自動檢測技術(shù)及應(yīng)用霍爾傳感器及應(yīng)用

2023/9/21霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。屬半導(dǎo)體磁敏傳感器。1879年，美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。但真正得到應(yīng)用是隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展開始的?；诨魻栃?yīng)的霍爾傳感器是將被測量（如電流、磁場、位移、壓力、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電動勢輸出。2023/9/22§7.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)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)。一、霍爾效應(yīng)2023/9/23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方向的端面之間產(chǎn)生霍爾電勢。cdab2023/9/24二、霍爾效應(yīng)的工作原理

作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度B越強(qiáng)，輸入電流越大，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軪H可用下式表示：EH=KHIB

(KH稱為霍爾元件的靈敏度）2023/9/25磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢

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，實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

，這時的霍爾電勢為

EH=KHIBcos

結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果Ｉ和Ｂ的方向同時改變時霍爾電動勢極性不變。

因此霍爾傳感器可用來探測磁場和電流，由此還可測量壓力、震動等。2023/9/26

KH稱為霍爾元件靈敏度，它表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度B和單位控制電流I之下的霍爾電勢的大小。一般均要求KH越大越好，KH與組件材料的性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)。由于半導(dǎo)體（特別是Ｎ型半導(dǎo)體）的霍爾常數(shù)要比金屬的大得多，所以在實際應(yīng)用中，一般都采用N型半導(dǎo)體材料做霍爾元件。2023/9/27三、霍爾元件的結(jié)構(gòu)

在長邊的兩個端面上焊有兩根控制電流端引線（圖中1，1′），在元件短邊的中間以點的形式焊有兩根霍爾電壓輸出端引線（圖中2，2′）。要求焊接處接觸電阻很小，并呈純電阻，即歐姆接觸（無PN結(jié)）。

2023/9/28

霍爾元件結(jié)構(gòu)很簡單，由霍爾片、四根引線和殼體組成。霍爾片一般是矩形半導(dǎo)體單晶薄片，國產(chǎn)霍爾片的尺寸一般為4mm×2mm×0.1mm。近年來采用外延及離子注入工藝或采用濺射工藝制造的產(chǎn)品，尺寸小，性能好，并且生產(chǎn)成本低。2023/9/29一、霍爾元件的主要特性參數(shù)

１）輸入電阻Ｒi：霍爾元件兩控制電流端的直流電阻。２）輸出電阻Ｒo：兩個霍爾電動勢輸出端之間的電阻。３）靈敏度ＫＨ：指元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下所產(chǎn)生的霍爾電動勢。４）不等位電動勢Ｕo：在額定控制電流作用下，無外加磁場時，兩霍爾輸出端之間的開路電壓。５）不等位電阻ro：不等位電動勢與額定控制電流之比?！?.2

霍爾元件的特性參數(shù)及其誤差

2023/9/2106）額定控制電流Ic：額定控制電流是使霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10℃溫升的控制電流。大小與霍爾芯片的尺寸有關(guān)：尺寸越小，Ic越小。7）寄生直流電勢vg：在不加外磁場時，交流控制電流通過霍爾元件而在霍爾電極之間產(chǎn)生的直流電勢。8）霍爾電動勢溫度系數(shù)α：霍爾電動勢變化的百分?jǐn)?shù)稱為霍爾電動勢溫度系數(shù)。9）電阻溫度系數(shù)β：電阻溫度系數(shù)β為溫度每變化1℃霍爾元件材料的電阻變化率。2023/9/211二、霍爾元件的誤差１）零位誤差不等位電動勢寄生直流電動勢感應(yīng)零電動勢自激場零電動勢２）溫度誤差注意：不等位電動勢是霍爾零位誤差中最主要的一種。2023/9/212一、霍爾元件的符號及常用電路

國產(chǎn)器件常用H代表霍爾元件，后面的字母代表元件的材料，數(shù)字代表產(chǎn)品的序號。如HZ-1元件，說明是用鍺材料制成的霍爾元件；HT-1元件，說明是用銻化銦材料制成的元件。§7.3

霍爾集成電路霍爾元件的符號2023/9/2132023/9/214

在磁場與控制電流的作用下，負(fù)載上就有電壓輸出。建立霍爾效應(yīng)的所需的時間很短（約10-12～10-14s）,因此控制電流用交流時，控制電流的頻率也可以很高。１、基本電路

RL可以是一般電阻，也可以是放大器的輸入電阻或指示器內(nèi)阻控制電流由電源Ｅ供給，其大小可以通過調(diào)節(jié)電阻Ｒ來實現(xiàn)2023/9/215２、恒流工作電路

