳传感器工作原理v6.1.1霍耳效应霍耳效应v 在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象称为霍耳效应。v 如图6-1所示，长、寛、高分别为L、W、H的N型半导体薄片的相对两侧a、b通以控制电流，在薄片垂直方向加以磁场B。v 在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由c側指向d側方向力的作用，这个力就是洛仑兹力，大小为：图图 6-1 霍耳效应与霍耳元件霍耳效应与霍耳元件（a）霍耳效应（）霍耳效应
2、（b）霍耳元件结构（）霍耳元件结构（c）图形符号（）图形符号（d）外形）外形FL=qvB c、d两端面因电荷积累而建立了一个电场两端面因电荷积累而建立了一个电场EH，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡。这时有：兹力相等时，达到动态平衡。这时有：qEH =qvB 霍耳电场的强度为霍耳电场的强度为：EH=vB 在在c与与d两側面间建立的电势差称为霍耳电压：两側面间建立的电势差称为霍耳电压：UH=EHW或 UH=vBW 当材料中
3、的电子浓度为当材料中的电子浓度为n时，时，电子速度为：电子速度为：得：得：设：设：得霍耳电压：得霍耳电压：设：设：得：得：v 式中RH为霍耳系数，它反映材料霍耳耳效应的强弱;v KH为霍耳灵敏度，它表示一个霍耳元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍耳耳电压的大小。v 可以看出：v（1）霍耳电压UH大小与材料的性质有关。v（2）霍耳电压UH大小与元件的尺寸有关。v（3）霍耳电压UH大小与控制电流及磁场强度有关。v6.1.2 霍耳元件的主要技术参数霍耳元件的主要技术参数v 利用霍耳效应制成的磁电转换元件称为霍耳元件也叫霍耳传感器。v 霍耳元件由霍耳片、引线和壳体组成,如图6-1-1(a)所示
4、。v 霍耳片是矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1两根引线加激励电流，称为激励电极；2、2引线为霍耳电压输出引线，称为霍耳电极。v 霍耳元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。图图6-1-1 霍耳元件霍耳元件v 在电路中霍耳元件可用两种符号表示，如图6-1-1(b)所示。v 霍耳元件主要技术参数为：v 1.输入电阻RIN和输出电阻ROUT；v 2.额定控制电流IC；v 3.不等位电势U0，即未加磁场时的输出电压，一般小于1mV；v 4.霍耳电压UH；v 5.霍耳电压的温度特性。6.2 霍耳传感器霍耳传感器v6.2 霍耳传感器霍耳传感器v6.2.1霍耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器v
5、 霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。v 图6-2所示为内部组成框图。v 当有磁场作用在霍耳开关集成传感器上时，霍耳元件输出霍耳电压UH，一次磁场强度变化，使传感器完成一次开关动作。图图6-2 霍耳开关集成传感器内部框图霍耳开关集成传感器内部框图 v 霍耳开关集成传感器具有使用寿命长，无触点磨损，无火花干扰，无转换抖动，工作频率高，温度特性好，能适应恶劣环境等优点。v 常见霍耳开关集成传感器型号有UGN-3020,UGN-3030,UGN-3075。v 霍耳开关集成传感器常用于：v 点火系统、保安系统、转速
6、测量、v 里程测量、机械设备限位开关、v 按钮开关、电流的测量和控制、v 位置及角度的检测，等等。v6.2.2 霍耳线性集成传感器霍耳线性集成传感器v 霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系。v 这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成，当外加磁场时，霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压，经放大器放大后输出。v 霍耳线性集成传感器有单端输出型和双端输出型两种，典型产品分别为SL3501T和SL3501M两种。如图6-3和图6-4所示。v 霍耳线性集成传感器常用于：v 位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量和控制。图图6-3 单端输出型传感器的电路结构单端输出型传感器
