霍爾傳感器解析

1、一.霍爾傳感器市場(chǎng)調(diào)研1 .霍爾效應(yīng)在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流/,并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度 為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍 爾電壓。2 .霍爾傳感器霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器。霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng) 的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（18551938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā) 現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金 屬強(qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、 檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面。霍爾效應(yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通 過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料

2、的導(dǎo)電類型、載流子濃 度及教流子遷移率等重要參數(shù)。3 .霍爾傳感器的工作原理霍爾電流傳感器有兩種工作方式，即磁平衡式和直式。霍爾電流傳感器 一般由原邊電路、聚磁環(huán)、霍爾器件、次級(jí)線圈和放大電路等組成。直放式電流傳感器（開環(huán)式）眾所周知，當(dāng)電流通過一根長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生一磁場(chǎng)， 這一磁場(chǎng)的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比，它可以通過磁芯聚集感應(yīng)到霍爾 器件上并使其有一信號(hào)輸出。這一信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器放大后直接輸出，一般 的額定輸出標(biāo)定為4V。磁平衡式電流傳感器（閉環(huán)式）磁平衡式電流傳感器也稱補(bǔ)償式傳感器，即主回路被測(cè)電流Ip在 聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過一個(gè)次級(jí)線圈，電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償， 從

3、而使霍爾器件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。磁平衡式電流傳感器的具體工作過程為：當(dāng)主回路有一電流通過 時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上，所產(chǎn)生的信 號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is。這 一電流再通過多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相 反，因而補(bǔ)償了原來的磁場(chǎng)，使霍爾器件的輸出逐漸減小。當(dāng)與Ip與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，Is不再增加， 這時(shí)的霍爾器件起指示零磁通的作用，此時(shí)可以通過Is來平衡。被測(cè)電流 的任何變化都會(huì)破壞這一平衡。一旦磁場(chǎng)失去平衡，霍爾器件就有信號(hào)輸 出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過次級(jí)繞組以對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行

4、 補(bǔ)償。從磁場(chǎng)失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到1US,這是一個(gè)動(dòng)態(tài) 平衡的過程。4 .霍爾傳感器的分類霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。線性型霍爾 傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。開關(guān)型 霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組 成，它輸出數(shù)字量。5 .霍爾傳感器的特性線性型霍爾傳感器的特性輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如下圖所示，可見，在B1B2 的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí)則呈現(xiàn)飽和開關(guān)型霍爾傳感器的特性如圖所示，其中BOP為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度

5、。當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)BOP時(shí)，傳感器輸出 低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動(dòng)作點(diǎn)BOP以下時(shí);傳感器輸出電平不變，一直 要降到釋放點(diǎn)BRP時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。BOP與BRP之間的 滯后使開關(guān)動(dòng)作更為可靠。匹4 on聽! *0- 11 0 Brr歷ipB另外還有一種“鎖鍵型”（或稱“鎖存型”）開關(guān)型霍爾傳感器，其特 性如圖所示。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)BOP時(shí)，傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑?而在外磁場(chǎng)撤消后，其輸出狀態(tài)保持不變（即鎖存狀態(tài)），必須施加反向磁 感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到BRP時(shí)，才能使電平產(chǎn)生變化。6 .霍爾傳感器的應(yīng)用（一）線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測(cè)量。1 .電流

6、傳感器由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場(chǎng)，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以 利用霍爾傳感器測(cè)量出磁場(chǎng)，從而確定導(dǎo)線中電流的大小。利用這一原理可 以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被 測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流傳感。2 .位移測(cè)量?jī)蓧K永久磁鐵同極性相對(duì)放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其 磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這個(gè)點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn)，當(dāng)霍爾傳感器在Z軸上作4Z 位移時(shí)，傳感器有一個(gè)電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移，便可測(cè)出拉力及壓力的大小，按這 一原理可制成力傳感器。（二）開關(guān)型霍爾傳感器主要用于測(cè)轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流 速、

7、接近開關(guān)、關(guān)門告知器、報(bào)警器、自動(dòng)控制電路等。在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣 處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個(gè)脈沖，從而可測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù)（計(jì)數(shù) 器），若接入頻率計(jì)，便可測(cè)出轉(zhuǎn)速。如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上，當(dāng)裝在運(yùn) 動(dòng)車輛上的永磁體經(jīng)過它時(shí).，可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信 號(hào)的分布可以測(cè)出車輛的運(yùn)動(dòng)速度。7.目前常用的霍爾傳感器型號(hào)隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，將霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓 電源做在一個(gè)芯片上，成為霍爾集成傳感器（乂稱霍爾傳感器），為了應(yīng)用上 的需要，霍爾集成傳感器乂分為線性霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器開