在恒流工作條件下，沒有霍爾元件輸入電阻和磁阻效應(yīng)的影響。

溫度變化引起霍爾元件的輸入電阻變化，從而使控制電流發(fā)生變化帶來誤差，為了減少這種誤差，常采用恒流源供電。2023/9/216３、恒壓工作電路

恒壓工作比恒流工作的性能要差些，只適用于精度要求不太高的地方。2023/9/217４、差分放大電路霍爾元件的輸出電壓一般較小，需要用放大電路放大其輸出電壓。為了獲得較好的放大效果，需采用差分放大電路。一個運放的放大電路2023/9/218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，而采用上圖所示的電路，則不存在這個問題。三個運放的放大電路2023/9/219二、霍爾集成電路隨著集成技術(shù)的發(fā)展，用集成電路把霍爾元件和相關(guān)的信號處理部件集成在一個單片上制成單片集成霍爾元件。按輸出信號的類型，霍爾集成電路可分為

線性型和開關(guān)型兩大類。2023/9/2201、霍爾線性傳感器

霍爾線形傳感器的輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍爾元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場時,霍爾元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化關(guān)系的霍爾電壓,經(jīng)放大器放大后輸出?；魻柧€性傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種。2023/9/221UGN-3501T

單端輸出的傳感器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。

2023/9/222較典型的線性型三端霍爾器件UGN-3501

線性型三端霍爾集成電路2023/9/223

雙端輸出線性集成電路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(jìn)行補(bǔ)償。

UGN-3501M

2023/9/2242、霍爾開關(guān)集成傳感器

它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)形式輸出。

它主要由穩(wěn)壓電源、霍爾組件、放大器、整形電路、輸出電路五部分組成。2023/9/225

當(dāng)放大后的UO電壓大于施密特觸發(fā)器“開啟”閾值電壓時，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，輸出低電平，使V截止，這種狀態(tài)我們稱為關(guān)狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)框圖2023/9/226

從工作曲線上看，工作特性有一定的磁滯，這對開關(guān)動作的可靠性是非常有利的。圖中的BOP為工作點“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)外加磁感應(yīng)強(qiáng)度高于BOp時，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當(dāng)外加磁感應(yīng)強(qiáng)度低于BRP時，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。工作特性曲線2023/9/227§7.4

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。2023/9/228一、霍爾壓力傳感器

敏感元件彈簧片一端固定，另一端安裝著霍爾元件。當(dāng)輸入壓力增加時，彈簧伸長，使處于恒定梯度磁場中的霍爾元件產(chǎn)生相應(yīng)的位移，從霍爾元件輸出的電壓的大小即可反映出壓力的大小。2023/9/229二、霍爾電流傳感器

在磁芯上開一氣隙，內(nèi)置一個霍爾線性器件，器件通電后，便可由它輸出的霍爾電壓得出導(dǎo)線中流通電流的大小。2023/9/230霍爾電流傳感器演示鐵心線性霍爾IC

EH=KHIB

II2023/9/2311）直接測量式霍爾電流傳感器

由霍爾輸出電壓的數(shù)值直接得出被測電流值。在這種應(yīng)用中，霍爾器件是磁場檢測器，它檢測的是磁芯氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。電流增大后，磁芯可能達(dá)到飽和；隨著頻率升高，磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗等也會隨之升高。這些都會對測量精度產(chǎn)生影響。2023/9/2322023/9/2332）零磁通式（磁平衡式）

將霍爾器件的輸出電流放大后，通過補(bǔ)償線圈，并令補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場和被測電流產(chǎn)生的磁場方向相反，若滿足條件ION1=ISN2，則磁芯中的磁通為0，這時下式成立:當(dāng)達(dá)到磁平衡時，即可由IS及匝數(shù)比N2/N1得到IO。2023/9/234三、霍爾傳感器用于角度檢測

將霍爾元件置于永久磁鐵的磁場中。其霍爾元件的輸出與角度成正比，即2023/9/235四、霍爾開關(guān)按鍵

霍爾電路用磁體作為觸發(fā)媒介，當(dāng)磁體接近霍爾電路時，霍爾電路產(chǎn)生一個電信號，當(dāng)磁體離開時電信號消失，霍爾按鍵就是按照這個原理來工作的。霍爾開關(guān)按鍵開關(guān)是一個無觸點的按鍵開關(guān)。

2023/9/236五、霍爾無刷電機(jī)

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。2023/9/2372023/9/238

霍爾式無刷電動機(jī)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