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任务六： 霍尔传感器应用于转速、流量 及角度的测量 霍尔元件是 一种四端元件 6.1霍尔元件的工作原理、霍尔传感器的测量电路 6.1.1 霍尔元件的工作原理 B 输 出 UH + + v N半导体 + + + I F + 半导体，置于磁场B，通入电流I，电子受洛伦兹力FL， 产生霍耳电场EH，输出霍耳电压UH。被称为霍耳效应。 U 一、霍耳效应 1.霍耳电压与霍耳灵敏度 洛伦兹力： FL gvB 电场强度： EH vB （电位正电荷受力） U H EH b vBb （电位正电荷受力乘距离） 霍耳电压： 由于 I nqbdv （n----材料中电子浓度） 得： I v nqdb IB K H IB 于是：U H vBb nqd （ *霍耳灵敏度： 1 KH nqd ） 结论：霍耳电压（1）与材料有关 （2）与电流I有关（3）与磁场B有关。 2.霍耳系数与电阻率 IB 霍耳系数： 将前面霍耳电压 U H vBb nqd 式中的 1/nq 定义为霍耳系数RH，即： R 1 有；U H RH IB 。 H d nq RH *霍耳系数RH和霍耳灵敏度KH的关系： K H d U （μ----材料中载流子迁移率， 电阻率：由 v U---外电压，U/l---电场强度） l U IB U 得： 对比 U bB U H vBb l bB H nqd U l l 对比 l R / RH / R I nqbd bd bd l IB nqd RH 磁感应强度B 较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就 越高。霍尔电势EH可用下式表示： EH=KH IB 霍尔效应 d a b c 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内 侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度 B 不垂直于霍尔元件，而是与其法 线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效 磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分 量，即Bcos，这时的霍尔电势为 EH=KHIBcos 结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当 B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的 磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。 霍尔元件的主要外特性参数 最大磁感应强度BM 线性区 上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至 正的多少高斯？ 霍尔元件的主要外特性参数（续） 最大激励电流IM : 由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中 总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件 的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂 增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流， 它的数值从几毫安至十几毫安。 6.1.2 霍尔传感器的测量电路 图6.1 6.1.3 集成霍尔传感器 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。 线性型集成电路是将霍 尔元件和恒流源、线性差动放 大器等做在一个芯片上，输出 电压为伏级，比直接使用霍尔 元件方便得多。较典型的线性 型霍尔器件如UGN3501等。 线性型三端 霍 尔集成电路 线性型霍尔特性 右图示出了具有双端 差动输出特性的线性霍尔器 件的输出特性曲线。当磁场 为零时，它的输出电压等于 零；当感受的磁场为正向 （磁钢的S极对准霍尔器件 的正面）时， 输出为正； 磁场反向时，输出为负。 请画出线性范围 开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、 放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等 电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工 作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平； 当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态， 输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。 开关型霍尔集成电路的外形及 内部电路 施密特 触发电路 Vcc 霍尔 元件 OC门 双端输入、 单端输出运放 . 开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越大， 抗振动干扰能 力就越强。 当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉时输出翻 转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多少特斯拉时输出再 次翻转？回差为多少特斯拉？相当于多少高斯（Gs）？ 6.2 霍尔传感器用于转速、流量及角度的测量 霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函数， 即 EH=KHIBcos 。利用这个关系可以使其中两个量 不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量， 其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多 用途。 霍尔元件 霍尔特斯拉计（高斯计） 霍尔高斯计（特斯拉计）的使用 霍尔元件 磁铁 霍尔传感器用于测量磁场强度 测量铁心 气隙的B值 霍尔元件 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿 轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随 气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、 整形后可以确定被测物的转速。 线性霍尔 N S 磁铁 霍尔转速表 f n 60 22 霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大 的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对 准霍尔元件时，输出为低电平。 霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用 霍尔 带有微型 磁铁的霍 尔传感器 钢质 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感 器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。 霍尔转速表的其他安装方法 霍尔元件 磁铁 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场 强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。 霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近、 并达到动作距离时，霍尔式接近 开关动作。霍尔接近开关一般还 配一块钕铁硼磁铁。 用霍尔IC也能完成接 近开关的功能，但是它只能 用于铁磁材料的检测，并且 还需要建立一个较强的闭合 磁场。 在右图中，当磁铁随运 动部件移动到距霍尔接近开关几 毫米时，霍尔IC的输出由高电平 变为低电平，经驱动电路使继电 器吸合或释放，控制运动部件停 止移动（否则将撞坏霍尔IC）起 到限位的作用。 霍尔式接近开关 霍尔式接近开关用于转 f n= 60 速测量演示 4 软铁分流翼片 (r/min) T 开关型霍尔IC 钳型电流表： 被测电流 B随被测电流变化 B 固定 电流 I UH 冷轧硅钢片 圆环 被测 电流 输出：（ 霍耳 元件 U H KH B 引 脚 固定电流I）