8、關(guān)型霍 爾傳感器乂分為單極霍爾開關(guān)，雙極霍爾開關(guān)和全極霍爾開關(guān)。雙極霍爾傳感器霍爾微電子如：HAL732 177 HAL41F HAL40A HAL512 HAL513 HAL1881 HAL732 AH513 AH413 AH512 AH173 AH175 S41 276 277雙極霍爾開關(guān)用于無觸點(diǎn)開關(guān)，電機(jī)風(fēng)扇，無刷風(fēng)機(jī)單極霍爾傳感器如:HAL系列：HAL3144（即有貼片S0T-23封裝，又有直 插 T0-92UA 封裝），HAL44L, HAL58, HAL202 HAL443A HAL443F, HAL131,HAL130, HAL543 ,HAL3134AH 系列:AH44E A

9、H201 AH44L AH543 AH443單極霍爾元件用于無觸點(diǎn)開關(guān)，汽車點(diǎn)火器，剎車電路，位置、轉(zhuǎn)速檢測(cè) 與控制，安全報(bào)警裝置，紡織控制系統(tǒng)、水流檢測(cè)裝置、電機(jī)測(cè) 速全極性霍爾傳感器霍爾微電子如：HAL148 HAL13S HAL149 4913 W131 用于手機(jī)、水表、相機(jī)、筆記本電腦、手電筒霍爾開關(guān)A1104 A04E A3144為美國ALLEGRO公司產(chǎn)品。二.霍爾位移傳感器被測(cè)物體分別與恒定電流I和恒定磁場(chǎng)B垂直。當(dāng)被測(cè)物體相對(duì)于原來位 置有微小位移變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化的磁通量，會(huì)在導(dǎo)體垂直于磁場(chǎng)和電流的兩 個(gè)端面之間產(chǎn)生電勢(shì)差，即以（霍爾電壓）?；魻栁灰苽鞲衅魇峭ㄟ^研究微小 位移

10、與霍爾電壓的關(guān)系來設(shè)計(jì)的?；魻栐鳛闇y(cè)量系統(tǒng)或自動(dòng)控制系統(tǒng)中的變換元件或計(jì)算元件得到了廣 泛應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體工藝的提高，它們的性能也得以大幅度地改善。高性能的 霍爾元件和高性能的磁性材料為研究高性能的霍爾式傳感器提供了條件?；魻?式位移傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)是輸出變化量大、靈敏度高、分辨力高、質(zhì)量輕、慣 性小、反應(yīng)速度快；霍爾元件的頻響范圍寬，適合作動(dòng)態(tài)位移測(cè)試。雖然霍爾式 位移傳感器的原理成熟，但是國內(nèi)市場(chǎng)上成形的產(chǎn)品和生產(chǎn)廠家較少。下面介紹 1科新型敏感元件硅化錢與高性能稀土永磁材料構(gòu)成的小位移傳感器，同時(shí)設(shè) 計(jì)了以MCS-51微處理器為核心的智能化儀表測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn) 行監(jiān)控測(cè)

11、試、數(shù)據(jù)處理、顯示測(cè)試結(jié)果。L傳感器設(shè)計(jì)置于磁場(chǎng)中的靜止載流體若電流方向與磁場(chǎng)方向垂直，則在載流體的 平行于電流與磁場(chǎng)方向所組成的兩個(gè)側(cè)面產(chǎn)生電勢(shì)：Uh = K h【B（i）式中u一霍爾電勢(shì)，VK一霍爾片的靈敏度，V/A TI-流過載流體的電流，AB-磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T如果保持控制電流I不變，使霍爾元件在一個(gè)均勻梯度的磁場(chǎng)中移動(dòng),則輸 出霍爾電壓耳取決于它在磁場(chǎng)中的位移量X。磁場(chǎng)梯度越大，靈敏度越高，梯度 變化越均勻，霍爾電壓與位移之間的線性度越高，這就是霍爾式位移傳感器的 原理。當(dāng)霍爾元件處于單塊永磁體形成的磁場(chǎng)中，任一工作點(diǎn)都有霍爾電勢(shì)輸 出，這使得傳感器沒有零點(diǎn)，對(duì)測(cè)量來講是很不方便的

