第7章 霍爾傳感器課件

2024/2/29第五章電動勢傳感器1第7章霍爾傳感器

7.1霍爾元件工作原理7.2霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)和主要特性參數(shù)

7.3霍爾元件的測量電路及補償7.4應(yīng)用第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器

霍爾傳感器也是一種磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場的獨特能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬(從直流到微波)、動態(tài)范圍大(輸出電勢變化范圍可達(dá)1000:1)、壽命長等特點，因此獲得了廣泛應(yīng)用。例如，在測量技術(shù)中用于將位移、力、加速度等量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器；在計算技術(shù)中用于作加、減、乘、除、開方、乘方以及微積分等運算的運算器等。第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器3霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。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),但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件,由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。霍爾傳感器廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。霍爾元件是一種四端元件7.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器4

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為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)。磁感應(yīng)強度B為零時的情況cdab第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器5磁感應(yīng)強度B較大時的情況作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軪H可用下式表示：EH=KHIB/d第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器霍爾效應(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方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdab第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器一、工作原理及結(jié)構(gòu)

1.工作原理電子在磁場中受洛倫茲力作用（左手定則）：e:電子電荷;v:電子運動平均速度;B:磁場的磁感應(yīng)強度電子除了沿電流反方向作定向運動外,還在Fl的作用下向上漂移,結(jié)果使金屬導(dǎo)電板上底面積累電子,而下底面積累正電荷,從而形成了附加內(nèi)電場EH,稱霍爾電場。第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器8霍爾電場的出現(xiàn),使定向運動的電子除了受洛侖磁力作用外,還受到霍爾電場的作用力，此力阻止電荷繼續(xù)積累：EH為電場強度；UH為電位差;l為元件寬度隨著上、下底面積累電荷的增加,霍爾電場增加,電子受到的電場力也增加,當(dāng)電子所受洛侖磁力與霍爾電場作用力大小相等、方向相反時,即第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器9霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應(yīng)強度，與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)；式中kH=1/ned稱為霍爾片的靈敏度。表示在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流時的霍爾電勢的大小；d－薄片厚度n－電子濃度第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器10?霍爾元件的材料選擇kH與n、e、d成反比，若要霍爾效應(yīng)強,則kH值大。靈敏度kH與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度,霍爾元件常制成薄片形狀。薄膜霍爾元件厚度只有1μm左右。一般金屬材料載流子遷移率很高；而絕緣材料載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有：鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。kH=1/ned第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器117.2霍爾元件基本結(jié)構(gòu)和主要特性參數(shù)

由霍爾片、引線和殼體組成,如圖所示。霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個引線。1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；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表示。7.2.1霍爾元件基本結(jié)構(gòu)第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器127.2.2主要特性參數(shù)

1．輸入電阻Ri和輸出電阻Ro

霍爾元件兩激勵電流端的直流電阻稱為輸入電阻Ri，兩個霍爾電勢輸出端之間的電阻稱為輸出電阻Ro。

Ri，Ro是純電阻，可用直流電橋或歐姆表直接測量；并隨溫度改變而改變，一般為幾歐姆到幾百歐姆。

2．額定激勵電流I和最大激勵電流IM

霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10℃的溫升時所施加的激勵電流值稱為額定電流I。每種型號的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵電流，它的數(shù)值從幾毫安到幾十毫安。

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3．乘積靈敏度KH

KH=UH/I.B，mV/mA.T，反映了霍爾元件本身所具有的磁電轉(zhuǎn)換能力，一般希望它越大越好。表示在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流時的霍爾電動勢的大小。

4．不等位電勢UM

在額定激勵電流下，當(dāng)外加磁場為零時，即當(dāng)而B=0時，UH=0；但由于4個電極的幾何尺寸不對稱，引起了且B=0時，為此引入UM來表征霍爾元件輸出端之間的開路電壓，即不等位電勢。

5．霍爾電勢溫度系數(shù)a

在一定磁感應(yīng)強度和激勵電流的作用下，溫度每變化1℃時霍爾電勢變化的百分?jǐn)?shù)稱為霍爾電勢溫度系數(shù)a。它與霍爾元件的材料有關(guān)，一般約為0.1%/℃左右,在要求較高的場合,應(yīng)選擇低溫漂的霍爾元件.

第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器147.3霍爾元件的測量電路及補償

7.3.1、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UH就可知道被測量的大小。第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器7.3.2溫度誤差的補償霍爾元件屬于半導(dǎo)體材料，對溫度比較敏感，溫度的變化對霍爾元件的輸入/輸出電阻，以及霍爾電勢有明顯的影響。

圖7.4內(nèi)阻與溫度關(guān)系曲線銻化銦材料對溫度最敏感，溫度系數(shù)最大，低溫更明顯，負(fù)溫度系數(shù)。其次是硅材料。再次是鍺材料砷化銦的溫度系數(shù)最小，溫度特性最好。第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器

圖7.5輸出電勢與溫度關(guān)系曲線銻化銦輸出電勢對溫度變化敏感最顯著，是負(fù)溫度系數(shù)銻化銦材料比鍺材料受溫度變化影響大，但它們都有一個轉(zhuǎn)折點，到了轉(zhuǎn)折點從正溫度系數(shù)轉(zhuǎn)變成負(fù)溫度系數(shù)。轉(zhuǎn)折點的溫度就是霍爾元件的上限工作溫度，考慮到元件工作時的溫升，其上限溫度應(yīng)適當(dāng)降低一些。硅材料的霍爾元件的溫度電勢特性較好。第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器17圖7.4內(nèi)阻與溫度關(guān)系曲線

