傳感器與檢測技術(shù)(第2版)李增國主編第七章

1、7 7 霍爾式傳感器霍爾式傳感器河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院信息工程系信息工程系7 7 霍爾式傳感器霍爾式傳感器7.1 霍爾元件的基本工作原理霍爾元件的基本工作原理7.2 霍爾霍爾集成電路集成電路7.3 霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾式傳感器的應(yīng)用7.1 7.1 霍爾元件的基本工作原理霍爾元件的基本工作原理 霍爾傳感器是基于霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)的一種傳感器。的一種傳感器。 起源：起源：1879年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)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)現(xiàn)了霍爾效應(yīng), 但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。有得到應(yīng)用。

2、 發(fā)展：發(fā)展：隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, 開始用半導(dǎo)體材料制開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件成霍爾元件, 由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。展。 應(yīng)用：應(yīng)用：霍爾傳感器廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、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。振動等方面的測量?；魻栃?yīng)：霍爾效應(yīng)：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場方向上。時，在垂直于電流和磁場方向上。產(chǎn)生的電動勢稱產(chǎn)生的電動勢稱霍爾電勢，霍爾電勢，半導(dǎo)體薄片稱半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件，霍爾元件，這種這種物理現(xiàn)象稱為

3、霍爾效應(yīng)。物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。什么是霍爾效應(yīng)？什么是霍爾效應(yīng)？ 7.1 霍爾效應(yīng)原理圖厚度為 d 的N型半導(dǎo)體薄片上垂直作用了磁感應(yīng)強度為 B 的磁場若在一個方向上通以電流 IN型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子為電子 它沿與電流的相反方向運動帶電粒子在磁場中的運動會受到洛倫茲力 FL 的作用洛倫茲力 FL 的方向由左手定則決定洛倫茲力的作用結(jié)果，使帶電粒子偏向 c，d 電極在垂直于 B 和 I 的方向上產(chǎn)生一感應(yīng)電動勢 VHp 在垂直于外磁場在垂直于外磁場B的方向的方向上放置一半導(dǎo)體薄片，半導(dǎo)上放置一半導(dǎo)體薄片，半導(dǎo)體薄片通以電流體薄片通以電流I，方向如，方向如圖所示。圖所示。p 半導(dǎo)體薄片中的電流是半

4、導(dǎo)體薄片中的電流是載流子自由電子在電場作用載流子自由電子在電場作用下的定向運動。下的定向運動。p 在半導(dǎo)體導(dǎo)電板垂直電在半導(dǎo)體導(dǎo)電板垂直電流方向上作用一個磁感應(yīng)強流方向上作用一個磁感應(yīng)強度為度為B的均勻磁場，則載流的均勻磁場，則載流子又受洛倫茲力作用子又受洛倫茲力作用。載流子受載流子受洛侖茲力洛侖茲力 霍爾電場強度霍爾電場強度e電子電荷；電子電荷；v電子運動平均速度；電子運動平均速度；B磁場的磁感應(yīng)強度。磁場的磁感應(yīng)強度。在勻強電場中，沿電場強度方向，兩點之間的電勢在勻強電場中，沿電場強度方向，兩點之間的電勢差等于電場強度跟這兩點之間距離的乘積。差等于電場強度跟這兩點之間距離的乘積。 平衡狀態(tài)

5、：平衡狀態(tài)：洛倫茲力洛倫茲力fH=電場力電場力EH電場力電場力因此霍爾電勢因此霍爾電勢所以電子運動平均速度所以電子運動平均速度 又根據(jù)電流的定義：單位時間內(nèi)通過導(dǎo)線某一截面的電荷量。又根據(jù)電流的定義：單位時間內(nèi)通過導(dǎo)線某一截面的電荷量。討論討論: :1、霍爾常數(shù)大小取決于導(dǎo)體的載流子密度：、霍爾常數(shù)大小取決于導(dǎo)體的載流子密度：分析：金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電分析：金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢也小，所以金屬材料不宜制作霍爾元件。勢也小，所以金屬材料不宜制作霍爾元件。2、霍爾元件靈敏度（靈敏系數(shù)）霍爾元件靈敏度（靈敏系數(shù)） KH意義：意義：表示霍爾元件在表示

6、霍爾元件在單位激勵電流和單位磁感強度時產(chǎn)生的霍爾電勢的大小。單位激勵電流和單位磁感強度時產(chǎn)生的霍爾電勢的大小。補充：補充：1、霍爾電勢與導(dǎo)體厚度、霍爾電勢與導(dǎo)體厚度d成反比：成反比：為了提高霍爾電勢值，為了提高霍爾電勢值， 霍霍爾元件制成薄片形狀。爾元件制成薄片形狀。 2、半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運動平均速度）比空穴遷半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運動平均速度）比空穴遷移率高，因此移率高，因此N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件。較適合于制造靈敏度高的霍爾元件。 3、當(dāng)磁感應(yīng)強度當(dāng)磁感應(yīng)強度B和霍爾片平和霍爾片平面法線成角度面法線成角度時時, 霍爾電勢為：霍爾電勢為： 7.1.2

