[自然科學(xué)]霍爾元件及其應(yīng)用

1、霍爾元件及其應(yīng)用hall sensing components & devices and its application 摘 要 : 霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器,已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應(yīng)用。本文簡(jiǎn)要介紹其 工作原理， 產(chǎn)品特性及其典型應(yīng)用。 1 引言 霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。霍爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)。 霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1mhz），耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 霍爾線性器件的精度高、線性度好；

2、霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)m級(jí)）。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)55150。 按照霍爾器件的功能可將它們分為: 霍爾線性器件 和 霍爾開關(guān)器件 。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。 按被檢測(cè)的對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為:直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來作被檢測(cè)的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測(cè)和控制。

3、 2 霍爾效應(yīng)和霍爾元件 2.1 霍爾效應(yīng) 如圖1所示，在一塊通電的半導(dǎo)體薄片上，加上和片子表面垂直的磁場(chǎng)b，在薄片的橫向兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓，如圖1中的vh，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，是由科學(xué)家愛德文霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。vh稱為霍爾電壓。（a）霍爾效應(yīng)和霍爾元件 這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因?yàn)橥姲雽?dǎo)體片中的載流子在磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下，分別向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個(gè)電場(chǎng)，稱作霍爾電場(chǎng)?；魻栯妶?chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場(chǎng)力和洛侖茲力相等。這時(shí)，片子兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電壓，這就是霍爾電壓。 在片子上作四個(gè)電極，其中c1、c2間通以工作電流i，c1、

4、c2稱為電流電極，c3、c4間取出霍爾電壓vh，c3、c4稱為敏感電極。將各個(gè)電極焊上引線，并將片子用塑料封裝起來，就形成了一個(gè)完整的霍爾元件（又稱霍爾片）。 在上述（1）、（2）、（3）式中vh是霍爾電壓，是用來制作霍爾元件的材料的電阻率，n是材料的電子遷移率，rh是霍爾系數(shù)，l、w、t分別是霍爾元件的長(zhǎng)、寬和厚度，f(i/w)是幾何修正因子，是由元件的幾何形狀和尺寸決定的，i是工作電流，v是兩電流電極間的電壓，p是元件耗散的功率。由(1)(3)式可見，在霍爾元件中，、rh、n決定于元件所用的材料，i、w、t和f(i/w)決定于元件的設(shè)計(jì)和工藝，霍爾元件一旦制成，這些參數(shù)均為常數(shù)。因此，式(

5、1)(3)就代表了霍爾元件的三種工作方式所得的結(jié)果。(1)式表示電流驅(qū)動(dòng)，(2)式表示電壓驅(qū)動(dòng)，(3)式可用來評(píng)估霍爾片能承受的最大功率。 為了精確地測(cè)量磁場(chǎng),常用恒流源供電,令工作電流恒定,因而,被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度b可用霍爾電壓來量度。 在一些精密的測(cè)量?jī)x表中，還采用恒溫箱，將霍爾元件置于其中，令rh保持恒定。 若使用環(huán)境的溫度變化，常采用恒壓驅(qū)動(dòng)，因和rh比較起來，n隨溫度的變化比較平緩，因而vh受溫度變化的影響較小。 為獲得盡可能高的輸出霍爾電壓vh，可加大工作電流，同時(shí)元件的功耗也將增加。(3)式表達(dá)了vh能達(dá)到的極限元件能承受的最大功耗。 2.2 霍爾器件 霍爾器件分為: 霍爾元件

6、 和 霍爾集成電路 兩大類，前者是一個(gè)簡(jiǎn)單的霍爾片，使用時(shí)常常需要將獲得的霍爾電壓進(jìn)行放大。后者將霍爾片和它的信號(hào)處理電路集成在同一個(gè)芯片上。 2.2.1 霍爾元件 霍爾元件可用多種半導(dǎo)體材料制作，如ge、si、insb、gaas、inas、inasp以及多層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)量子阱材料等等。 insb和gaas霍爾元件輸出特性見圖1(a)、圖1(b). （a）霍爾效應(yīng)和霍爾元件 （b）insb霍爾元件的輸出特性 (c)gaas霍爾元件的輸出特性 圖1 霍爾元件的結(jié)構(gòu)和輸出特性 這些霍爾元件大量用于直流無刷電機(jī)和測(cè)磁儀表。 2.2.2 霍爾電路 2.2.2.1 霍爾線性電路 它由霍爾元件、差分放大

7、器和射極跟隨器組成。其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強(qiáng)度b成比例，它的功能框圖和輸出特性示于圖2和圖3。 這類電路有很高的靈敏度和優(yōu)良的線性度，適用于各種磁場(chǎng)檢測(cè)?；魻柧€性電路的性能參數(shù)見表3。圖2 霍爾線性電路的功能框圖 圖3 霍爾線性電路ugn3501的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線 型號(hào) vcc/v 線性范圍/mt 工作溫度/ 靈敏度s/mv/mt 靜態(tài)輸出電壓vo/v min typ max min typ max ugn3501 812 100 2085 3.5 7.0 2.5 3.6 5.0 ugn3503 4.56 90 2085 7.5 13.5 30.0 2.25 2.5 2.75 型號(hào)