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圖7.5輸出電勢與溫度關(guān)系曲線第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器19霍爾元件的溫度補償可以采用如下幾種方法：1．恒流源補償法溫度的變化會引起內(nèi)阻的變化，而內(nèi)阻的變化又使激勵電流發(fā)生變化以致影響到霍爾電勢的輸出，采用恒流源可以補償這種影響，其電路如圖7.6所示。第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器

圖7.6恒流源補償電路第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器212．選擇合理的負(fù)載電阻進(jìn)行補償圖7.3霍爾元件的基本測量電路可知:當(dāng)溫度為T時UL：

UL=UH.RL/(RL+R0)

當(dāng)溫度變化,由T-----T+ΔT時,電壓UL為:UL+ΔUL=UH.(1+α.ΔT).RL/(RL+R0(1+Βδt))當(dāng)UL=UL+ΔUL時:第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器22

RL=R0（β-

α

）/α

RL為負(fù)載電阻

α為霍爾電勢的溫度系數(shù)

β為霍爾元件輸出電阻的溫度系數(shù)

Ro為霍爾元件的輸出電阻對一個確定的霍爾元件，可查表得到a、b和Ro

值，再求得RL

值，這樣就可在輸出回路實現(xiàn)對溫度誤差的補償了。

第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器233．利用霍爾元件輸入回路的串聯(lián)電阻或并聯(lián)電阻進(jìn)行補償?shù)姆椒?/p>

圖7.7串聯(lián)輸入電阻補償原理圖7.8并聯(lián)輸入電阻補償原理

第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器244．熱敏電阻補償法。

第七章霍爾傳感器在使用熱敏電阻進(jìn)行溫度補償時，要求熱敏電阻和霍爾元件封裝在一起，或者使兩者之間的位置靠得很近，這樣才能使補償效果顯著

圖7.9熱敏電阻溫度補償電路

2024/2/29第五章電動勢傳感器257.3.3不等位電勢的補償

在無磁場的情況下，當(dāng)霍爾元件通過一定的控制電流I時，在兩輸出端產(chǎn)生的電壓稱為不等位電勢，用UM表示。采用橋式補償電路，可以在霍爾元件的整個工作溫度范圍內(nèi)對不等位電勢進(jìn)行良好的補償，并且對不等位電勢的恒定部分和變化部分的補償可相互獨立地進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以可達(dá)到相當(dāng)高的補償精度。

第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器26圖7.10不等位電勢的橋式補償電路第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器277.4、霍爾集成電路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.線性型線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。線性霍爾集成電路的特點是輸出電壓與外加磁感應(yīng)強度B呈線性關(guān)系，較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。線性型三端霍爾集成電路第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器28圖7.11線性霍爾集成電路P122圖7.12線性霍爾集成電路輸出特性

第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器292.開關(guān)型霍爾集成電路開關(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）等電路做在同一個芯片上。第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器30OC門施密特觸發(fā)電路雙端輸入、單端輸出運放霍爾元件.Vcc當(dāng)外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。

第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器317.5、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。第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器

1．霍爾轉(zhuǎn)速表圖7.17霍爾轉(zhuǎn)速表

第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器33霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時，輸出為低電平。第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器34在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器35霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器36

1—磁輪鼓；2—開關(guān)型霍爾集成元件；3—晶體管功率開關(guān)；4—點火線圈；5—火花塞7.18霍爾點火裝置示意圖

2．霍爾式無觸點點火裝置

當(dāng)磁輪鼓轉(zhuǎn)動時，霍爾元件受到的磁場交替變化，霍爾元件的輸出為脈沖信號。當(dāng)霍爾IC輸出為高電平時，晶體管功率開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，點火線圈低壓側(cè)有較大電流通過，并以磁場能量的形式儲存在點火線圈的鐵心中。當(dāng)霍爾IC輸出跳變?yōu)榈碗娖綍r，晶體管功率開關(guān)處于截止?fàn)顟B(tài)，，切斷點火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒有續(xù)流元件，所以存儲在點火線圈鐵心中的磁場能量在高壓側(cè)感應(yīng)出30~50kV的高電壓。第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器37采用霍爾式無觸點電子點火裝置能較好地克服汽車合金觸點點火時間不準(zhǔn)確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。汽車點火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器39桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖1-觸發(fā)器葉片2-槽口3-分電器轉(zhuǎn)軸4-永久磁鐵

5-霍爾集成電路（PNP型霍爾IC）a）帶缺口的觸發(fā)器葉片b）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關(guān)系c）葉片位置與點火正時的關(guān)系第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器403．霍爾式功率計

圖7.19霍爾效應(yīng)交流功率計

第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器414．霍爾式無刷直流電機

圖7.20霍爾無刷直流電機基本原理

第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器42霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉(zhuǎn)。由于無刷電動機不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機、CD唱機、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。普通直流電動機使用的電刷和換向器第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器43無刷電動機在電動自行車上的應(yīng)用電動自行車可充電電池組無刷電動機無刷直流電動機的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個狀態(tài)編碼信號，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無火花、可靠性強等特點。第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器44光驅(qū)用的無刷電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)第七章霍爾傳感器2024/2/29第五章電動勢傳感器