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1、5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 利用霍尔元件的霍尔效应制成的传感器称为霍尔式传感器。霍尔式传感器是将电流、磁场、位移、压力等非电量信号转换成电动势输出的一种传感器。虽然它的转换率较低，受温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔传感器结构简单，体积小，坚固，频率响应宽，动态范围大，无触点，使用寿命长，可靠性高，易微型化和集成电路化。霍尔元件的基本工作原理霍尔元件的基本工作原理 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，得到广泛的应用。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。特点：特点：霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，
2、重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。1 霍尔效应霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。如图所示，半导体材料的长、宽、厚分别为 L、和d。在与x轴相垂直的两个端面C和D上各装一个金属电极，称为控制电极。在控制电极上外加电压u，材料中便形成一个沿x方向流动的电流 I，称为控制电流。在轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。它的大小为：FL=qvB zxyIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极 C、D-控制电极2 霍尔电势 电荷的
3、聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为式中EH为霍尔电场，q为载流子电荷，UH为霍尔电势。当FL=FE时，电子的积累达到动平衡，即所以5-1由上式式可见，霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征，所谓载流子迁移率是指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。载流子迁移率用符号表示，=v/EI。其中EI是C、D两端面之间的电场强度。它是由外加电压U产生的，即 。因此可以把电子运动速度表示为 。这时上式可改写为当材料中的电子浓度为n时，有
4、如下关系式:I=nqbdv 即 (5-2)将5-2代入5-1，得令 RH 则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。3 霍尔系数及灵敏度则KH 为霍尔元件的灵敏度。由上式看出：霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的厚度d与KH 成反比。令则1）霍尔电压UH与材料的性质有关 n 愈大，KH 愈小，霍尔灵敏度愈低；n 愈小，KH 愈大，但n太小，需施加极高的电压才能产生很小的电流。因此霍尔元件一般采用N型半导体材料通过以上分
5、析可知：通过以上分析可知：2）霍尔电压UH与元件的尺寸有关 d 愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。霍尔电压UH与控制电流及磁场强度成正比，当磁场改变方向时，也改变方向。3)霍尔电势与磁感应强度的方向有关 若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度，则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为B cos，因此 UH=KHIBcos4）P型半导体，其多数载流子是空穴，也存在霍尔效应，但极性和N型半导体的相反。5）霍尔电压UH与磁场B和电流I成正比，只要测出UH，那么B或I的未知量均可利用霍尔元件进行测量。4 霍尔元件的基本结构及特性1)1)霍尔元
6、件的基本结构组成霍尔元件的基本结构组成由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。1，2控制电流端 3，4霍尔电势端2)2)额定控制电流额定控制电流I IC C和最大控制电流和最大控制电流I ICmCm霍尔元件在空气中产生10的温升时所施加的控制电流称为额定控制电流I IC C。在相同的磁感应强度下，I IC C值较大则可获得较大的霍尔输出。霍尔元件限制I IC C的主要因素是散热条件。一般锗元件的最大允许温升Tm80，硅元件的Tm175。当霍尔元件的温升达到Tm时的I IC C就是最大控制电流I ICmCm。3)输入电阻Ri和输出电阻R0Ri 是流过控制电
7、流的电极间的电阻值R0 是霍尔元件的霍尔电势输出电极间的电阻可以在无磁场即B0和室温(205)时，用欧姆表等测量。在额定控制电流 Ic 之下，不加磁场即B0时，霍尔电极间的空载霍尔电势UH0，称为不平衡(不等位)电势，单位为mV。一般要求霍尔元件的UH1mV，好的霍尔元件的UH小于。不等位电势和额定控制电流Ic之比为不等位电阻RM，即 4)4)不等位电势不等位电势U UMM和不等位电阻和不等位电阻R RMM 不平衡电势UH是主要的零位误差。因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上。如下图(a)所示。当控制电流I流过时，即使未加磁场，A、B两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为
