霍爾效應(yīng)傳感器的基本原理以及應(yīng)用

霍爾效應(yīng)傳感器基本組成及原理

第1頁，共34頁?；魻栃?yīng)傳感器的工作原理及應(yīng)用

霍爾效應(yīng)傳感器是基于霍爾效應(yīng)：當(dāng)一塊導(dǎo)電的平面與磁力線垂直地放置在磁場中，將在平面上產(chǎn)生一個(gè)與電流方向和磁場方向都垂直的電場。如圖1，當(dāng)電流流過一個(gè)半導(dǎo)體平面（霍爾單元），與電流平行的兩個(gè)端面引出兩條導(dǎo)線作為輸出信號(hào)端，此時(shí)，沒有磁場施加在半導(dǎo)體平面，輸出端的電壓為零。深圳市銘之光電子技術(shù)有限公司傳感器專家網(wǎng)http://

第2頁，共34頁。第3頁，共34頁。如果與半導(dǎo)體平面垂直的方向加一個(gè)磁場，如圖2，此時(shí)，有勞倫茨力施加在電流上，使電流分布變形，同時(shí)在輸出端形成了電位差。這個(gè)電位差就稱為霍爾電壓，它的大小與流過的電流I及穿過的磁場強(qiáng)度成正比。第4頁，共34頁。第5頁，共34頁?；魻栯妷号c電流I和磁場強(qiáng)度B的乘積成正比，對(duì)于最常用的硅半導(dǎo)體材料，此比例系數(shù)是7uV/Vs/Gauss，其中,Vs是生成電流I的電壓。從此系數(shù)可以看出，生成的霍爾電壓是非常小的，實(shí)際應(yīng)用中，需要放大器對(duì)此信號(hào)進(jìn)行放大。

硅半導(dǎo)體材料也有壓電效應(yīng)，當(dāng)有機(jī)械變形時(shí)，會(huì)引起其電阻值的變化，這樣，當(dāng)有應(yīng)力引起硅變形時(shí)，必將影響霍爾傳感器的效果，實(shí)際應(yīng)用中，通常使用多個(gè)霍爾單元，來減小機(jī)械變形的影響，如使用兩個(gè)或四個(gè)霍爾單元，第6頁，共34頁。

霍爾單元只是個(gè)基本的磁傳感器，對(duì)多數(shù)應(yīng)用來說，還需要信號(hào)調(diào)理電路，將信號(hào)放大，同時(shí)增加溫度補(bǔ)償，使輸出信號(hào)可以被其他電路或系統(tǒng)使用。同時(shí)如果供電電源沒有穩(wěn)壓，還需要相應(yīng)的電源調(diào)整電路。第7頁，共34頁。第8頁，共34頁。如圖3，這是一個(gè)基本的霍爾傳感器，因?yàn)榛魻栯妷菏桥c磁場強(qiáng)度成比例，而磁場是有方向的，當(dāng)磁場方向變化時(shí)，其生成的霍爾電壓的極性也發(fā)生變化。所以圖中用的是雙電源的差分放大器，它需要正負(fù)兩組電源，使設(shè)計(jì)復(fù)雜，為簡化設(shè)計(jì)，通常給差分放大器加上一定的偏置，從而只需要單電源供電。當(dāng)磁場為0時(shí),差分放大器輸出一定的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)感應(yīng)到正向磁場時(shí)，放大器輸出的電壓高于基準(zhǔn)電壓，當(dāng)感應(yīng)到反向磁場時(shí)，放大器輸出的電壓低于基準(zhǔn)電壓，如圖4是一個(gè)簡單的模擬電壓輸出的霍爾傳感器。第9頁，共34頁。第10頁，共34頁。

對(duì)于模擬電壓輸出的霍爾傳感器，當(dāng)正向磁場強(qiáng)度越大，輸出的電壓越高，當(dāng)輸出電壓達(dá)到電源電壓的限制時(shí)，輸出電壓不在隨正向磁場強(qiáng)度的增大而增大，此時(shí)，電路達(dá)到飽和。同樣，當(dāng)反向磁場強(qiáng)度越大時(shí)，輸出的電壓越低，當(dāng)輸出電壓達(dá)到電源地的限制時(shí)，輸出電壓不再隨反向磁場強(qiáng)度的增大而減小。

為了增加傳感器接口的靈活性，滿足更多應(yīng)用的要求，在差分放大器的輸出端通常會(huì)加上射極開路電路、集電極開路電路、或推挽式放大電路等。第11頁，共34頁。數(shù)字式輸出霍爾傳感器

