霍爾效應傳感器的基本原理以及應用

霍爾效應傳感器基本組成及原理

第1頁，共34頁?；魻栃獋鞲衅鞯墓ぷ髟砑皯?/p>

霍爾效應傳感器是基于霍爾效應：當一塊導電的平面與磁力線垂直地放置在磁場中，將在平面上產(chǎn)生一個與電流方向和磁場方向都垂直的電場。如圖1，當電流流過一個半導體平面（霍爾單元），與電流平行的兩個端面引出兩條導線作為輸出信號端，此時，沒有磁場施加在半導體平面，輸出端的電壓為零。深圳市銘之光電子技術(shù)有限公司傳感器專家網(wǎng)http://

第2頁，共34頁。第3頁，共34頁。如果與半導體平面垂直的方向加一個磁場，如圖2，此時，有勞倫茨力施加在電流上，使電流分布變形，同時在輸出端形成了電位差。這個電位差就稱為霍爾電壓，它的大小與流過的電流I及穿過的磁場強度成正比。第4頁，共34頁。第5頁，共34頁?；魻栯妷号c電流I和磁場強度B的乘積成正比，對于最常用的硅半導體材料，此比例系數(shù)是7uV/Vs/Gauss，其中,Vs是生成電流I的電壓。從此系數(shù)可以看出，生成的霍爾電壓是非常小的，實際應用中，需要放大器對此信號進行放大。

硅半導體材料也有壓電效應，當有機械變形時，會引起其電阻值的變化，這樣，當有應力引起硅變形時，必將影響霍爾傳感器的效果，實際應用中，通常使用多個霍爾單元，來減小機械變形的影響，如使用兩個或四個霍爾單元，第6頁，共34頁。

霍爾單元只是個基本的磁傳感器，對多數(shù)應用來說，還需要信號調(diào)理電路，將信號放大，同時增加溫度補償，使輸出信號可以被其他電路或系統(tǒng)使用。同時如果供電電源沒有穩(wěn)壓，還需要相應的電源調(diào)整電路。第7頁，共34頁。第8頁，共34頁。如圖3，這是一個基本的霍爾傳感器，因為霍爾電壓是與磁場強度成比例，而磁場是有方向的，當磁場方向變化時，其生成的霍爾電壓的極性也發(fā)生變化。所以圖中用的是雙電源的差分放大器，它需要正負兩組電源，使設(shè)計復雜，為簡化設(shè)計，通常給差分放大器加上一定的偏置，從而只需要單電源供電。當磁場為0時,差分放大器輸出一定的基準電壓，當感應到正向磁場時，放大器輸出的電壓高于基準電壓，當感應到反向磁場時，放大器輸出的電壓低于基準電壓，如圖4是一個簡單的模擬電壓輸出的霍爾傳感器。第9頁，共34頁。第10頁，共34頁。

對于模擬電壓輸出的霍爾傳感器，當正向磁場強度越大，輸出的電壓越高，當輸出電壓達到電源電壓的限制時，輸出電壓不在隨正向磁場強度的增大而增大，此時，電路達到飽和。同樣，當反向磁場強度越大時，輸出的電壓越低，當輸出電壓達到電源地的限制時，輸出電壓不再隨反向磁場強度的增大而減小。

為了增加傳感器接口的靈活性，滿足更多應用的要求，在差分放大器的輸出端通常會加上射極開路電路、集電極開路電路、或推挽式放大電路等。第11頁，共34頁。數(shù)字式輸出霍爾傳感器