8、iout/ma ro/k icc/ma 乘積靈敏度v/a0.1t 輸出形式 引腳排列 外形結(jié)構(gòu) typ max 1 2 3 4 ugn3501 4.0 0.1 10 20 射極輸出 vcc 地 輸出 ci/p ugn3503 0.05 9.0 14 射極輸出 vcc 地 輸出 ci/p 表3 線性霍爾電路的特性參數(shù) 2.2.2.2 霍爾開關(guān)電路 霍爾開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成。在外磁場(chǎng)的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過導(dǎo)通閾值bop時(shí)，霍爾電路輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。之后，b再增加，仍保持導(dǎo)通態(tài)。若外加磁場(chǎng)的b值降低到brp時(shí)，輸出管截止，輸出高電

9、平。我們稱bop為工作點(diǎn)，brp為釋放點(diǎn)，bopbrp=bh稱為回差?；夭畹拇嬖谑归_關(guān)電路的抗干擾能力增強(qiáng)?；魻栭_關(guān)電路的功能框見圖4。圖4(a)表示集電極開路(oc)輸出，(b)表示雙輸出。它們的輸出特性見圖5，圖5(a)表示普通霍爾開關(guān)，(b)表示鎖定型霍爾開關(guān)的輸出特性。 (a) 單oc輸出 (b)雙oc輸出 圖4 霍爾開關(guān)電路的功能框圖 (a)開關(guān)型輸出特性 (b)鎖定型輸出特性 圖5 霍爾開關(guān)電路的輸出特性 一般規(guī)定，當(dāng)外加磁場(chǎng)的南極(s極)接近霍爾電路外殼上打有標(biāo)志的一面時(shí)，作用到霍爾電路上的磁場(chǎng)方向?yàn)檎睒O接近標(biāo)志面時(shí)為負(fù)。 鎖定型霍爾開關(guān)電路的特點(diǎn)是：當(dāng)外加場(chǎng)b正向增加，達(dá)到

10、bop時(shí)，電路導(dǎo)通，之后無論b增加或減小，甚至將b除去，電路都保持導(dǎo)通態(tài)，只有達(dá)到負(fù)向的brp時(shí)，才改變?yōu)榻刂箲B(tài)，因而稱為鎖定型?；魻栭_關(guān)電路的性能參數(shù)見表4。 表4 霍爾開關(guān)電路的特性參數(shù) 型號(hào) vcc/v bop/mt brp/mt bh/mt icc/ma io/ma vo/sat ioff/a 備注 cs1018 4.818 1420 2014 6 12 5 0.4 10 cs1028 4.524 2830 3028 2 9 25 0.4 10 cs2018 4.020 1020 2010 6 30 300 0.6 10 互補(bǔ)輸出 cs302 3.524 06 60 6 9 5 0.4

11、 10 ugn3119 4.524 16.550 12.545 5 9 25 0.4 10 a3144 4.524 735 533 2 9 25 0.4 10 ugn3140 4.524 720 518 2 9 25 0.4 10 a3121 4.524 1335 830 5 9 20 0.4 10 ugn3175 4.524 125 2510 2 8 50 0.4 10 鎖定 2.2.2.3 差動(dòng)霍爾電路(雙霍爾電路) 它的霍爾電壓發(fā)生器由一對(duì)相距2.5mm的霍爾元件組成，其功能框圖見圖6。圖6 差動(dòng)霍爾電路的工作原理圖 使用時(shí)在電路背面放置一塊永久磁體，當(dāng)用鐵磁材料制成的齒輪從電路附近轉(zhuǎn)過

12、時(shí)，一對(duì)霍爾片上產(chǎn)生的霍爾電壓相位相反，經(jīng)差分放大后，使器件靈敏度大為提高。用這種電路制成的 汽車齒輪傳感器 具有極優(yōu)的性能。 2.2.2.4 其它霍爾電路 除上述各種霍爾元件外，目前還出現(xiàn)了許多特殊功能的霍爾電路，如功率霍爾電路，多重雙線霍爾傳感器電路，二維、三維霍爾集成電路等待。 3.1 應(yīng)用的一般問題 3.1.1 測(cè)量磁場(chǎng) 使用霍爾器件檢測(cè)磁場(chǎng)的方法極為簡(jiǎn)單，將霍爾器件作成各種形式的探頭，放在被測(cè)磁場(chǎng)中，因霍爾器件只對(duì)垂直于霍爾片的表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，因而必須令磁力線和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來計(jì)算被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。

