第6章霍爾傳感器

:1.壓電式傳感器本節(jié)主要內(nèi)容:1.霍爾傳感器2023/7/71第6章霍爾傳感器

本章主要學(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(cè)技術(shù)中的應(yīng)用，還涉及磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)。

霍爾元件是一種四端元件2023/7/72第一節(jié)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(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdab2023/7/73磁感應(yīng)強(qiáng)度B較大時(shí)的情況

作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高?；魻栯妱?shì)EH可用下式表示：

EH=KHIB2023/7/74霍爾效應(yīng)演示

當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，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(shì)。cdab2023/7/75磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時(shí)，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時(shí)的霍爾電勢(shì)為

EH=KHIBcos

結(jié)論：霍爾電勢(shì)與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，則霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì)。

2023/7/76霍爾元件的主要外特性參數(shù)

最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM

上圖所示霍爾元件的線性范圍是負(fù)的多少高斯至正的多少高斯？線性區(qū)1T=104G2023/7/77霍爾元件的主要外特性參數(shù)（續(xù)）

最大激勵(lì)電流IM:

由于霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)電流。但激勵(lì)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(shì)的溫漂增大，因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。

以下哪一個(gè)激勵(lì)電流的數(shù)值較為妥當(dāng)？5μA0.1mA2mA80mA2023/7/78第二節(jié)霍爾集成電路

霍爾集成電路可分為線性型和開(kāi)關(guān)型兩大類。

線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。

線性型三端霍爾集成電路2023/7/79線性型霍爾特性

右圖示出了具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場(chǎng)為正向（磁鋼的S極對(duì)準(zhǔn)霍爾器件的正面）時(shí)，輸出為正；磁場(chǎng)反向時(shí)，輸出為負(fù)。請(qǐng)畫(huà)出線性范圍2023/7/710開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路

開(kāi)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(mén)（集電極開(kāi)路輸出門(mén)）等電路做在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，OC門(mén)由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖剑划?dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門(mén)重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開(kāi)關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。2023/7/711開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路OC門(mén)

施密特觸發(fā)電路

雙端輸入、單端輸出運(yùn)放霍爾元件.Vcc2023/7/712開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路（OC門(mén)輸出）的接線

請(qǐng)按以下電路，將下一頁(yè)中的有關(guān)元件連接起來(lái).2023/7/713開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路

與繼電器的接線?開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性

回差越大，抗振動(dòng)干擾能力就越強(qiáng)。

當(dāng)磁鐵從遠(yuǎn)到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng)磁鐵從近到遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出再次翻轉(zhuǎn)？回差為多少特斯拉？相當(dāng)于多少高斯（Gs）？2023/7/715第三節(jié)霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、

三個(gè)變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。2023/7/716霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）霍爾元件2023/7/717霍爾高斯計(jì)（特斯拉計(jì)）的使用霍爾元件磁鐵2023/7/718霍爾傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度霍爾元件測(cè)量鐵心氣隙的B值2023/7/719霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤(pán)，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤(pán)。齒盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵2023/7/720霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過(guò)霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。2023/7/721霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車(chē)防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車(chē)在剎車(chē)時(shí)車(chē)輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)檢測(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車(chē)力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾2023/7/722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(chǎng)強(qiáng)度的脈動(dòng)，從而引起霍爾電勢(shì)的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)?；魻栐盆F2023/7/723霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車(chē)電子點(diǎn)火裝置

采用霍爾式無(wú)觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置能較好地克服汽車(chē)合金觸點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)間不準(zhǔn)確、觸點(diǎn)易燒壞、高速時(shí)動(dòng)力不足等缺點(diǎn)。

汽車(chē)點(diǎn)火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭2023/7/724霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車(chē)電子點(diǎn)火裝置工作原理

采用霍爾式無(wú)觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置無(wú)磨損、點(diǎn)火時(shí)間準(zhǔn)確、高速時(shí)動(dòng)力足。桑塔納汽車(chē)霍爾式分電器示意圖

1-觸發(fā)器葉片

2-槽口

3-分電器轉(zhuǎn)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(guān)系c）葉片位置與點(diǎn)火正時(shí)的關(guān)系

2023/7/725霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車(chē)電子點(diǎn)火裝置(續(xù)）

當(dāng)葉片遮擋在霍爾IC面前時(shí)，PNP型霍爾IC的輸出為低電平，晶體管功率開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，點(diǎn)火線圈低壓側(cè)有較大電流通過(guò)，并以磁場(chǎng)能量的形式儲(chǔ)存在點(diǎn)火線圈的鐵心中。

汽車(chē)電子點(diǎn)火電路及波形

1—點(diǎn)火開(kāi)關(guān)2—達(dá)林頓晶體管功率開(kāi)關(guān)3—點(diǎn)火線圈低壓側(cè)4—點(diǎn)火線圈鐵心5—點(diǎn)火線圈高壓側(cè)

6—分火頭

7—火花塞

a）電路

b）霍爾IC及點(diǎn)火線圈高壓側(cè)輸出波形

當(dāng)葉片槽口轉(zhuǎn)到霍爾IC面前時(shí)，霍爾IC輸出跳變?yōu)楦唠娖剑?jīng)反相變?yōu)榈碗娖?，達(dá)林頓管截止，切斷點(diǎn)火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒(méi)有續(xù)流元件，所以存儲(chǔ)在點(diǎn)火線圈鐵心中的磁場(chǎng)能量在高壓側(cè)感應(yīng)出30~50kV的高電壓。

2023/7/726汽車(chē)電子點(diǎn)火裝置使用的點(diǎn)火控制器、霍爾傳感器及點(diǎn)火總成磁鐵點(diǎn)火總成2023/7/727霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置，其輸出信號(hào)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(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無(wú)刷電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問(wèn)題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。普通直流電動(dòng)機(jī)使用的電刷和換向器2023/7/728無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車(chē)上的應(yīng)用電動(dòng)自行車(chē)可充電電池組無(wú)刷電動(dòng)機(jī)2023/7/729電動(dòng)自行車(chē)的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)及控制電路

去速度控制器

利用PWM調(diào)速2023/7/730光驅(qū)用的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)2023/7/731霍爾式接近開(kāi)關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作。霍爾接近開(kāi)關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。2023/7/732霍爾式接近開(kāi)關(guān)

用霍爾IC也能完成接近開(kāi)關(guān)的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測(cè)，并且還需要建立一個(gè)較強(qiáng)的閉合磁場(chǎng)。

在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距霍爾接近開(kāi)關(guān)幾毫米時(shí)，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動(dòng)電路使繼電器吸合或釋放，控制運(yùn)動(dòng)部件停止移動(dòng)（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。2023/7/733霍爾式接近開(kāi)關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開(kāi)關(guān)型霍爾ICT2023/7/734霍爾電流傳感器

將被測(cè)電流的導(dǎo)線穿過(guò)霍爾電流傳感器的檢測(cè)孔。當(dāng)有電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周?chē)鷮a(chǎn)生磁場(chǎng)，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過(guò)霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。2023/7/735霍爾電流傳感器演示鐵心線性霍爾IC

EH=KHIB

I所實(shí)現(xiàn)的多媒體界面：I2023/7/736其他霍爾電流傳感器2023/7/737其他霍爾電流傳感器（續(xù)）2023/7/738霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口2023/7/739霍爾鉗形電流表演示直流200A量程被測(cè)電流的導(dǎo)線未放入鐵心時(shí)示值為零70.9A20