12、。采川兩塊永磁體同極性放置構(gòu)成的磁系統(tǒng)既解決了零點(diǎn)問題乂改善了傳感器的線性度?；魻栐?受軸向的磁場(chǎng)變化，沿軸向運(yùn)動(dòng)，這樣可使傳感器獲得較高的靈敏度。2 10 9 0c傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1 .導(dǎo)桿2.調(diào)節(jié)螺絲3.外殼4.磁鐵5.外套6.薄片螺母7.引線&預(yù)緊彈簧9.引線孔10.定位墊片11.霍爾元件12支承彈簧2.傳感器數(shù)學(xué)模型建立建立如下圖所示坐標(biāo)系：首先分析單個(gè)磁鐵II在坐標(biāo)系X' 0, Z'中的情況，根據(jù)安培分子電流學(xué) 說，永久磁鐵可等效為空心螺線管。對(duì)于軸對(duì)稱的圓柱形永磁體，其柱面法向量與磁化強(qiáng)度方向垂直，故有電流密度尸Heb,Hcb為永磁體的矯頑力。根據(jù)畢奧-

13、薩伐定律，螺線管上長(zhǎng)度為dl的微元在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)為：9/9（2）dB -u（）R2 dlu（）R2 dl2（店 + 塔產(chǎn)22Z?2+（x-Z）2372式中 R原線圈半徑，m%一軸線上一點(diǎn)到原線圈的距離，mI流過原線圈的電流，A人真空中磁導(dǎo)率由磁感應(yīng)強(qiáng)度B的計(jì)算圖可知R2 +(X 02 '2 =(/萬)3 , o111 L)11- = ctg/3 , dl R=Rd a ,將積分變量/變換為/，整個(gè)螺線管在在P sin /3點(diǎn)產(chǎn)生的總磁場(chǎng)為:LB = -2 _£"2/?2 + （x-/）2372dl二£ jsjn 13dl32 a= -（COS - COS

14、夕2），Lo J 22K+（Y）2X-V川+（一）經(jīng)坐標(biāo)變換X = a + J + x ,考慮到磁體I在P點(diǎn)的作用有uQJ fx + a + LTR2+(x + a + L)2x + aR1 +(x + a)2x-a R2+(x-a)2(4)這里H>x + a + /,將上式展開成幕級(jí)數(shù)形式，忽略x的高次項(xiàng)，整 理后代入（1）式即霍爾電勢(shì)與位移間的近似關(guān)系。UH=KHI-3L(L + 2a)(1 + 0)415H74心10524R4(L + “)6”6x(5)三.交流激勵(lì)時(shí)霍爾式傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)2 .實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私饨涣骷?lì)時(shí)霍爾式傳感器的特性。3 .實(shí)驗(yàn)原理：根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾電勢(shì)WK

15、IB,當(dāng)霍爾元件處在梯度磁場(chǎng) 中運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的電勢(shì)會(huì)發(fā)生變化，利用這一性質(zhì)可以進(jìn)行位移測(cè)量。4 .需用器件與單元：主機(jī)箱、測(cè)微頭、霍爾傳感器、霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)?板、移相器/相敏檢波器/低通濾波器模板、雙線示波器。5 .實(shí)驗(yàn)步驟：8 .如下圖所示，在實(shí)驗(yàn)板上連接好線路。9 .首先檢查接線無誤后，合上主機(jī)箱總電源開關(guān)，調(diào)節(jié)主機(jī)箱音頻振動(dòng) 器的頻率和幅度旋鈕，用示波器、頻率表監(jiān)測(cè)Lv輸出頻率為lKHz,幅值為 4V的峰一峰值；關(guān)閉主機(jī)箱電源，再將L輸出電壓（lKHz、4V）作為傳感器 的激勵(lì)電壓接入實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯校ㄗ⒁怆妷悍颠^大會(huì)燒壞傳感器）。10 .合上主機(jī)箱電源，調(diào)節(jié)測(cè)微頭使霍爾傳感器的霍爾片處于兩磁鋼中 點(diǎn)，先用示波器觀察使霍爾元件不等位電勢(shì)為最小，然后從數(shù)顯表上觀察， 調(diào)節(jié)電位器Rm、3使顯示為零。1L調(diào)節(jié)測(cè)微頭使霍爾傳感器產(chǎn)生一個(gè)較大位移，利用示波器觀察相敏 檢波器輸出，旋轉(zhuǎn)移相單元電位器Rw和相敏檢波電位器Rw,使示波器顯示 全波整流波形，且數(shù)顯表顯示相對(duì)值。12 .使