13、而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到場(chǎng)的分布狀態(tài)，并可對(duì)狹縫，小孔中的磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)。 3.1.2 工作磁體的設(shè)置 用磁場(chǎng)作為被傳感物體的運(yùn)動(dòng)和位置信息載體時(shí)，一般采用永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場(chǎng)。例如，用一個(gè)542.5（mm3）的釹鐵硼號(hào)磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約2300高斯的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在空氣隙中，磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)隨距離增加而迅速下降。為保證霍爾器件，尤其是霍爾開關(guān)器件的可靠工作，在應(yīng)用中要考慮有效工作氣隙的長(zhǎng)度。在計(jì)算總有效工作氣隙時(shí)，應(yīng)從霍爾片表面算起。在封裝好的霍爾電路中，霍爾片的深度在產(chǎn)品手冊(cè)中會(huì)給出。 因?yàn)榛魻柶骷枰ぷ麟娫矗谧鬟\(yùn)動(dòng)或位置傳感

14、時(shí)，一般令磁體隨被檢測(cè)物體運(yùn)動(dòng)，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去檢測(cè)工作磁場(chǎng)，再從檢測(cè)結(jié)果中提取被檢信息。 工作磁體和霍爾器件間的運(yùn)動(dòng)方式有：(a)對(duì)移；(b)側(cè)移；(c)旋轉(zhuǎn)；(d)遮斷。如圖7所示，圖中的teag即為總有效工作氣隙。圖7 霍爾器件和工作磁體間的運(yùn)動(dòng)方式在遮斷方式中，工作磁體和霍爾器件以適當(dāng)?shù)拈g隙相對(duì)固定，用一軟磁（例如軟鐵）翼片作為運(yùn)動(dòng)工作部件，當(dāng)翼片進(jìn)入間隙時(shí)，作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷，以此來調(diào)節(jié)工作磁場(chǎng)。被傳感的運(yùn)動(dòng)信息加在翼片上。這種方法的檢測(cè)精度很高，在125的溫度范圍內(nèi)，翼片的位置重復(fù)精度可達(dá)50m。 也可將工作磁體固定在霍爾器件背面（外

15、殼上沒打標(biāo)志的一面），讓被檢的鐵磁物體（例如鋼齒輪）從它們近旁通過，檢測(cè)出物體上的特殊標(biāo)志（如齒、凸緣、缺口等），得出物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 3.1.3 與外電路的接口 霍爾開關(guān)電路的輸出級(jí)一般是一個(gè)集電極開路的npn晶體管，其使用規(guī)則和任何一種相似的npn開關(guān)管相同。輸出管截止時(shí)，輸漏電流很小，一般只有幾na，可以忽略，輸出電壓和其電源電壓相近，但電源電壓最高不得超過輸出管的擊穿電壓（即規(guī)范表中規(guī)定的極限電壓）。輸出管導(dǎo)通時(shí)，它的輸出端和線路的公共端短路。因此，必須外接一個(gè)電阻器（即負(fù)載電阻器）來限制流過管子的電流，使它不超過最大允許值（一般為20ma），以免損壞輸出管。輸出電流較大時(shí)，管子的飽和

16、壓降也會(huì)隨之增大，使用者應(yīng)當(dāng)特別注意，僅這個(gè)電壓和你要控制的電路的截止電壓（或邏輯“零”）是兼容的。 以與發(fā)光二極管的接口為例，對(duì)負(fù)載電阻器的選擇作一估計(jì)。若在io為20ma（霍爾電路輸出管允許吸入的最大電流），發(fā)光二極管的正向壓降vled=1.4v，當(dāng)電源電壓vcc=12v時(shí)，所需的負(fù)載電阻器的阻值 和這個(gè)阻值最接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻為560，因此，可取560的電阻器作為負(fù)載電阻器。 用圖9表示簡(jiǎn)化了的霍爾開關(guān)電路，圖10表示與各種電路的接口：（a）與ttl電路；(b)與cmos電路；(c)與led；(d)與晶閘管。 圖9 簡(jiǎn)化的霍爾開關(guān)示意圖圖10 霍爾開關(guān)與電路接口舉例 與這些電路接口時(shí)所需的負(fù)

17、載電阻器阻值的估算方法，和式（4）的方法相同。 若受控的電路所需的電流大于20ma，可在霍爾開關(guān)電路與被控電路間接入電流放大器。 霍爾器件的開關(guān)所需的電流大于20ma，可在霍爾開關(guān)電路與被電路間接入電流放大器。 霍爾器件的開關(guān)作用非常迅速，典型的上升時(shí)間和下降時(shí)間在400ns范圍內(nèi)，優(yōu)于任何機(jī)械開關(guān)。 3.2 應(yīng)用實(shí)例 下面我們將舉出一些應(yīng)用實(shí)例。這些例子僅是該類應(yīng)用中的一種，用同樣的原理和方法，使用者可根據(jù)自己的使用需要，設(shè)計(jì)出自己的應(yīng)用裝置。 3.2.1檢測(cè)磁場(chǎng) 用霍爾線性器件作探頭，測(cè)量106t10t的交變和恒定磁場(chǎng)，已有許多商品儀器。這里，僅介紹一種用經(jīng)過校準(zhǔn)的ugn3503或a351