在某些應用中，我們只需要高或低電平，或者只需開或關(guān)的狀態(tài)，這時，可以在傳感器的差分放大器輸出端加上一級施密特觸發(fā)電路，如圖5所示,當磁場高于某個值時，霍爾傳感器輸出為高電平，而當磁場強度下降到另一個值時，霍爾傳感器輸出變?yōu)榈碗娖?。深圳市銘之光電子技術(shù)有限公司傳感器專家網(wǎng)http://第12頁，共34頁。第13頁，共34頁?；魻栃獋鞲衅饕蚱浞墙佑|測量、沒有運動部件、使用溫度范圍寬、響應速度快等特點，應用越來越廣泛，如用于感應電流的變化，則是電流傳感器，用于感應磁場的變化，則可以做成位置傳感器、接近開關(guān)、速度傳感器、磁傳感器等。第14頁，共34頁?；魻栐窘Y(jié)構(gòu)由霍爾片、引線和殼體組成,如圖所示?；魻柶且粔K矩形半導體單晶薄片，引出四個引線。1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極?；魻栐んw由非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號表示。第15頁，共34頁。第16頁，共34頁。基本電路RW調(diào)節(jié)控制電流的大小。RL為負載電阻，可以是放大器的內(nèi)阻或指示器內(nèi)阻。霍爾效應建立的時間極短（10-12～10-14S），I即可以是直流，也可以是交流。若被測物理量是I、B或者IB乘積的函數(shù)，通過測量霍爾電勢UH就可知道被測量的大小。第17頁，共34頁。深圳市銘之光電子技術(shù)有限公司傳感器專家網(wǎng)http://第18頁，共34頁?；魻柤呻娐返耐庑谓Y(jié)構(gòu)與霍爾元件完全不同，其引出線形式由電路功能決定，根據(jù)內(nèi)部測量電路和霍爾元件工作條件的不同，分為線性和開關(guān)型兩種。1、線性型性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。線性霍爾集成電路的特點是輸出電壓與外加磁感應強度B呈線性關(guān)系，較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。第19頁，共34頁。開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。第20頁，共34頁。

霍爾傳感器的潛在應用：速度和轉(zhuǎn)數(shù)（RPM）感應、電機/風扇控制、磁性編碼、磁盤速度、磁帶、流速感應、傳送帶、點火裝置、運動控制/檢測、功率/位置檢測、磁碼閱讀、振動感應、以及重量感應和位置感應等。第21頁，共34頁?；魻杺鞲衅髟跓o刷直流電機中的應用

直流電機中轉(zhuǎn)矩是通過永磁體磁場和繞組中的電流相互作用產(chǎn)生的，在有刷電機中，換向器通過切換電樞繞組實現(xiàn)電樞電流的換向與合適的磁場。而無刷直流電機中，霍爾位置傳感器探測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的位置，通過邏輯與驅(qū)動電路，給相應的繞組激勵?？偟恼f來，繞組根據(jù)電機永磁體的磁場作出反應，從而產(chǎn)生需要的轉(zhuǎn)矩。如圖1是一種三相8極（四對磁極）無刷直流電機基本組成：第22頁，共34頁。第23頁，共34頁?；魻杺鞲衅鞯倪x型，需根據(jù)安裝要求（即轉(zhuǎn)子磁場方向）與霍爾傳感器的感應方向，進行合理選擇?；裟犴f爾SS30、SS31x/SS41x以及SS36x/SS46x系列霍爾效應傳感器能夠為無刷直流電機提供所需的精確電機轉(zhuǎn)軸位置數(shù)據(jù)。這些系列產(chǎn)品包括雙極型或雙極鎖存型霍爾傳感器，它們在整個溫度范圍內(nèi)的正（南極）工作點和負（北極）釋放點幾乎是磁性對稱的，例如，若霍爾傳感器的工作點磁性強度為正90高斯，那么它的釋放點大約為負90高斯。第24頁，共34頁。于要求可靠、精確、經(jīng)濟的無刷直流電機換向應用來說，下面列出的霍尼韋爾雙極或雙極鎖存型霍爾效應集成電路將會是一個極佳的選擇：SS311PT/SS411P，SOT-23(SS3)表面貼裝封裝或帶引線的TO-92扁平式(SS4)封裝的低成本雙極霍爾效應數(shù)字位置傳感器。SS30AT，SOT-23(SS3)表面貼裝封裝的增強型雙極霍爾效應數(shù)字位置傳感器。第25頁，共34頁。SS361NT/SS361ST/SS461S，SOT-23(SS3)表面貼裝封裝或帶引線的TO-92扁平式(SS4)封裝的高靈敏度雙極鎖存型霍爾效應數(shù)字位置傳感器。

