1、项目五 霍尔式传感器,主要学习霍尔传感器的工作原理、霍尔集成电路的特性及其在检测技术中的应用，还涉及磁场测量技术。,一、霍尔元件的结构及工作原理,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。,磁感应强度B为零时的情况,c,d,a,b,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。,霍尔效应演示,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。,c,d,a,b,式中 RH霍尔常数（m3/C）,I控制电
2、流（A） B磁感应强度（B) d霍尔元件的厚度（m）,霍尔电势：,霍尔常数,霍尔电势与导体厚度d成反比： 为了提高霍尔电势值， 霍尔元件制成薄片形状。,霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，故金属材料不宜制作霍尔元件,半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。,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,
3、结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B和I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,二、霍尔元件的结构和基本电路,图（a）中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1-1电极用于加控制电流，称控制电极。另一对2-2电极用于引出霍尔电势，称输出极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。 图（b）是霍尔元件通用的图形符号。,图（c）所示，霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。 图（d）是基本测量电路 。,差分放大电路
4、,霍尔元件的输出电压一般较小，需要用放大电路放大其输出电压。为了获得较好的放大效果，需采用差分放大电路。,使用一个运算放大器时，霍尔元件的输出电阻可能会大于运算放大器的输入电阻，从而产生误差，采用下图所示的电路，则不存在这个问题。,三、霍尔元件的主要外特性参数,最大磁感应强度BM,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？(1特斯拉10000高斯),线性区,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
5、从几毫安至十几毫安。,以下哪一个激励电流的数值较为妥当？ 5A 0.1mA 2mA 80mA,四、霍尔集成电路,霍尔集成电路可分为（1）线性型（2）开关型,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。,（1）线性型,单端输出传感器：三端器件,双端输出传感器：8脚双列直插封装元件,UGN-3501T,是一种塑料扁平封装的三端元件，它有T、U两种型号，T型与U型的区别仅是厚度的不同，T型厚度为2.03mm，U型厚度为1.54mm。,UGN-3501M,双端输出线形集成电路UGN-3501M采用8脚封装。1、8两脚为输出，5、6、7
6、三脚之间接一个电位器，对不等位电动势进行补偿。,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,（2）开关型,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
7、及内部电路,OC门,施密特 触发电路,双端输入、 单端输出运放,霍尔 元件,.,Vcc,当放大后的电压UO大于施密特触发器“开启”阈值电压时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使V导通，这种状态我们称之为开状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的UO很小，经放大器放大后其值仍然小于施密特整形电路的“关闭”阈值电压，施密特整形电路再次翻转，输出低电平，使V截止，这种状态称为关状态。,工作原理：,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
8、斯（Gs）？,五、霍尔传感器的应用,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。,1.霍尔特斯拉计（高斯计）,霍尔元件,高斯计：接受所测物体的电磁波频率，然后转换成参数量显示出来。主要用来测试高电压环境电磁波 特斯拉计：主要是检测磁体单位面积磁通量的多少，也就是检测磁感应强度。,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,霍尔元件,测量铁心 气隙的B值,2.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
9、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。,S,N,线性霍尔,磁铁,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,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。,带有微型磁铁的霍尔传感器,钢质,霍尔,霍尔转速表的其他安装方法,只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突
10、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。,霍尔元件,磁铁,3.霍尔式无刷电动机,霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。,普通直流电动机使用的电刷和换向器,光驱用的无刷电动机内部结构,1由于无电刷，没有磨损问题，寿命长、可靠性高。 2具有良好的旋转特性，可以取得很宽的转速特性、噪音低、起动转矩为额定转矩的23倍、稳定性好。,无刷电动机在电
11、动自行车上的应用,电动自行车,可充电电池组,无刷电动机,4.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。,霍尔式接近开关用于转速测量演示,n,=,60,f,4,(r/min),软铁分流翼片,开关型霍尔IC,T,5.霍尔电流传感器,将被测
12、电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。,霍尔电流传感器演示,铁心,线性霍尔IC,EH=KH IB,I,I,其他霍尔电流传感器,霍尔钳形电流表（交直流两用）,压舌,豁口,霍尔钳形电流表演示,直流200A量程,被测电流的导线未放入铁心时示值为零,70.9A,钳形表的环形铁心可以张开， 导线由此穿过,霍尔钳形 电流表演示,霍尔钳形 电流表演示,霍尔钳形 电流表演示,70.9A,霍尔钳形电流表的使用,被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心,手指按下此处，将钳形表的铁心张开,将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中,霍尔钳形电流表的使用（续）,叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便,用钳形表测量 电动机的相电流,