18、5型霍爾線性電路來檢測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的簡(jiǎn)便方法。電路出廠時(shí)，工廠可提供每塊電路的校準(zhǔn)曲線和靈敏度系數(shù)。測(cè)量時(shí)，將電路第一腳（面對(duì)標(biāo)志面從左到右數(shù)）接電源，第二腳接地，第三腳接高輸入阻抗（10k）電壓表，通電后，將電路放入被測(cè)磁場(chǎng)中，讓磁力線垂直于電路表面，讀出電壓表的數(shù)值，即可從校準(zhǔn)曲線上查得相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。使用前，將器件通電一分鐘，使之達(dá)到穩(wěn)定。 用靈敏度系數(shù)計(jì)算被測(cè)磁場(chǎng)的b值時(shí)，可用 b=vout(b)vout(o)1000/s 式中，vout(b)=加上被測(cè)磁場(chǎng)時(shí)的電壓讀數(shù)，單位為v，vout(o)=未加被測(cè)磁場(chǎng)時(shí)的電壓讀數(shù)，單位為v，s=靈敏度系數(shù)，單位為mv/g(高斯)，b=被

19、測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為g。 3.2.2 檢測(cè)鐵磁物體 在霍爾線性電路背面偏置一個(gè)永磁體，如圖11所示。圖11（a）表示檢測(cè)鐵磁物體的缺口，圖11（b）表示檢測(cè)齒輪的齒。它們的電路接法見圖12，(a)為檢測(cè)齒輪，(b)為檢測(cè)缺口。用這種方法可以檢測(cè)齒輪的轉(zhuǎn)速。 圖10 霍爾開關(guān)與電路接口舉例 與這些電路接口時(shí)所需的負(fù)載電阻器阻值的估算方法，和式（4）的方法相同。 若受控的電路所需的電流大于20ma，可在霍爾開關(guān)電路與被控電路間接入電流放大器。 霍爾器件的開關(guān)所需的電流大于20ma，可在霍爾開關(guān)電路與被電路間接入電流放大器。 霍爾器件的開關(guān)作用非常迅速，典型的上升時(shí)間和下降時(shí)間在400ns范圍

20、內(nèi)，優(yōu)于任何機(jī)械開關(guān)。 3.2 應(yīng)用實(shí)例 下面我們將舉出一些應(yīng)用實(shí)例。這些例子僅是該類應(yīng)用中的一種，用同樣的原理和方法，使用者可根據(jù)自己的使用需要，設(shè)計(jì)出自己的應(yīng)用裝置。 3.2.1檢測(cè)磁場(chǎng) 用霍爾線性器件作探頭，測(cè)量106t10t的交變和恒定磁場(chǎng)，已有許多商品儀器。這里，僅介紹一種用經(jīng)過校準(zhǔn)的ugn3503或a3515型霍爾線性電路來檢測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的簡(jiǎn)便方法。電路出廠時(shí)，工廠可提供每塊電路的校準(zhǔn)曲線和靈敏度系數(shù)。測(cè)量時(shí)，將電路第一腳（面對(duì)標(biāo)志面從左到右數(shù)）接電源，第二腳接地，第三腳接高輸入阻抗（10k）電壓表，通電后，將電路放入被測(cè)磁場(chǎng)中，讓磁力線垂直于電路表面，讀出電壓表的數(shù)值，即可

21、從校準(zhǔn)曲線上查得相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。使用前，將器件通電一分鐘，使之達(dá)到穩(wěn)定。 用靈敏度系數(shù)計(jì)算被測(cè)磁場(chǎng)的b值時(shí)，可用 b=vout(b)vout(o)1000/s 式中，vout(b)=加上被測(cè)磁場(chǎng)時(shí)的電壓讀數(shù)，單位為v，vout(o)=未加被測(cè)磁場(chǎng)時(shí)的電壓讀數(shù)，單位為v，s=靈敏度系數(shù)，單位為mv/g(高斯)，b=被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為g。 3.2.2 檢測(cè)鐵磁物體 在霍爾線性電路背面偏置一個(gè)永磁體，如圖11所示。圖11（a）表示檢測(cè)鐵磁物體的缺口，圖11（b）表示檢測(cè)齒輪的齒。它們的電路接法見圖12，(a)為檢測(cè)齒輪，(b)為檢測(cè)缺口。用這種方法可以檢測(cè)齒輪的轉(zhuǎn)速。 圖11 用霍爾線

22、性電路檢測(cè)鐵磁物體 圖12 用霍爾線性電路檢測(cè)齒口的線路 3.2.3 用在直流無刷電機(jī)中 直流無刷電機(jī)使用永磁轉(zhuǎn)子，在定子的適當(dāng)位置放置所需數(shù)量的霍爾器件，它們的輸出和相應(yīng)的定子繞組的供電電路相連。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾器件附近時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)令已通電的霍爾器件輸出一個(gè)電壓使定子繞組供電電路導(dǎo)通，給相應(yīng)的定子繞組供電，產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)極性相同的磁場(chǎng)，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。到下一位置，前一位置的霍爾器件停止工作，下位的霍爾器件導(dǎo)通，使下一繞組通電，產(chǎn)生推斥場(chǎng)使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。如此循環(huán)，維持電機(jī)的工作。其工作原理示于圖13。 在這里，霍爾器件起位置傳感器的作用，檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置，它的輸出使定子繞組供電電路通斷