7、的电路结构 图图6-4 双端输出型传感器的电路结构双端输出型传感器的电路结构 6.3 其它磁传感器其它磁传感器v6.3 其它磁传感器其它磁传感器v6.3.1磁阻元件磁阻元件v 当霍耳元件受到与电流方向垂直的磁场作用时，不仅会出现霍耳效应，而且还会出现半导体电阻率增大的现象，这种现象称为磁阻效应。v 利用磁阻效应做成的电路元件，叫做磁阻元件。v1.基本工作原理v 在没有外加磁场时，磁阻元件的电流密度矢量，如图5-5(a)所示。v 当磁场垂直作用在磁阻元件表面上时，由于霍耳效应，使得电流密度矢量偏移电场方向某个霍耳角，如图5-5(b)所示。6-5(a)在无磁场时在无磁场时 5-5(b)有磁场作用时
8、有磁场作用时图图5-5 磁阻元件工作原理示意图磁阻元件工作原理示意图 v 这使电流流通的途径变长，导致元件两端金属电极间的电阻值增大。v2.磁阻元件的基本特性v1）B-R特性v 磁阻元件的B-R特性，用无磁场时的电阻R0和磁感应强度为B时的电阻RB来表示。v2）灵敏度Kv 磁阻元件的灵敏度K，可由下式表示，即 K=R3/R0一般来说，磁阻元件的灵敏度一般来说，磁阻元件的灵敏度K2.7。v 3）温度系数v 磁阻元件的温度系数约为2%/，是比较大的。v 可以采用两个磁敏元件串联起来，采用分压输出，可以大大改善元件的温度特性。v 3.磁阻元件的应用v 磁阻元件阻抗低、阻值随磁场变化率大、可以非接触式
9、测量、频率响应好、动态范围广及噪声小，可广泛应用于：v 无触点开关、压力开关、旋转编码器、角度传感器、转速传感器等场合。v6.3.2 磁敏二极管磁敏二极管v 可以将磁信息转换成电信号，具有体积小、灵敏度高、响应快、无触点、输出功率大及性能稳定等特点。v 它可广泛应用于磁场的检测、磁力探伤、转速测量、位移测量、电流测量、无触点开关、无刷直流电机等许多领域。v 1、磁敏二极管的基本结构及工作原理v 如图6-6所示。它是平面P+-i-N+型结构的二极管。v 在高纯度半导体锗的两端掺高杂P型区和N型区。i区是高纯空间电荷区，i区的长度远远大于载流子扩散的长度。在i区的一个侧面上，再做一个高复合区r，在
10、r区域载流子的复合速率较大。v 在电路连接时，P+区接正电压，N+区接负电压。在没有外加磁场情况下，大部分的空穴和电子分别流入N区和P 区而产生电流，只有很少部分载流子在r区复合，如图6-7(a)所示。图图6-6 磁敏二极管的结构磁敏二极管的结构 v 若给磁敏二极管外加一个磁场B，在正向磁场的作用下，空穴和电子受洛仑兹力的作用偏向r区，如图6-7(b)所示。v 由于空穴和电子在r区的复合速率大，此时磁敏二极管正向电流减小，电阻增大。v 当在磁敏二极管上加一个反向磁场B时，载流子在洛仑磁力的作用下，均偏离复合区r，见图6-7(c)所示。v 此时磁敏二极管正向电流增大，电阻减小。图图6-7 磁敏二
11、极管的工作原理磁敏二极管的工作原理v2.磁敏二极管的主要技术参数和特性v(1)灵敏度v 当外加磁感应强度B为0.1T时，输出端电压增量与电流增量之比称为灵敏度。v(2)工作电压U0和工作电流I0v 在零磁场时加在磁敏二极管两端的电压、电流值。v(3)磁电特性v 在弱磁场及一定的工作电流下，输出电压与磁感应强度的关系为线性关系。在强磁场下则成非线性关系。v(4)伏安特性v 在负向磁场作用下，磁敏二极管电阻小，电流大；在正向磁场作用下，磁敏二极管电阻大，电流小。如图6-8所示。图图6-8 磁敏二极管的伏安特性磁敏二极管的伏安特性 v6.3.3 磁敏三极管磁敏三极管v 磁敏三极管是一种新型的磁电转换
12、器件,该器件的灵敏度比霍耳元件高得多.同样具有无触点、输出功率大、响应快、成本低等优点。v 其在磁力探测、无损探伤、位移测量、转速测量等领域有广泛的应用。v1.磁敏三极管的基本结构及工作原理v 图6-9是磁敏三极管工作原理图。v 图（a）是无外磁场作用情况。由于i区较长，在横向电场作用下，发射极电流大部分形成基极电流，小部分形成集电极电流。v 图（b）是有外部正向磁场B+作用的情况，图（c）是有外部反向磁场B-作用的情况，会引起集电极电流的减少或增加。v 因此，可以用磁场方向控制集电极电流的增加或减少，用磁场的强弱控制集电极电流增加或减少的变化量。图图6-9 磁敏三极管工作原理示意图磁敏三极管
