霍爾式傳感器

復習：電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的轉換電路電橋電路調頻電路運算放大器式電路

第六章霍爾傳感器6.1霍爾傳感器工作原理6.2霍爾元件的結構和基本電路6.3霍爾元件的主要特性參數(shù)6.4霍爾元件誤差及補償6.5霍爾式傳感器的應用下一頁返回教學目的與要求：掌握霍爾效應的物理解釋.掌握影響霍爾電勢大小的因素,用半導體且用N型材料制作霍爾元件的原因了解霍爾元件外形結構,基本測量電路,根據(jù)不同使用要求連接電路.一般了解霍爾元件的主要特性參數(shù).了解霍爾不等位電勢及其補償.了解溫度誤差及其減少的措施;掌握恒流源溫度補償電路(圖)及其工作原理(解決什么問題).概述：

霍爾型傳感器是磁電轉換的一種傳感器。1879年霍爾在金屬材料中發(fā)現(xiàn)的，已有一百多年的歷史，由于霍爾效應在金屬中非常微弱，只是在大學的教科書中作為一種理論而存在，并未付諸實際應用。直到100多年以后，大約到上世紀四十年代后期，半導體工藝的成熟，科學家利用半導體工藝重新試驗霍爾效應，結果發(fā)現(xiàn)：半導體工藝（P或N型）都可以再現(xiàn)霍爾效應現(xiàn)象，并金屬霍爾元件的公式半導體霍爾元件可得到同樣的結論，而且N型半導體尤其明顯。使霍爾效應得到廣泛的應用。我國大約到上世紀七十年代開始研究霍爾元件，已能生產(chǎn)各種性能霍爾元件，例如：普通型、高靈敏度型、低溫度系數(shù)型、測溫測磁性和開關型等。概述：

霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁敏傳感器，屬于固態(tài)物性型傳感器，這類傳感器主要以半導體、電介質、鐵電鐵等為敏感材料，在力、磁、熱、光、射線、氣體、濕度等因素作用下引起材料物理特性變化，通過檢測其物理特性的變化即可反映被測參數(shù)值。特點：

霍爾器件具有許多優(yōu)點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

霍爾特斯拉計（高斯計）

霍爾元件霍爾高斯計（特斯拉計）的使用

霍爾元件磁鐵霍爾傳感器用于測量磁場強度

霍爾元件測量鐵心氣隙的B值霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便用鉗形表測量電動機的相電流7.1霍爾傳感器工作原理半導體薄片置于磁場中，當它的電流方向與磁場方向不一致時，半導體薄片上平行于電流和磁場方向的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應。產(chǎn)生的電動勢稱霍爾電勢，半導體薄片稱霍爾元件上一頁下一頁返回霍爾效應原理上一頁下一頁返回霍爾效應原理圖載流子受洛侖茲力霍爾電場強度平衡狀態(tài)電子運動平均速度上一頁下一頁返回因為霍爾電勢當磁場和環(huán)境溫度一定時:霍爾電勢與控制電流I成正比當控制電流和環(huán)境溫度一定時:霍爾電勢與磁場的磁感應強度B成正比當環(huán)境溫度一定時:輸出的霍爾電勢與I和B的乘積成正比可測量電流、磁場強度或制成各種運算器，還可測微小位移、壓力、振動等上一頁下一頁返回霍爾常數(shù)霍爾常數(shù)大小取決于導體的載流子密度：金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢也小，所以金屬材料不宜制作霍爾元件?；魻栯妱菖c導體厚度d成反比：為了提高霍爾電勢值，霍爾元件制成薄片形狀。

霍爾元件靈敏度（靈敏系數(shù)）

半導體中電子遷移率（電子定向運動平均速度）比空穴遷移率高，因此N型半導體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件，

上一頁下一頁返回7.2霍爾元件的結構和基本電路霍爾元件上一頁下一頁返回圖（a）中，從矩形薄片半導體基片上的兩個相互垂直方向側面上，引出一對電極，其中1-1電極用于加控制電流，稱控制電極。另一對2-2電極用于引出霍爾電勢，稱霍爾電勢輸出極。在基片外面用金屬或陶瓷、環(huán)氧樹脂等封裝作為外殼圖（b）是霍爾元件通用的圖形符號。圖（c）所示，霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對霍爾電勢數(shù)值影響很大。通?；魻栯姌O位于基片長度的中間，其寬度遠小于基片的長度。圖（d）是基本測量電路。

7.3霍爾元件的主要特性參數(shù)：(1)輸入電阻和輸出電阻

輸入電阻：控制電極間的電阻

輸出電阻：霍爾電極之間的電阻測量以上電阻時，應在沒有外磁場和室溫變化的條件下進行。

(2)額定控制電流和最大允許控制電流

額定控制電流：當霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產(chǎn)生10℃溫升時，對應的控制電流值

最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對應的控制電流值上一頁下一頁返回(3)不等位電勢Uo和不等位電阻ro

不等位電勢：當霍爾元件的控制電流為額定值時，若元件所處位置的磁感應強度為零，測得的空載霍爾電勢。不等位電勢是由霍爾電極2和之間的電阻決定的，r

0稱不等位電阻

上一頁下一頁返回產(chǎn)生原因:主要由霍爾電極安裝不對稱造成的,由于半導體材料的電阻率不均勻、基片的厚度和寬度不一致、霍爾電極與基片的接觸不良（部分接觸）等原因，即使霍爾電極的裝配絕對對稱，也會產(chǎn)生不等位電勢。7.4霍爾元件誤差及補償1.不等位電勢誤差的補償2.溫度誤差及其補償上一頁下一頁返回1.不等位電勢誤差的補償可以把霍爾元件視為一個四臂電阻電橋，不等位電勢就相當于電橋的初始不平衡輸出電壓。上一頁下一頁返回常用的電勢補償電路對稱電路