23、，又起開關(guān)作用，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極離去時(shí)，令上一個(gè)霍爾器件停止工作，下一個(gè)器件開始工作，使轉(zhuǎn)子磁極總是面對(duì)推斥磁場(chǎng)，霍爾器件又起定子電流的換向作用。 無刷電機(jī)中的霍爾器件，既可使用霍爾元件，也可使用霍爾開關(guān)電路。使用霍爾元件時(shí)，一般要外接放大電路，如圖14所示，使用霍爾開關(guān)電路，可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組，使線路大為簡(jiǎn)化，如圖15所示。 圖13 霍爾元件在無刷電機(jī)中的工作 （其中的hg為霍爾元件） 圖14 采用霍爾元件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 （圖中的h為霍爾元件） 圖15 用cs2018霍爾開關(guān)鎖定電路直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的線路示意圖 （圖中的線圈為電機(jī)定子繞組）鐵磁材料受到磁場(chǎng)激勵(lì)時(shí)，因其導(dǎo)磁率高，磁阻小，磁力線都集中在材

24、料內(nèi)部。若材料均勻，磁力線分布也均勻。如果材料中有缺陷，如小孔、裂紋等，在缺陷處，磁力線會(huì)發(fā)生彎曲，使局部磁場(chǎng)發(fā)生畸變。用霍爾探頭檢出這種畸變，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可辨別出缺陷的位置，性質(zhì)（孔或裂紋）和大?。ㄈ缟疃?、寬度等），圖16示出兩種用于無損探傷的探頭結(jié)構(gòu)。(b)檢測(cè)線材用 (a)檢測(cè)板材用 圖16 用于無損探傷的兩種霍爾探頭 3.2.4 無損探傷 霍爾無損探傷已在炮膛探傷、管道探傷，海用纜繩探傷，船體探傷以及材料檢驗(yàn)等方面得到廣泛應(yīng)用。 3.2.5 磁記錄信息讀出 用霍爾元件制成的磁讀頭，如圖17所示，將寫頭和讀頭裝在同一外殼里，采用長(zhǎng)1mm，寬0.2mm,厚1.4m的insb霍爾元件，其信

25、噪比比普通磁頭高3db5db,由于寫頭和讀頭間的間距很小，僅2.6mm，故可用一讀頭去監(jiān)視幾分之一秒之前錄頭錄下的信息。 圖17 霍爾磁頭 霍爾讀頭的輸出僅由記錄信息的磁感應(yīng)強(qiáng)度來決定，即使頻率到零，輸出仍然恒定，且因讀頭無電感，故可獲得優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)。它的靈敏度隨溫度的變化也很小，約為0.01db/。采用適當(dāng)?shù)那爸梅糯箅娐?，可?50范圍內(nèi)保持0.5db。 由于霍爾磁讀頭具備這些優(yōu)點(diǎn)，因而在計(jì)算機(jī)中得到很重要的應(yīng)用。特別在高密度垂直記錄的磁盤的信息讀出中，更能顯示其優(yōu)越性。專家預(yù)言，今后十年，霍爾讀頭很可能會(huì)占去磁阻頭的部分市場(chǎng)。 3.2.6 霍爾接近傳感器和接近開關(guān) 在霍爾器件背后偏置一塊

26、永久磁體，并將它們和相應(yīng)的處理電路裝在一個(gè)殼體內(nèi)，做成一個(gè)探頭，將霍爾器件的輸入引線和處理電路的輸出引線用電纜連接起來，構(gòu)成如圖18所示的接近傳感器。它們的功能框見圖19。(a)為霍爾線性接近傳感器，(b)為霍爾接近開關(guān)。 圖18 霍爾接近傳感器的外形圖 a)霍爾線性接近傳感器 (b)霍爾接近開關(guān) 圖19 霍爾接近傳感器的功能框圖 霍爾線性接近傳感器主要用于黑色金屬的自控計(jì)數(shù)，黑色金屬的厚度檢測(cè)、距離檢測(cè)、齒輪數(shù)齒、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、測(cè)速調(diào)速、缺口傳感、張力檢測(cè)、棉條均勻檢測(cè)、電磁量檢測(cè)、角度檢測(cè)等。 霍爾接近開關(guān)主要用于各種自動(dòng)控制裝置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自動(dòng)計(jì)數(shù)、各種計(jì)數(shù)、各種流程

