第7章霍爾傳感器原理及其應用課件

第7章霍爾傳感器原理及其應用7.1概述7.2霍爾傳感器的測量電路和誤差分析7.3霍爾傳感器的應用電路第7章霍爾傳感器原理及其應用7.1概述1

7.1概述霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。1879年美國物理學霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應，但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，開始用半導體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應顯著而得到應用和發(fā)展?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃獙⒈粶y量（如電流、磁場、位移、壓力、壓差、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。雖然它的轉(zhuǎn)換率較低、溫度影響大、要求轉(zhuǎn)換精度較高時必須進行溫度補償，但霍爾式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、堅固、頻率響應寬（從直流到微波）、動態(tài)范圍（輸出電動勢的變化）大、非接觸、使用壽命長、可靠性高、易于微型化和集成化。因此在測量技術(shù)、自動化技術(shù)和信息處理得到了廣泛的應用。7.1概述霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。187927.1.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)霍爾元件的外形如圖7-1（a）所示，它是由霍爾片、4根引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導體單晶薄片（一般為），在它的長度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，稱為控制電流端引線，通常用紅色導線。其焊接處稱為控制電流極（或稱激勵電流），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)特性）。在薄片的另兩側(cè)端面的中間以點的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導線。其焊接處稱為霍爾電極，要求歐姆接觸，且電極寬度與基片長度之比小于0.1，否則影響輸出?；魻栐臍んw上是用非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。

7.1.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)37.1.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)霍爾元件的外形如圖7-1（a）所示，圖7-1（b）為霍爾元件結(jié)構(gòu)示意圖，圖7-1（c）是霍爾元件符號。目前，最常用的霍爾元件材料是鍺（Ge）、硅（Si）、銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）和不同比例亞砷酸銦和磷酸銦組成的In型固熔體等半導體材料。20世紀80年代末出現(xiàn)了一種新型霍爾元件——超晶格結(jié)構(gòu)（砷化鋁/砷化稼）的霍爾器件，它可以用來測的微磁場?？梢哉f，超晶格霍爾元件是霍爾元件的一個質(zhì)的飛躍。圖7-1霍爾元件7.1.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)圖7-1霍爾元件47.1.2霍爾傳感器的命名方法

國產(chǎn)霍爾元件型號命名的方法，如圖7-2所示。

7.1.2霍爾傳感器的命名方法57.1.3霍爾傳感器的工作原理

半導體薄片置于磁場中，當它的電流方向與磁場方向不一致時，半導體薄片上平行于電流和磁場方向的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應，該電動勢稱霍爾電勢，半導體薄片稱霍爾元件。如圖7-3所示，在垂直于外磁場B的方向上放置半導體薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場方向上將產(chǎn)生霍爾電勢。作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高。

圖7-3霍爾效應原理圖7.1.3霍爾傳感器的工作原理圖7-3霍爾效應原理圖67.1.3霍爾傳感器的工作原理霍爾電勢可用下式表示：——霍爾器件的靈敏度，它表示霍爾器件在單位磁感應強度和單位激勵電流作用下霍爾電勢的大小。

7.1.3霍爾傳感器的工作原理77.1.4霍爾傳感器的特性參數(shù)

由式（7-1）看出，當磁場和環(huán)境溫度一定時，霍爾元件輸出的霍爾電勢與控制電流I成正比。同樣，當控制電流和環(huán)境溫度一定時，霍爾元件的輸出電勢與磁感應強度B的乘積成正比。用上述的一些線性關(guān)系可以制作多種類型的傳感器。但是，只有磁感應強度小于0.5T時，上述的線性關(guān)系才較好。

霍爾元件的主要特性參數(shù)如下

1．額定控制電流與最大控制電流2．輸入電阻和輸出電阻3.乘積靈敏度4.不等位電勢和不等位電阻7.1.4霍爾傳感器的特性參數(shù)87.2霍爾傳感器的測量電路和誤差分析7.2.1霍爾傳感器的測量電路霍爾元件的基本測量電路如圖7-4所示。控制電流I由電壓源E供給，R是調(diào)節(jié)電阻，用以根據(jù)要求改變I的大小。所施加的外電場B一般與霍爾元件的平面垂直?？刂齐娏饕部梢允墙涣麟姟?/p>

圖7-4霍爾元件的基本測量電路7.2霍爾傳感器的測量電路和誤差分析7.2.1霍爾傳感器的97.2.2霍爾傳感器的誤差分析霍爾元件對溫度的變化很敏感，因此，霍爾元件的輸入電阻、輸出電阻、乘積靈敏度等將受到溫度變化的影響，從而給測量帶來較大的誤差。為了減少測量中的溫度誤差，除了選用溫度系數(shù)小的霍爾元件或采取一些恒溫措施外，也可使用以下的溫度補償方法。（1）恒流源供電恒流源溫度補償電路，如圖7-5所示。圖7-5恒流源溫度補償電路7.2.2霍爾傳感器的誤差分析圖7-5恒流源溫度補償電路10（2）采用熱敏元件對于由溫度系數(shù)較大的半導體材料制成的霍爾元件，采用圖7-6所示的溫度補償電路，圖中是熱敏元件（熱電阻或熱敏電阻）。圖7-6（a）是在輸入回路進行溫度補償?shù)碾娐?；圖7-6（b）則是在輸出回路進行溫度補償?shù)碾娐?。在安裝測量電路時，熱敏元件最好和霍爾元件封裝在一起或盡量靠近，以使二者的溫度變化一致。(a)在輸入回路進行補償；(b)在輸出回路進行補償圖7-6采用熱敏元件的溫度補償電路（2）采用熱敏元件(a)在輸入回路進行補償；11（3）不等位電勢的補償