當溫度變化時，補償?shù)姆€(wěn)定性要好些上一頁下一頁返回2.溫度誤差及其補償溫度誤差產(chǎn)生原因： 霍爾元件的基片是半導體材料，因而對溫度的變化很敏感。其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數(shù)都是溫度的函數(shù)。 當溫度變化時，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電勢、輸入電阻和輸出電阻等都要發(fā)生變化，從而使霍爾式傳感器產(chǎn)生溫度誤差。上一頁下一頁返回減小霍爾元件的溫度誤差選用溫度系數(shù)小的元件采用恒溫措施采用恒流源供電上一頁下一頁返回恒流源溫度補償

霍爾元件的靈敏系數(shù)也是溫度的函數(shù)，它隨溫度的變化引起霍爾電勢的變化，霍爾元件的靈敏系數(shù)與溫度的關系KH0為溫度T0時的KH值；溫度變化量；霍爾電勢的溫度系數(shù)。上一頁下一頁返回分析：大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值時，它們的霍爾電勢隨溫度的升高而增加（1+α△t）倍。同時，讓控制電流I相應地減小，能保持KHI不變就抵消了靈敏系數(shù)值增加的影響。恒流源溫度補償電路

當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻自動地加強分流，減少了霍爾元件的控制電流上一頁下一頁返回控制電流溫度升到T時，電路中各參數(shù)變?yōu)樯弦豁撓乱豁摲祷販囟葹門0時霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)；分流電阻溫度系數(shù)。

為使霍爾電勢不變，補償電路必須滿足:升溫前、后的霍爾電勢不變，經(jīng)整理，忽略高次項后得

上一頁下一頁返回當霍爾元件選定后，它的輸入電阻和溫度系數(shù)及霍爾電勢溫度系數(shù)可以從元件參數(shù)表中查到（可以測量出來），用上式即可計算出分流電阻及所需的分流電阻溫度系數(shù)值。0iR7.5霍爾式傳感器的應用優(yōu)點:

結構簡單，體積小，重量輕，頻帶寬，動態(tài)特性好和壽命長應用：電磁測量：測量恒定的或交變的磁感應強度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數(shù)；自動檢測系統(tǒng)：多用于位移、壓力的測量。上一頁下一頁返回1.微位移和壓力的測量測量原理： 霍爾電勢與磁感應強度成正比，若磁感應強度是位置的函數(shù)，則霍爾電勢的大小就可以用來反映霍爾元件的位置。應用： 位移測量、力、壓力、應變、機械振動、加速度上一頁下一頁返回產(chǎn)生梯度磁場的示意圖位移量較小，適于測量微位移和機械振動上一頁下一頁返回霍爾式壓力傳感器彈簧管磁鐵霍爾片上一頁下一頁返回加速度傳感器上一頁下一頁返回2.磁場的測量 在控制電流恒定條件下，霍爾電勢大小與磁感應強度成正比，由于霍爾元件的結構特點，它特別適用于微小氣隙中的磁感應強度、高梯度磁場參數(shù)的測量?；魻栯妱菔谴艌龇较蚺c霍爾基片法線方向之間夾角的函數(shù)。應用：霍爾式磁羅盤、霍爾式方位傳感器、霍爾式轉速傳感器上一頁返回霍爾轉速表

在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。SN線性霍爾磁鐵霍爾轉速表原理

當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。霍爾轉速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉速信號?；魻栐盆F霍爾式無觸點汽車電子點火裝置

采用霍爾式無觸點電子點火裝置能較好地克服汽車合金觸點點火時間不準確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。汽車點火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理

采用霍爾式無觸點電子點火裝置無磨損、點火時間準確、高速時動力足。桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖

1-觸發(fā)器葉片2-槽口3-分電器轉軸4-永久磁鐵

5-霍爾集成電路（PNP型霍爾IC）

a）帶缺口的觸發(fā)器葉片b）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關系c）葉片位置與點火正時的關系

霍爾式無觸點汽車電子點火裝置(續(xù)）

當葉片遮擋在霍爾IC面前時，PNP型霍爾IC的輸出為低電平，晶體管功率開關處于導通狀態(tài)，點火線圈低壓側有較大電流通過，并以磁場能量的形式儲存在點火線圈的鐵心中。汽車電子點火電路及波形

1—點火開關2—達林頓晶體管功率開關3—點火線圈低壓側4—點火線圈鐵心5—點火線圈高壓側6—分火頭7—火花塞

a）電路b）霍爾IC及點火線圈高壓側輸出波形

當葉片槽口轉到霍爾IC面前時，霍爾IC輸出跳變?yōu)楦唠娖?，?jīng)反相變?yōu)榈碗娖?，達林頓管截止，切斷點火線圈的低壓側電流。由于沒有續(xù)流元件，所以存儲在點火線圈鐵心中的磁場能量在高壓側感應出30~50kV的高電壓。

汽車電子點火裝置使用的點火控制器、霍爾傳感器及點火總成磁鐵點火總成霍爾式接近開關

當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關動作?；魻柦咏_關一般還配一塊釹鐵硼磁鐵?；魻柺浇咏_關

用霍爾IC也能完成接近開關的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強的閉合磁場。

在右圖中，當磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑?jīng)驅動電路使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用?；魻柺浇咏_關用于轉速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關型霍爾ICT霍爾電流傳感器

將被測電流的導線穿過霍爾電流傳