27、的自動(dòng)銜接、液位控制、轉(zhuǎn)速檢測(cè)等等。3.2.7霍爾翼片開關(guān) 霍爾翼片開關(guān)就是利用遮斷工作方式的一種產(chǎn)品，它的外形如圖20所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理示于圖21。 圖20 霍爾翼片開關(guān)的外形圖 圖21 霍爾翼片開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖 翼片未進(jìn)入工作氣隙時(shí)，霍爾開關(guān)電路處于導(dǎo)通態(tài)。翼片進(jìn)入后，遮斷磁力線，使開關(guān)變成截止態(tài)，它的狀態(tài)轉(zhuǎn)變的位置非常精確，在125的溫度范圍內(nèi)位置重復(fù)精度可達(dá)50nm。將齒輪形翼片和軸相連，用在汽車點(diǎn)火器中作為點(diǎn)火開關(guān)，可得到準(zhǔn)確的點(diǎn)火時(shí)間，使汽缸中的汽油充分燃燒，既可節(jié)約燃料，又能降低車輛排放的尾氣的污染，已在桑塔那，克萊斯勒等許多名車中使用。將它們用在工業(yè)自動(dòng)控

28、制系統(tǒng)中，可作為轉(zhuǎn)速傳感器、位置開關(guān)、限位開關(guān)、軸編碼器、碼盤掃描器等。 3.2.8 霍爾齒輪傳感器 用2.2.2.3中介紹的差動(dòng)霍爾電路制成的霍爾齒輪傳感器，如圖22所示,新一代的霍爾齒輪轉(zhuǎn)速傳感器，廣泛用于新一代的汽車智能發(fā)動(dòng)機(jī)，作為點(diǎn)火定時(shí)用的速度傳感器，用于abs（汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)）作為車速傳感器等。 在abs中，速度傳感器是十分重要的部件。abs的工作原理示意圖如圖23所示。圖中，1是車速齒輪傳感器；2是壓力調(diào)節(jié)器；3是控制器。在制動(dòng)過程中，控制器3不斷接收來自車速齒輪傳感器1和車輪轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)并進(jìn)行處理，得到車輛的滑移率和減速信號(hào)，按其控制邏輯及時(shí)準(zhǔn)確地向制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器2

29、發(fā)出指令，調(diào)節(jié)器及時(shí)準(zhǔn)確地作出響應(yīng)，使制動(dòng)氣室執(zhí)行充氣、保持或放氣指令，調(diào)節(jié)制動(dòng)器的制動(dòng)壓力，以防止車輪抱死，達(dá)到抗側(cè)滑、甩尾，提高制動(dòng)安全及制動(dòng)過程中的可駕馭性。在這個(gè)系統(tǒng)中，霍爾傳感器作為車輪轉(zhuǎn)速傳感器，是制動(dòng)過程中的實(shí)時(shí)速度采集器，是abs中的關(guān)鍵部件之一。 在汽車的新一代智能發(fā)動(dòng)機(jī)中，用霍爾齒輪傳感器來檢測(cè)曲軸位置和活塞在汽缸中的運(yùn)動(dòng)速度，以提供更準(zhǔn)確的點(diǎn)火時(shí)間，其作用是別的速度傳感器難以代替的，它具有如下許多新的優(yōu)點(diǎn)。 （1）相位精度高，可滿足0.4曲軸角的要求，不需采用相位補(bǔ)償。 （2）可滿足0.05度曲軸角的熄火檢測(cè)要求。 （3）輸出為矩形波，幅度與車輛轉(zhuǎn)速無關(guān)。在電子控制單元中

30、作進(jìn)一步的傳感器信號(hào)調(diào)整時(shí)，會(huì)降低成本。 用齒輪傳感器，除可檢測(cè)轉(zhuǎn)速外，還可測(cè)出角度、角速度、流量、流速、旋轉(zhuǎn)方向等等。 圖22 霍爾速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1.車輪速度傳感器2.壓力調(diào)節(jié)器3.電子控制器 圖23 abs氣制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理示意圖 3.2.9 旋轉(zhuǎn)傳感器 按圖24所示的各種方法設(shè)置磁體，將它們和霍爾開關(guān)電路組合起來可以構(gòu)成各種旋轉(zhuǎn)傳感器?；魻栯娐吠姾?，磁體每經(jīng)過霍爾電路一次，便輸出一個(gè)電壓脈沖。 (a)徑向磁極(b)軸向磁極(c)遮斷式 圖24 旋轉(zhuǎn)傳感器磁體設(shè)置 由此，可對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)物體實(shí)施轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、角度、角速度等物理量的檢測(cè)。在轉(zhuǎn)軸上固定一個(gè)葉輪和磁體，用流體（氣體、液體）去推

31、動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，便可構(gòu)成流速、流量傳感器。在車輪轉(zhuǎn)軸上裝上磁體，在靠近磁體的位置上裝上霍爾開關(guān)電路，可制成車速表，里程表等等，這些應(yīng)用的實(shí)例如圖25所示。 圖25的殼體內(nèi)裝有一個(gè)帶磁體的葉輪，磁體旁裝有霍爾開關(guān)電路，被測(cè)流體從管道一端通入，推動(dòng)葉輪帶動(dòng)與之相連的磁體轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過霍爾器件時(shí)，電路輸出脈沖電壓，由脈沖的數(shù)目，可以得到流體的流速。若知管道的內(nèi)徑，可由流速和管徑求得流量?；魻栯娐酚呻娎|35來供電和輸出。 圖25 霍爾流量計(jì) 由圖26可見，經(jīng)過簡(jiǎn)單的信號(hào)轉(zhuǎn)換，便可得到數(shù)字顯示的車速。 利用鎖定型霍爾電路，不僅可檢測(cè)轉(zhuǎn)速，還可辨別旋轉(zhuǎn)方向，如圖27所示。 曲線1對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)圖（a）,曲線2對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)圖