8、不等位电势（不平衡电势）UH。5 集成霍尔传感器 集成霍尔传感器是利用集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越爱到众的重视。集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。(一)开关型集成霍尔传感器 开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。电路的工作原理是：1)图中的霍尔元件是在N
9、型硅外延层上制作的，N型硅的各项参数很适合做霍尔元件。2)由于在制造工艺中采用了光刻技术，电极的对称性好，零位误差大大减小。3)由于厚度d很小，提高了霍尔元件的灵敏度。4)T磁场作用下，元件开路时可输出20mV左右的霍尔电压。5)霍尔输出经前置放大的后送到史密特触发器，通过整形成为矩形脉冲输出。6)当B为0时，UH=0。1)集成霍尔传感器的导通磁感应强度和截止磁感应强度之间存在滞后效应。其回差宽度B为 B=B(HL)-B(LH)2)开关型集成霍尔传感器的这一特性，正是我们所需要的，它大大增强了开关电路的抗干扰能力，保证开关动作稳定，不产生振荡现象。(二)线性集成霍尔传感器 线性集成霍尔传感器是
10、把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出信号与磁感应强度成比例。通常由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成，其典型线路如下图所示。全电路的增益可设置到1000倍左右，与分立元件霍尔传感器相比，灵敏度大为提高。6 6 测量电路测量电路1)基本测量电路基本测量电路 激励电流由电压源E供给，其大小由可变电阻来调节。RL为输出霍尔电势UH的负载电阻，通常为显示仪表或放大器的输入阻抗。由于霍尔电动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
11、数值从几毫安至几十毫安不等。为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。下图(a)为直流供电，控制电流端并联输出串联。下图(b)为交流供电，控制电流端串联变压器叠加输出。2)连接方式3)差分放大电路差分放大电路 霍尔元件的输出电压一般较小，需要用放大电路放大其输出电压。为了获得较好的放大效果，需采用差分放大电路。4)仪用放大电路 使用一个运算放大器时，霍尔元件的输出电阻可能会大于运算放大器的输入电阻，从而产生误差，采用下图所示的电路，则不存在这个问题。不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。在分析不等位电势时，可将霍尔元件等效为一个电桥，如右图
12、所示。控制电极A、B和霍尔电极C、D可看作电桥的电阻连接点。它们之间分布电阻R1、R2、R3、R4构成四个桥臂，控制电压可视为电桥的工作电压。6)不等位电势的补偿 理想情况下，不等位电势UM=0，对应于电桥的平衡状态，此时R1R2R3R4。如果霍尔元件的UM0，则电桥就处于不平衡状态，此时R1、R2、R3、R4的阻值有差异，UM就是电桥的不平衡输出电压。只要能使电桥达到平衡的方法都可作为不等位电势的补偿方法。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多种形式，下图为两种常见电路，其中RW是调节电阻。基本补偿电路没有考虑温度变化的影响。当温度发生变化，需要重新进行平衡调节。7 7
13、应用实例应用实例 霍尔元件具有结构简单、工艺成熟、体积小和频带宽等特点，因此得到广泛的应用。保持霍尔元件的控制电流恒定不变，就可测量磁感应强度B，以及位移、角度等可直接转换为B的物理量，进一步还可以测量先转换成位移或角度，然后间接转换为B的物理量，如振动、压力、速度、加速度、转速等。此外，任何非电量只要能转化为位移的变化，均可利用霍尔式位移传感器的原理变换成霍尔电动势，从而实现这样的非电量的测量。霍尔电势是关于I、B、三个变量的函数，即 UH=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。这使得霍尔传感器有许多用途。1)霍尔式压
14、力传感器霍尔式压力传感器由两部分组成：一部分是弹性敏感元件的波登管用以感受压力P，并将P转换为弹性元件的位移量x，即xKPP，其中系数KP为常数。另一部分是霍尔元件和磁系统，磁系统形成一个均匀梯度磁场，如右图所示，在其工作范围内，BKBx，其中斜率KB为常数；霍尔元件固定在弹性元件上，因此霍尔元件在均匀梯度磁场中的位移也是x。这样，霍尔电势UH与被测压力P之间的关系就可表示为UHKHIBKHIKBKPPKP式中 KHIKBKPK霍尔式压力传感器的输出灵敏度。2)将被测量转换为I与B的乘积右图为霍尔式单相交流功率计的基本电路。设输入电压BiRuicUHZL经过降压电阻R得到霍尔元件的控制电流负载
15、ZL上的电流流过铁心线圈，产生垂直于霍尔平面的交变磁感应强度B，且B正比于i，即霍尔输出电势uHKHiCB将前两式代入上式可得式中 K=KHK1K2常系数若求uH的平均值，则上式中cos（2t）为零，因此通过测出平均霍尔电势，即可求出负载ZL上的有功功率。将图中的电阻改用电容C代替，则使iC产生90相移，同理可得 可见利用霍尔元件也可测量单相负载上的无功功率。若使用三个串联的霍尔元件和适当的电路，则可测量三相负载上的有功功率和无功功率。3)霍尔特斯拉计霍尔特斯拉计（高斯计）（高斯计）高斯计：高斯计：接受所测物体的电磁波频率，然后接受所测物体的电磁波频率，然后转换成参数量显示出来。主要用来测试高
16、转换成参数量显示出来。主要用来测试高电压环境电磁波电压环境电磁波特斯拉计：特斯拉计：主要是检测磁体单位面积磁通量主要是检测磁体单位面积磁通量的多少，也就是检测磁感应强度。的多少，也就是检测磁感应强度。霍尔高斯计（特斯拉计）的使用霍尔高斯计（特斯拉计）的使用 霍尔元霍尔元件件磁铁磁铁4)霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件测量铁心测量铁心 气隙的气隙的B值值5)霍尔转速表霍尔转速表 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。齿盘的的一个齿轮，将线性型霍尔器件