13、工作原理示意图 2.磁敏三极管的主要技术特性磁敏三极管的主要技术特性 1）磁灵敏度）磁灵敏度h 指当基极电流恒定，外加磁感应强度指当基极电流恒定，外加磁感应强度B=0时的集时的集电极电流电极电流ICO与外加磁感应强度与外加磁感应强度B=0.1T时的集电极时的集电极电流电流IC相对变化值，即：相对变化值，即：2）磁电特性）磁电特性 在基极电流恒定时，集电极电流与外加磁场的关在基极电流恒定时，集电极电流与外加磁场的关系。在弱磁场作用下，特性接近线性。系。在弱磁场作用下，特性接近线性。3）温度特性）温度特性 集电极电流的温度特性具有负的温度系数。对温集电极电流的温度特性具有负的温度系数。对温度较敏感
14、，实际使用时应进行温度补偿。度较敏感，实际使用时应进行温度补偿。6.4 霍耳传感器及其它磁传感器应霍耳传感器及其它磁传感器应用实例用实例v6.4 霍耳传感器及其它磁传感器应用实例霍耳传感器及其它磁传感器应用实例v6.4.1 霍耳汽车无触点点火器霍耳汽车无触点点火器 v 如图6-10所示，磁轮鼓代替了传统的凸轮及白金触点。v 发动机主轴带动磁轮鼓转动时，霍耳器件感受的磁场极性交替改变，输出一连串与汽缸活塞运动同步的脉冲信号去触发晶体管功率开关，点火线圈两端产生很高的感应电压，使火花塞产生火花放电，完成汽缸点火过程。图图6-10 霍耳点火装置示意图霍耳点火装置示意图1-磁轮鼓磁轮鼓 2-开关型霍耳
15、集成电路开关型霍耳集成电路3-晶体管功率开关晶体管功率开关 4-点火线圈点火线圈 5-火花塞火花塞 v6.4.2 霍耳无刷直流电机霍耳无刷直流电机v 如图6-11所示。电机由永久磁铁做转子。在定子上安有12只霍耳元件，各与前方相差90的一个定子电枢线圈相连，线圈被安放在定子糟中。v 各定子线圈由霍耳元件输出的霍耳电压激励，产生的定子磁场，与对应的霍耳元件相差90，即超前于转子磁场90。永久磁铁的转子被定子磁场吸引而向前转动。v 当转子转动通过霍耳元件时，永久磁铁磁通使霍耳元件输出电压极性反相，相应的电枢线圈磁场也产生极性转换，v 使定子磁场始终超前于转子磁场90，吸引转子，转子则沿原方向继续向
16、前转动。图图6-11 霍耳无刷电机的结构图霍耳无刷电机的结构图 1-轴轴 2外壳外壳 3电路电路 4定子定子 5线圈线圈 6霍耳元件霍耳元件 7永磁转子永磁转子 v6.4.3 自动供水装置自动供水装置 v 如图6-12所示。锅炉中的水由电磁阀控制流出与关闭。电磁阀的打开与关闭，则受控于控制电路。v 打水时，需将铁制的取水卡从投放口投入，取水卡沿非磁性物质制作的滑槽向下滑行，当滑行到磁传感部位时，传感器输出信号经控制电路驱动电磁阀打开，让水从水龙头流出。v 延时一定时间后，控制电路使电磁阀关闭，水流停止。1锅炉锅炉 2电磁阀电磁阀 3投卡口投卡口 4水龙头水龙头5水瓶水瓶 6收卡箱收卡箱 7磁铁
17、磁铁 8磁传感器磁传感器图图6-12 自动供水装置构造示意图自动供水装置构造示意图 v 自动供水装置的电路,如图6-13所示。v 主要由磁传感器装置、单稳态电路、固态继电器、电源电路及电磁阀等组成。v 磁传感装置由磁铁及SL3020霍尔开关集成传感器构成。v 当取水者投入铁制的取水牌时，铁制取水牌将磁铁的磁力线短路，SL3020传感器受较强磁场的作用输出为高电平脉冲，电路输出使电磁阀Y通电工作自动开阀放水。v 每次供水的时间长短，取决于C2、R4、RP1的充电时间常数。图图6-13 自动供水装置电路原理图自动供水装置电路原理图 6.5 实训实训v6.5 实训实训 v 磁感应强度测量仪采用SL3051M霍尔线性集成传感器，电路如图6-14所示。使用时，只要使传感器的正面面对磁场，便可测得磁场的磁感应强度。v 装调该磁感应强度测量仪电路,并用该磁感应强度测量仪测量电线中流过的直流电流强度，过程如下：v(1)认识SL3051M霍尔线性集成传感器和其它元器件；v(2)电路装配调试；v(3)将SL3051M霍尔线性集成传感器靠近直流通电电线，测量电线周围的磁场强度；v(4)同时用电流表测电流值，对测量所得的磁场强度与电流值的对应关系进行定标；v(5)实验过程和结果记录；v(6)若用该磁感应强度测量仪测交流电流应添加什么电路和设备。图图6-14 磁感应强度测量仪电路磁感应强度测量仪电路