32、(b)，曲線3對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)圖(c)。 圖26 霍爾車速表的框圖 圖27 利用霍爾開關(guān)鎖定器進(jìn)行方向和轉(zhuǎn)速測(cè)定 3.2.10 霍爾位移傳感器 若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個(gè)均勻梯度磁場(chǎng)中移動(dòng)，它輸出的霍爾電壓vh值只由它在該磁場(chǎng)中的位移量z來決定。圖28示出3種產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的磁系統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位移傳感器的輸出特性曲線，將它們固定在被測(cè)系統(tǒng)上，可構(gòu)成霍爾微位移傳感器。從曲線可見，結(jié)構(gòu)（b）在z2mm時(shí)，vh與z有良好的線性關(guān)系，且分辨力可達(dá)1m，結(jié)構(gòu)（c）的靈敏度高，但工作距離較小。 圖28 幾種產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的磁系統(tǒng)和幾種霍爾位移傳感器的靜態(tài)特性 用霍爾元件測(cè)量位移的優(yōu)點(diǎn)很多：慣

33、性小、頻響快、工作可靠、壽命長(zhǎng)。 以微位移檢測(cè)為基礎(chǔ)，可以構(gòu)成壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、機(jī)械振動(dòng)、加速度、重量、稱重等霍爾傳感器。 32101 霍爾壓力傳感器 霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成，如圖29所示。在圖29中，（a）的彈性元件為膜盒，(b)為彈簧片，(c)為波紋管。磁系統(tǒng)最好用能構(gòu)成均勻梯度磁場(chǎng)的復(fù)合系統(tǒng)，如圖29中的(a)、(b)，也可采用單一磁體，如（c）。加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對(duì)位移，改變作用到霍爾元件上的磁場(chǎng)，從而改變它的輸出電壓vh。由事先校準(zhǔn)的pf(vh)曲線即可得到被測(cè)壓力p的值。 圖29 幾種霍爾壓力傳感器的構(gòu)成原理 3.2.10.2 霍爾

34、應(yīng)力檢測(cè)裝置 圖30示出用來進(jìn)行土壤和砂子與鋼界面上的法向和切向應(yīng)力檢測(cè)的霍爾傳感器裝置。(a)檢測(cè)向切應(yīng)力，(b)檢測(cè)壓應(yīng)力。箭頭所指是施加的外力方向。在圖30(a)中，儀器上用鋼作成上下兩個(gè)塊子，它們之間有兩條較細(xì)的梁支撐，在鋼下塊上置一銷柱，銷上貼兩對(duì)永磁體，形成均勻梯度磁場(chǎng)，在上塊上貼兩個(gè)霍爾傳感器，受剪切力作用后，支撐梁發(fā)生形變，使霍爾傳感器和磁場(chǎng)間發(fā)生位移，使傳感器輸出發(fā)生變化。由霍爾傳感器的輸出可從事先校準(zhǔn)的曲線上查得與該裝置相接的砂或土受到的剪切應(yīng)力。 圖30 霍爾應(yīng)力檢測(cè)裝 置 圖30(b)的磁體固定在受力后產(chǎn)生形變的膜片上，霍爾傳感器固定在一桿上。檢測(cè)原理同上。應(yīng)用檢測(cè)壓應(yīng)

35、力的原理，可構(gòu)成檢測(cè)重量的裝置，稱作霍爾稱重傳感器。 3.2.10.3 霍爾加速度傳感器 圖31示出霍爾加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理和靜態(tài)特性曲線。在盒體的o點(diǎn)上固定均質(zhì)彈簧片s,片s的中部u處裝一慣性塊m，片s的末端b處固定測(cè)量位移的霍爾元件h，h的上下方裝上一對(duì)永磁體，它們同極性相對(duì)安裝。盒體固定在被測(cè)對(duì)象上，當(dāng)它們與被測(cè)對(duì)象一起作垂直向上的加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性塊在慣性力的作用下使霍爾元件h產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)盒體的位移，產(chǎn)生霍爾電壓vh的變化?？蓮膙h與加速度的關(guān)系曲線上求得加速度。 圖31 霍爾加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及其靜態(tài)特性 3.2.10.4 霍爾振動(dòng)傳感器 圖32所示為一種霍爾機(jī)械振動(dòng)傳感器。圖中，1

