霍爾式傳感器課件

項目五霍爾式傳感器

主要學(xué)習(xí)霍爾傳感器的工作原理、霍爾集成電路的特性及其在檢測技術(shù)中的應(yīng)用，還涉及磁場測量技術(shù)。一、霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

磁感應(yīng)強度B為零時的情況cdab霍爾效應(yīng)演示當(dāng)磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdab式中RH－－霍爾常數(shù)（m3/C）

I－－控制電流（A）B－－磁感應(yīng)強度（B)d－－霍爾元件的厚度（m）霍爾電勢：

霍爾常數(shù)

霍爾電勢與導(dǎo)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。

霍爾常數(shù)大小取決于導(dǎo)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，故金屬材料不宜制作霍爾元件

半導(dǎo)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(dǎo)體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件。結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強度B成正比，且當(dāng)B和I的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢

二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路圖（a）中，從矩形薄片半導(dǎo)體基片上的兩個相互垂直方向側(cè)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。

使用一個運算放大器時，霍爾元件的輸出電阻可能會大于運算放大器的輸入電阻，從而產(chǎn)生誤差，采用下圖所示的電路，則不存在這個問題。三、霍爾元件的主要外特性參數(shù)

最大磁感應(yīng)強度BM

上圖所示霍爾元件的線性范圍是負的多少高斯至正的多少高斯？(1特斯拉＝10000高斯)線性區(qū)最大激勵電流IM:由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大，因此每種型號的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。

以下哪一個激勵電流的數(shù)值較為妥當(dāng)？5μA0.1mA2mA80mA

線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。（1）線性型單端輸出傳感器：三端器件雙端輸出傳感器：8腳雙列直插封裝元件UGN-3501T

是一種塑料扁平封裝的三端元件，它有T、U兩種型號，T型與U型的區(qū)別僅是厚度的不同，T型厚度為2.03mm，U型厚度為1.54mm。

UGN-3501M

雙端輸出線形集成電路UGN-3501M采用8腳封裝。1、8兩腳為輸出，5、6、7三腳之間接一個電位器，對不等位電動勢進行補償。

（2）開關(guān)型

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。當(dāng)外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路OC門施密特觸發(fā)電路雙端輸入、單端輸出運放霍爾元件.Vcc當(dāng)放大后的電壓UO大于施密特觸發(fā)器“開啟”閾值電壓時，施密特整形電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使V導(dǎo)通，這種狀態(tài)我們稱之為開狀態(tài)。當(dāng)磁場減弱時，霍爾元件輸出的UO很小，經(jīng)放大器放大后其值仍然小于施密特整形電路的“關(guān)閉”閾值電壓，施密特整形電路再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，使V截止，這種狀態(tài)稱為關(guān)狀態(tài)。

工作原理：五、霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢是關(guān)于I、B、

三個變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。1.霍爾特斯拉計（高斯計）

霍爾元件高斯計：接受所測物體的電磁波頻率，然后轉(zhuǎn)換成參數(shù)量顯示出來。主要用來測試高電壓環(huán)境電磁波特斯拉計：主要是檢測磁體單位面積磁通量的多少，也就是檢測磁感應(yīng)強度?；魻杺鞲衅饔糜跍y量磁場強度

霍爾元件測量鐵心氣隙的B值2.霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)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(dāng)齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速信號。霍爾元件磁鐵3.霍爾式無刷電動機

霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉(zhuǎn)。由于無刷電動機不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機、CD唱機、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。普通直流電動機使用的電刷和換向器光驅(qū)用的無刷電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)1．由于無電刷，沒有磨損問題，壽命長、可靠性高。2．具有良好的旋轉(zhuǎn)特性，可以取得很寬的轉(zhuǎn)速特性、噪音低、起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2～3倍、穩(wěn)定性好。無刷電動機在電動自行車上的應(yīng)用

電動自行車可充電電池組無刷電動機4.霍爾式接近開關(guān)

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

用霍爾IC也能完成接近開關(guān)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(dāng)磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)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。霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICT5.霍爾電流傳感器將被測電流的導(dǎo)線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓?；魻栯娏鱾鞲衅餮菔捐F心線性霍爾IC

EH=KHIB

II其他霍爾電流傳感器霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口霍爾鉗形電流表演示直流200A量程被測電流的導(dǎo)線未放入鐵心時示值為零70.9A鉗形表的