在某些應(yīng)用中，我們只需要高或低電平，或者只需開或關(guān)的狀態(tài)，這時(shí)，可以在傳感器的差分放大器輸出端加上一級(jí)施密特觸發(fā)電路，如圖5所示,當(dāng)磁場高于某個(gè)值時(shí)，霍爾傳感器輸出為高電平，而當(dāng)磁場強(qiáng)度下降到另一個(gè)值時(shí)，霍爾傳感器輸出變?yōu)榈碗娖健Ｉ钲谑秀懼怆娮蛹夹g(shù)有限公司傳感器專家網(wǎng)http://第12頁，共34頁。第13頁，共34頁?；魻栃?yīng)傳感器因其非接觸測量、沒有運(yùn)動(dòng)部件、使用溫度范圍寬、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛，如用于感應(yīng)電流的變化，則是電流傳感器，用于感應(yīng)磁場的變化，則可以做成位置傳感器、接近開關(guān)、速度傳感器、磁傳感器等。第14頁，共34頁?；魻栐窘Y(jié)構(gòu)由霍爾片、引線和殼體組成,如圖所示?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)引線。1、1′兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極?；魻栐んw由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號(hào)表示。第15頁，共34頁。第16頁，共34頁。基本電路RW調(diào)節(jié)控制電流的大小。RL為負(fù)載電阻，可以是放大器的內(nèi)阻或指示器內(nèi)阻。霍爾效應(yīng)建立的時(shí)間極短（10-12～10-14S），I即可以是直流，也可以是交流。若被測物理量是I、B或者IB乘積的函數(shù)，通過測量霍爾電勢(shì)UH就可知道被測量的大小。第17頁，共34頁。深圳市銘之光電子技術(shù)有限公司傳感器專家網(wǎng)http://第18頁，共34頁。霍爾集成電路的外形結(jié)構(gòu)與霍爾元件完全不同，其引出線形式由電路功能決定，根據(jù)內(nèi)部測量電路和霍爾元件工作條件的不同，分為線性和開關(guān)型兩種。1、線性型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。線性霍爾集成電路的特點(diǎn)是輸出電壓與外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B呈線性關(guān)系，較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。第19頁，共34頁。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(gè)芯片上。第20頁，共34頁。

霍爾傳感器的潛在應(yīng)用：速度和轉(zhuǎn)數(shù)（RPM）感應(yīng)、電機(jī)/風(fēng)扇控制、磁性編碼、磁盤速度、磁帶、流速感應(yīng)、傳送帶、點(diǎn)火裝置、運(yùn)動(dòng)控制/檢測、功率/位置檢測、磁碼閱讀、振動(dòng)感應(yīng)、以及重量感應(yīng)和位置感應(yīng)等。第21頁，共34頁?；魻杺鞲衅髟跓o刷直流電機(jī)中的應(yīng)用

直流電機(jī)中轉(zhuǎn)矩是通過永磁體磁場和繞組中的電流相互作用產(chǎn)生的，在有刷電機(jī)中，換向器通過切換電樞繞組實(shí)現(xiàn)電樞電流的換向與合適的磁場。而無刷直流電機(jī)中，霍爾位置傳感器探測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的位置，通過邏輯與驅(qū)動(dòng)電路，給相應(yīng)的繞組激勵(lì)?？偟恼f來，繞組根據(jù)電機(jī)永磁體的磁場作出反應(yīng)，從而產(chǎn)生需要的轉(zhuǎn)矩。如圖1是一種三相8極（四對(duì)磁極）無刷直流電機(jī)基本組成：第22頁，共34頁。第23頁，共34頁?；魻杺鞲衅鞯倪x型，需根據(jù)安裝要求（即轉(zhuǎn)子磁場方向）與霍爾傳感器的感應(yīng)方向，進(jìn)行合理選擇?；裟犴f爾SS30、SS31x/SS41x以及SS36x/SS46x系列霍爾效應(yīng)傳感器能夠?yàn)闊o刷直流電機(jī)提供所需的精確電機(jī)轉(zhuǎn)軸位置數(shù)據(jù)。這些系列產(chǎn)品包括雙極型或雙極鎖存型霍爾傳感器，它們?cè)谡麄€(gè)溫度范圍內(nèi)的正（南極）工作點(diǎn)和負(fù)（北極）釋放點(diǎn)幾乎是磁性對(duì)稱的，例如，若霍爾傳感器的工作點(diǎn)磁性強(qiáng)度為正90高斯，那么它的釋放點(diǎn)大約為負(fù)90高斯。第24頁，共34頁。于要求可靠、精確、經(jīng)濟(jì)的無刷直流電機(jī)換向應(yīng)用來說，下面列出的霍尼韋爾雙極或雙極鎖存型霍爾效應(yīng)集成電路將會(huì)是一個(gè)極佳的選擇：SS311PT/SS411P，SOT-23(SS3)表面貼裝封裝或帶引線的TO-92扁平式(SS4)封裝的低成本雙極霍爾效應(yīng)數(shù)字位置傳感器。SS30AT，SOT-23(SS3)表面貼裝封裝的增強(qiáng)型雙極霍爾效應(yīng)數(shù)字位置傳感器。第25頁，共34頁。SS361NT/SS361ST/SS461S，SOT-23(SS3)表面貼裝封裝或帶引線的TO-92扁平式(SS4)封裝的高靈敏度雙極鎖存型霍爾效應(yīng)數(shù)字位置傳感器。