不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超過霍爾電勢。實用中，若想消除不等位電勢是極其困難的，因而只有采用補償?shù)姆椒?。由圖7-7看出，不等位電勢由不等位電阻產(chǎn)生，因此可以用分析電阻的方法找到一個不等位電勢的補償方法。圖7-7霍爾元件的等效電路（3）不等位電勢的補償圖7-7霍爾元件的等效電路12（3）不等位電勢的補償

一個矩形霍爾片有兩對電極，各個相鄰電極之間有4個電阻，因而可以把霍爾元件視為一個4臂電阻電橋，如圖7-8所示

，這樣不等位電勢就相當于電橋的初始不平衡輸出電壓。理想情況下，不等位電勢為零，即電橋平衡，相當于，則所有能夠使電橋達到平衡的方法均可用于補償不等位電勢，使不等位電勢為零。圖7-8電勢的補償電路（3）不等位電勢的補償圖7-8電勢的補償電路13（1）基本補償電路霍爾元件的不等位電勢補償電路有很多形式，圖7-9為兩種常見電路，圖7-9（a）是在造成電橋不平衡的電阻值較大的一個橋臂上并聯(lián)，通過調(diào)節(jié)使電橋達到平衡狀態(tài)，稱為不對稱補償電路；圖7-9（b）則相當于在兩個電橋臂上并聯(lián)調(diào)用電阻，稱為對稱補償電路。(a)不對稱補償；(b)對稱電路圖7-9不對稱電勢的基本補償電路（1）基本補償電路(a)不對稱補償；14（2）具有溫度補償?shù)难a償電路圖7-10是一種常見的具有溫度補償?shù)牟坏任浑妱菅a償電路。其中一個橋為熱敏電阻，并且與霍爾元件的等效電路的溫度特性相同。在磁感應強度B為零時調(diào)節(jié)和，使補償電壓抵消霍爾元件，此時輸出不等位電勢，從而使B=0時的總輸出電壓為零。圖7-10不等位電勢的橋式補償電路（2）具有溫度補償?shù)难a償電路圖7-10不等位電勢的橋式補償15

7.3霍爾傳感器的應用電路霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、頻帶寬、動態(tài)性能好和壽命長等許多優(yōu)點，因而得到廣泛應用。在電磁測量中，用它測量恒定的或交變的磁感應強度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數(shù)；在自動檢測系統(tǒng)中，多用于位移、壓力的測量。7.3霍爾傳感器的應用電路霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重16

7.3霍爾傳感器的應用電路1.霍爾接近開關(guān)霍爾接近開關(guān)電路如圖7-11所示。它是一個無接觸磁控開關(guān)，當磁鐵靠近時，開關(guān)接通；當磁鐵離開后，開關(guān)斷開。圖7-12為常見霍爾接近開關(guān)的實物圖。圖7-11霍爾接近開關(guān)

7.3霍爾傳感器的應用電路1.霍爾接近開關(guān)圖7-11霍爾171.霍爾接近開關(guān)圖7-12常見霍爾接近開關(guān)實物圖1.霍爾接近開關(guān)圖7-12常見霍爾接近開關(guān)實物圖182.霍爾式壓力傳感器霍爾元件組成的壓力傳感器基本包括兩部分：一部分是彈性元件，如彈簧管或膜盒等，用它感受壓力，并把它轉(zhuǎn)換成位移量；另一部分是霍爾元件和磁路系統(tǒng)。圖7-13所示為霍爾式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，彈性元件是彈簧管，當被測壓力發(fā)生變化時，彈簧管端部發(fā)生位移，帶動霍爾片在均勻梯度磁場中移動，作用在霍爾片的磁場發(fā)生變化，輸出的霍爾電勢隨之改變。圖7-13霍爾式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖2.霍爾式壓力傳感器圖7-13霍爾式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖193.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾元件圖7-14是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁場通過時產(chǎn)生一個相應的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數(shù)，便可知道被測轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目就可確定傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。圖7-14霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器3.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器圖7-14霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器204.電動機停轉(zhuǎn)報警器

電動機停轉(zhuǎn)報警電路如圖7-15所示，該電路主要由霍爾檢測、報警電路兩個部分組成。當電動機轉(zhuǎn)動時，安裝在電動機轉(zhuǎn)軸上的磁鐵以一定的頻率經(jīng)過霍爾傳感器，霍爾傳感器不斷地輸出脈沖信號，使揚聲器發(fā)出聲音。

圖7-15電動機停轉(zhuǎn)報警電路4.電動機停轉(zhuǎn)報警器圖7-15電動機停轉(zhuǎn)報警電路21

5.霍爾式汽車無觸點點火裝置傳統(tǒng)的機電汽缸點火裝置使用機械式的分電器，存在著點火時間不準確、觸點易磨損等缺點。采用霍爾開關(guān)無觸點晶體管點火裝置可以克服上述缺點，提高燃燒效率。四汽缸汽車點火裝置如圖7-16所示，圖中的磁輪鼓代替了傳統(tǒng)的凸輪及白金觸點。圖7-16霍爾點火裝置示意圖5.霍爾式汽車無觸點點火裝置圖7-16霍爾點火裝置示意圖22

5.霍爾式汽車無觸點點火裝置傳統(tǒng)的機電汽缸點火裝置使用機械式的分電器，存在著點火時間不準確、觸點易磨損等缺點。采用霍爾開關(guān)無觸點晶體管點火裝置可以克服上述缺點，提高燃燒效率。四汽缸汽車點火裝置如圖7-16所示，圖中的磁輪