SS360PT/SS460P，SOT-23(SS3)表面貼裝封裝或帶引線的TO-92扁平式(SS4)封裝的高靈敏度雙極鎖存型霍爾效應數(shù)字位置傳感器。第26頁，共34頁?；魻栃獋鞲衅髟谄嚿系膽秒S著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車的電子化程度也越來越高。良好汽車控制系統(tǒng)能改善車輪和地面之間的附著狀況，進而改善汽車的安全性、動力性和舒適性。傳感器是電子技術(shù)中的核心器件，是一種進行信號變換的裝置，它的作用是把被測的非電量信號轉(zhuǎn)變成為電量信號，是促進汽車技術(shù)全面發(fā)展的關(guān)鍵器件。在汽車底盤電子控制系統(tǒng)中，控制工作是離不開傳感器的。速度傳感器在汽車控制系統(tǒng)中起著主要作用。第27頁，共34頁。第28頁，共34頁。SS461C霍爾效應傳感器應用：應用于速度傳感器用來檢測汽車或者卡車曲軸的旋轉(zhuǎn)情況客戶要求較高的靈敏度，SS461C霍爾效應傳感器，可滿足客戶需求，SS461C霍爾效應傳感器數(shù)字式電流沉輸出，可提供高輸出電流和高速響應能力第29頁，共34頁?；魻杺鞲衅鲬糜诹髁坑嫷?0頁，共34頁?；魻柧€性傳感器可用于流量計制作，當通過腔體的流速增加時，彈簧連著的翼推動一個螺旋軸轉(zhuǎn)動，從而提升磁鋼引起傳感器的輸出變化。當流速減少時，卷彈簧引起組件下降，減少了傳感器的輸出。磁鋼及螺桿組件用來提供流速測量的線性測量。第31頁，共34頁?；魻杺鞲衅髟跈C車測速中的應用測速裝置在機車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位，對側(cè)速裝置的要求是分辨能力強、高精度和盡可能短的檢測時間。介紹了應用霍爾傳感器通過測量磁場強度，來得到穩(wěn)定的脈沖方波信號，實現(xiàn)機車轉(zhuǎn)速的測量。

霍爾傳感器是利用霍爾效應實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器，它具有靈敏度高，線性度好，穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點，在機車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位。對測速裝置的要求是分辨能力強、高精度和盡可能短的檢測時間。發(fā)電機轉(zhuǎn)速的檢測方案可分成兩類：用測速發(fā)電機檢測或用脈沖發(fā)生器檢測。深圳市銘之光電子技術(shù)有限公司傳感器專家網(wǎng)http://第32頁，共34頁。測速發(fā)電機的工作原理是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，它運行可靠，但體積大，精度低，且由于測量值是模擬量，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后讀入計算機。脈沖發(fā)生器的工作原理是按發(fā)電機轉(zhuǎn)速高低，每轉(zhuǎn)發(fā)出相應數(shù)目的脈沖信號。按要求選擇或設(shè)計脈沖發(fā)生器，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能檢測。

所設(shè)計的基于霍爾元件的脈沖發(fā)生器要求成本低，構(gòu)造簡單，性能好。在機車電氣系統(tǒng)中存在著較為惡劣的電磁環(huán)境，因此要求產(chǎn)品本身要具有較強的抗干擾能力。第33頁，共34頁。內(nèi)容梗概霍爾效應傳感器基本組成及原理。從此系數(shù)可以看出，生成的霍爾電壓是非常小的，實際應用中，需要放大器對此信號進行放大。硅半導體材料也有壓電效應，當有機械變形時，會引起其電阻值的變化，這樣，當有應力引起硅變形時，必將影響霍爾傳感器的效果，實際應用中，通常使用多個霍爾單元，來減小機械變形的影響，如使用兩個或四個霍爾單元，。如圖3，這是一個基本的霍爾傳感器，因為霍爾電壓是與磁場強度成比例，而磁場是有方向的，當磁場方向變化時，其生成的霍爾電壓的極性也發(fā)生變化?？偟恼f來，繞組根據(jù)電機永磁體的磁場作出反應，從而產(chǎn)生需要的轉(zhuǎn)矩?；魻杺鞲衅鞯倪x型，需根據(jù)安裝要求（即轉(zhuǎn)