36、為霍爾元件，固定在非磁性材料的平板2上，平板2緊固在頂桿3上，頂桿3通過觸點(diǎn)4與被測(cè)對(duì)象接觸，隨之做機(jī)械振動(dòng)。元件1置于磁系統(tǒng)6中。當(dāng)觸頭4靠在被測(cè)物體上時(shí)，經(jīng)頂桿3，平板2使霍爾元件在磁場(chǎng)中按被測(cè)物的振動(dòng)頻率振動(dòng)，霍爾元件輸出的霍爾電壓的頻率和幅度反映了被測(cè)物的振動(dòng)規(guī)律。 應(yīng)當(dāng)說明，在現(xiàn)代電子裝置中，上述應(yīng)力、壓力、加速度、振動(dòng)等傳感器所得數(shù)據(jù)，都可經(jīng)微機(jī)進(jìn)行處理后直接顯示出被測(cè)量數(shù)據(jù)或?qū)⒈粶y(cè)量數(shù)據(jù)供各種控制系統(tǒng)使用。 圖32 霍爾機(jī)械振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)原理3.2.10.5霍爾液位傳感器 圖33示出兩種霍爾液位檢測(cè)裝置。圖(a)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，霍爾器件裝在容器外面，永磁體支在浮子上，隨著液位變化，作

37、用到霍爾器件上的磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度改變，從而可測(cè)得液位。圖(b)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。 在圖33(b)中，15是一個(gè)中空的非磁材料的管子，浮子19套在管子15外，可上下滑動(dòng)，在19的上端放著永磁21，霍爾器件及其饋線和一根沖了許多孔的柔性帶在一起，吊在管子15內(nèi)。多孔柔性帶像電影膠片一樣，用絞盤39絞動(dòng)，使之上下移動(dòng)。當(dāng)柔性帶帶著的霍爾器件接近浮子上的磁體21時(shí)，霍爾器件將輸出霍爾電壓，校準(zhǔn)霍爾電壓和浮子位置的關(guān)系，即可由所得的霍爾電壓得到容器中液體的液位。用這種裝置可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)檢測(cè)。 用霍爾液位傳感器檢測(cè)液位時(shí)，因霍爾器件在液體之外，且系無接觸傳感，在檢測(cè)過程中不產(chǎn)生火花，且可

38、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量，因此，可用來檢測(cè)易燃、易爆、有腐蝕性和有毒的液體的液位和容器中的液體存量，在石油、化工、醫(yī)藥、交通運(yùn)輸中有廣泛的用途。盡管目前已有許多不同工作原理的液位計(jì)出現(xiàn)，但對(duì)上述各種危險(xiǎn)液體的液位實(shí)測(cè)表明，霍爾液位傳感器是其中最好的檢測(cè)方法和裝置之一。 3.2.10.6基于位移傳感的霍爾流量計(jì) 圖34給出一種基于位移傳感的霍爾流量計(jì)。葉輪在流體推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，使磁系統(tǒng)產(chǎn)生上下移動(dòng)。流速高則位移量大。用霍爾器件檢出位移而獲得流速和流量。 (a) (b) 圖33霍爾液位傳感器 圖34基于位移傳感的霍爾流量計(jì) 圖35霍爾電流傳感器的構(gòu)成原理 3.2.11實(shí)現(xiàn)電磁電的轉(zhuǎn)換 從所周知,在

39、有電流流過的導(dǎo)線周圍會(huì)感生出磁場(chǎng),該磁場(chǎng)與流過的電流的關(guān)系,可由安培環(huán)路定理求出。 用霍爾器件檢測(cè)由電流感生的磁場(chǎng),即可測(cè)出產(chǎn)生這個(gè)磁場(chǎng)的電流的量值。由此,可以構(gòu)成霍爾電流、電壓傳感器。 因?yàn)榛魻柶骷妮敵鲭妷号c加在它上面的磁感應(yīng)強(qiáng)度以及流過其中的工作電流的乘積成比例，是一個(gè)具有乘法器功能的器件，因而可用它檢測(cè)電功率，構(gòu)成具有各種特殊功能的霍爾功率計(jì)和霍爾電度表。 由輸入的電信號(hào)建立的磁場(chǎng)，經(jīng)霍爾器件的作用，實(shí)現(xiàn)了磁電變換后，又變成電信號(hào)輸出，這一變換實(shí)現(xiàn)了輸入輸出信號(hào)間的電隔離，由此可構(gòu)成隔離放大器、隔離耦合器等許多新型產(chǎn)品。 3.2.11.1霍爾電流傳感器 霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖35所示。用一環(huán)形導(dǎo)磁材料作成磁芯，套在被測(cè)電流流過的導(dǎo)線上，將導(dǎo)線中電流感生的磁場(chǎng)聚集起來，在磁芯上開一氣隙，內(nèi)置一個(gè)霍爾線性器件，器件通電后，便可由它的霍爾輸出電壓得到導(dǎo)線中流通的電流。圖35（a）所示的傳感器用于測(cè)量電流強(qiáng)度較小的電流，圖35(b)所示的傳感器用于檢測(cè)較大的電流。 實(shí)際的霍爾電流傳