SS360PT/SS460P，SOT-23(SS3)表面貼裝封裝或帶引線的TO-92扁平式(SS4)封裝的高靈敏度雙極鎖存型霍爾效應(yīng)數(shù)字位置傳感器。第26頁，共34頁?；魻栃?yīng)傳感器在汽車上的應(yīng)用隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車的電子化程度也越來越高。良好汽車控制系統(tǒng)能改善車輪和地面之間的附著狀況，進(jìn)而改善汽車的安全性、動(dòng)力性和舒適性。傳感器是電子技術(shù)中的核心器件，是一種進(jìn)行信號(hào)變換的裝置，它的作用是把被測的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)變成為電量信號(hào)，是促進(jìn)汽車技術(shù)全面發(fā)展的關(guān)鍵器件。在汽車底盤電子控制系統(tǒng)中，控制工作是離不開傳感器的。速度傳感器在汽車控制系統(tǒng)中起著主要作用。第27頁，共34頁。第28頁，共34頁。SS461C霍爾效應(yīng)傳感器應(yīng)用：應(yīng)用于速度傳感器用來檢測汽車或者卡車曲軸的旋轉(zhuǎn)情況客戶要求較高的靈敏度，SS461C霍爾效應(yīng)傳感器，可滿足客戶需求，SS461C霍爾效應(yīng)傳感器數(shù)字式電流沉輸出，可提供高輸出電流和高速響應(yīng)能力第29頁，共34頁?；魻杺鞲衅鲬?yīng)用于流量計(jì)第30頁，共34頁?；魻柧€性傳感器可用于流量計(jì)制作，當(dāng)通過腔體的流速增加時(shí)，彈簧連著的翼推動(dòng)一個(gè)螺旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而提升磁鋼引起傳感器的輸出變化。當(dāng)流速減少時(shí)，卷彈簧引起組件下降，減少了傳感器的輸出。磁鋼及螺桿組件用來提供流速測量的線性測量。第31頁，共34頁?；魻杺鞲衅髟跈C(jī)車測速中的應(yīng)用測速裝置在機(jī)車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位，對(duì)側(cè)速裝置的要求是分辨能力強(qiáng)、高精度和盡可能短的檢測時(shí)間。介紹了應(yīng)用霍爾傳感器通過測量磁場強(qiáng)度，來得到穩(wěn)定的脈沖方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車轉(zhuǎn)速的測量。

霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器，它具有靈敏度高，線性度好，穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點(diǎn)，在機(jī)車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位。對(duì)測速裝置的要求是分辨能力強(qiáng)、高精度和盡可能短的檢測時(shí)間。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測方案可分成兩類：用測速發(fā)電機(jī)檢測或用脈沖發(fā)生器檢測。深圳市銘之光電子技術(shù)有限公司傳感器專家網(wǎng)http://第32頁，共34頁。測速發(fā)電機(jī)的工作原理是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，它運(yùn)行可靠，但體積大，精度低，且由于測量值是模擬量，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后讀入計(jì)算機(jī)。脈沖發(fā)生器的工作原理是按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高低，每轉(zhuǎn)發(fā)出相應(yīng)數(shù)目的脈沖信號(hào)。按要求選擇或設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生器，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能檢測。

所設(shè)計(jì)的基于霍爾元件的脈沖發(fā)生器要求成本低，構(gòu)造簡單，性能好。在機(jī)車電氣系統(tǒng)中存在著較為惡劣的電磁環(huán)境，因此要求產(chǎn)品本身要具有較強(qiáng)的抗干擾能力。第33頁，共34頁。內(nèi)容梗概霍爾效應(yīng)傳感器基本組成及原理。從此系數(shù)可以看出，生成的霍爾電壓是非常小的，實(shí)際應(yīng)用中，需要放大器對(duì)此信號(hào)進(jìn)行放大。硅半導(dǎo)體材料也有壓電效應(yīng)，當(dāng)有機(jī)械變形時(shí)，會(huì)引起其電阻值的變化，這樣，當(dāng)有應(yīng)力引起硅變形時(shí)，必將影響霍爾傳感器的效果，實(shí)際應(yīng)用中，通常使用多個(gè)霍爾單元，來減小機(jī)械變形的影響，如使用兩個(gè)或四個(gè)霍爾單元，。如圖3，這是一個(gè)基本的霍爾傳感器，因?yàn)榛魻栯妷菏桥c磁場強(qiáng)度成比例，而磁場是有方向的，當(dāng)磁場方向變化時(shí)，其生成的霍爾電壓的極性也發(fā)生變化。總的說來，繞組根據(jù)電機(jī)永磁體的磁場作出反應(yīng)，從而產(chǎn)生需要的轉(zhuǎn)矩?；魻杺鞲衅鞯倪x型，需根據(jù)安裝要求（即轉(zhuǎn)