Transcript 第三讲霍尔传感器
河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 电 气 工 程 系 第三讲 霍尔式传感器 一、磁敏传感器 二、霍尔式传感器 三、集成霍尔传感器 一、磁敏传感器 属于物性型磁敏传感器，它是利用导体或半导体的磁 电转换原理，将磁场信息变换成相应电信息的元器件。目 前应用最广泛的是半导体磁敏元器件，包括霍尔元件，磁 阻元件，磁敏二极管，磁敏晶体管及磁敏集成电路等。 磁敏传感器具有灵敏度高、可靠性好、体积小，耗电 少、寿命长、价格低，易于集成化等优点。它们可测量磁 场，磁通量，电流及电功率等电磁量，检测位移、转速及 加速度等非电磁量，用作非接触开关、无刷电机、各种运 算器、混频器和调制器等。 二、霍尔式传感器 由霍尔元件，磁场和电源构成。 霍尔元件是基于霍尔效应制成的。 1、霍尔效应 半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向 垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁 场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。 霍尔电势EH可用下式表示： EH=KHIB 式（3-3-1） KH称为霍尔元件的灵敏度系数 霍尔效应演示 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。 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 式（3-3-2） 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。 式中 K H RH , RH 为霍尔系数 ， 与霍尔元件的材料有关 。 d 霍尔电动势EH与材料的性质有关。材料的ρ、μ大， RH就大。金属的μ虽然很大，但ρ很小，故不宜做成 元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的 大，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。 霍尔电动势EH与元件的尺寸有关。 d 愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较 薄， 2、霍尔元件 由霍尔片、引线和壳体 组成, 如图3-3-1所示。 霍尔片是一块矩形半导 体单晶薄片，引出四个 引线。1、1′两根引线 加激励电压或电流，称 为激励电极；2、2′引 线为霍尔输出引线，称 为霍尔电极。 霍尔元 件壳体由非导磁金属、 陶瓷或环氧树脂封装而 成。 在电路中霍尔元 件可用两种符号表示。 图3-3-1霍尔元件 三、集成霍尔式传感器 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。 1、线性集成霍尔传感器 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。 线性范围 2、线性集成霍尔传感器的应用 ---位移测量 利用霍尔元件构成位移传感器的关键是建立一个 线性变化的磁场，如图3-3-2所示，在两个结构相同、 磁场强度相同而极性相反的磁钢间隙中，可产生一个 线性变化的磁场。将与被测物相连的霍尔片置于磁场 气隙中，霍耳片随被测物沿x方向移动时，将感受线性 变化的磁场。若保持控制电流I不变，则输出霍尔电势 的变化为： EH Kx 式(3-3-3) 式中，K与霍尔灵敏度系数、 控制电流、梯度磁场成正比。可 见，输出霍尔电势与位移量x成 线性关系，且其极性反映位移的 方向，适用于微位移测量。若将 霍尔片与压力弹性元件相连，可 构成微压力传感器。 图3-3-2 霍尔式位移测量示意图 a)基本结构图 b)线性梯度磁场特性 3、开关型集成霍尔传感器 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？ 4、开关型集成霍尔传感器的应用—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。 霍尔式接近开关 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。 霍尔转速表 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 f n 60 Z 霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS） 中的应用 带有微 型磁铁 的霍尔 传感器 霍尔 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。 霍尔式接近开关用于转速 f 测量演示 n= 60 4 软铁分流翼片 (r/min) T 开关型霍尔IC