17、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。速。S SN N线线性性霍霍尔尔磁磁铁铁霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿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，过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。6)
18、霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用）中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生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。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7)霍尔转速表的其他安装方法霍尔转速表的其他安装方法 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突只要黑色金属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，产生转速信号。电势的变化，产生
19、转速信号。霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁8)霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了换向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，其输转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电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动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在题，所以它在录像机、录像机、CD唱机唱机、光、光驱等家用电器中得到越来越广泛的驱等家用电器中得到越来越广
20、泛的应用。应用。普通直流电动机使普通直流电动机使用的电刷和换向器用的电刷和换向器光驱用的无刷电动机内部结构光驱用的无刷电动机内部结构1 1由于无电刷，没有磨损问题，寿命长、可靠性高。由于无电刷，没有磨损问题，寿命长、可靠性高。2 2具具有有良良好好的的旋旋转转特特性性，可可以以取取得得很很宽宽的的转转速速特特性性、噪噪音音低低、起动转矩为额定转矩的起动转矩为额定转矩的2 23 3倍、稳定性好。倍、稳定性好。无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车电动自行车可充电可充电电池组电池组无刷电动机无刷电动机9)霍尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近、当磁铁的
21、有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁关一般还配一块钕铁硼磁铁。用霍尔用霍尔ICIC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁也能完成接近开关的功能，但是它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。磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。在右图中，在右图中，当磁铁随运动部当磁铁随运动部件移动到距霍尔件移动到距霍尔接近开关几毫米接近开关几毫米时，霍尔时，霍尔ICIC的输的输出由高电平变为出由高电平变为低电平，经驱动低电平，经驱动电路使继电器吸电路使继电器吸合或释放，控制合或释放，
22、控制运动部件停止移运动部件停止移动（否则将撞坏动（否则将撞坏霍尔霍尔ICIC）起到限）起到限位的作用。位的作用。9)霍尔式接近开关用于霍尔式接近开关用于转速测量转速测量n=6060f4(r/min)软铁分流翼片软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC 10)霍尔电流传感器霍尔电流传感器 将被测电流的将被测电流的导线穿过霍尔电流导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。传感器的检测孔。当有电流通过导线当有电流通过导线时，在导线周围将时，在导线周围将产生磁场，磁力线产生磁场，磁力线集中在铁心内，并集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而过霍尔元件，从而产生与电流成正比产生与电流成
23、正比的霍尔电压。的霍尔电压。霍尔电流传感器霍尔电流传感器铁心铁心 线性霍尔线性霍尔ICUH=KH IB 其他霍尔电其他霍尔电流传感器流传感器霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口霍尔钳形电流表霍尔钳形电流表直流直流200A量程量程被测电流的被测电流的导线未放入导线未放入铁心时示值铁心时示值为零为零霍尔钳形电流表的使用霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入钳被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的手指按下此处，将钳形表的铁心张开铁心张开将被测电流导线逐根夹将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中到钳形表的环形铁心中霍尔钳形电流表的使用（续）霍尔钳形电流表的使用（续）叉形叉形钳形表钳形表漏磁稍大，漏磁稍大，但使用方便但使用方便 用用钳形表测量钳形表测量 电动机的相电流电动机的相电流