7、 7.1.2 霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)和特性參數(shù)霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)和特性參數(shù)圖（圖（a）中其中）中其中1-1電極用于電極用于加控制電流，稱加控制電流，稱控制電極控制電極。另一對另一對2-2電極用于引出霍爾電極用于引出霍爾電勢，稱電勢，稱霍爾電勢輸出極霍爾電勢輸出極。圖（圖（b）是霍爾元件通用的圖）是霍爾元件通用的圖形符號。形符號。圖（圖（c）所示，霍爾電極在基片）所示，霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對霍爾電勢上的位置及它的寬度對霍爾電勢數(shù)值影響很大。數(shù)值影響很大。 通?；魻栯姌O位于基片長度的中通?；魻栯姌O位于基片長度的中間，其寬度遠(yuǎn)小于基片的長度間，其寬度遠(yuǎn)小于基片的長度。 圖（圖（d）是基本測量

8、電路）是基本測量電路 。 測量電路測量電路片芯是一塊矩形半導(dǎo)體薄片 一般采用N形鍺、銻化銦、砷化銦、砷化鎵和磷砷化銦等長邊兩側(cè)面焊有兩根控制電流極引線，短邊兩側(cè)面的中點焊以兩導(dǎo)線 輸出霍爾電勢霍爾芯片一般用非磁性金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝2 2 霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)當(dāng)磁場和環(huán)境溫度一定時當(dāng)磁場和環(huán)境溫度一定時：霍爾電勢與控制電流霍爾電勢與控制電流I成正比；成正比；當(dāng)控制電流和環(huán)境溫度一定時：當(dāng)控制電流和環(huán)境溫度一定時：霍爾電勢與磁場的磁感應(yīng)強度霍爾電勢與磁場的磁感應(yīng)強度B成正比；成正比；當(dāng)環(huán)境溫度一定時當(dāng)環(huán)境溫度一定時：輸出的霍爾電勢與輸出的霍爾電勢與I和和B的乘積成正比

9、。的乘積成正比。 霍爾元件的主要特性參數(shù)：(1)(1) 輸入電阻和輸出電阻 輸入電阻輸入電阻Ri ：控制電極間的電阻：控制電極間的電阻 輸出電阻輸出電阻Ro ：霍爾電極之間的電阻：霍爾電極之間的電阻 注：測量以上電阻時，應(yīng)在沒有外磁場和室溫變化注：測量以上電阻時，應(yīng)在沒有外磁場和室溫變化的條件下進(jìn)行。的條件下進(jìn)行。Ri Ro，Ri、Ro=1002000 。(2) (2) 額定控制電流和最大允許控制電流額定控制電流和最大允許控制電流 額定控制電流額定控制電流： 當(dāng)霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產(chǎn)生當(dāng)霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產(chǎn)生10溫升時，對應(yīng)的控制電流值。溫升時，對應(yīng)的控制電流值。

10、控制電流控制電流Ic=(幾幾幾十幾十)mA 最大允許控制電流最大允許控制電流： 以元件允許的最大溫升限制所對應(yīng)的控制電流值。以元件允許的最大溫升限制所對應(yīng)的控制電流值。 改善散熱條件可以增大最大允許控制電流。改善散熱條件可以增大最大允許控制電流。(3) 不等位電勢不等位電勢Uo和不等位電阻和不等位電阻ro 不等位電勢：不等位電勢： 當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時，若元件所處位置的磁當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時，若元件所處位置的磁感應(yīng)強度為零，測得的空載霍爾電勢。一般感應(yīng)強度為零，測得的空載霍爾電勢。一般U0 10mV。不等位電阻不等位電阻r0： 不等位電勢是由霍爾電極不等位電勢是由霍爾電極

11、2 和和2之間的電阻。之間的電阻。不等位電勢就是控制電流不等位電勢就是控制電流 I 經(jīng)不等位電阻產(chǎn)生的電壓。經(jīng)不等位電阻產(chǎn)生的電壓。不等位電阻不等位電阻 r0= U0 /I產(chǎn)生不等位電勢的原因主要是：產(chǎn)生不等位電勢的原因主要是： 霍爾電極安裝位置不正確（不對稱或不在霍爾電極安裝位置不正確（不對稱或不在同一等電位面上）；同一等電位面上）； 半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；是幾何尺寸不均勻； 控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布等。布等。（均是制造工藝造成的）（均是制造工藝造成的）（4）靈敏度KH霍爾元

12、件的靈敏度定義為在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強度下，霍爾電勢輸出端開路時的電勢值，單位為V/AT，反映了霍爾元件本身所具有的磁電轉(zhuǎn)換能力，一般越大越好。寄生直流電勢霍爾元件零位誤差的一部分 當(dāng)沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時，霍爾電極的輸出有一個直流電勢 控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時，會產(chǎn)生整流效應(yīng)。 兩個霍爾電極焊點的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度每變化1度時，霍爾電勢變化的百分率。(4) 寄生直流電勢寄生直流電勢 霍爾元件零位誤差的一部分霍爾元件零位誤差的一部分 當(dāng)沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流當(dāng)沒有

13、外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時，霍爾電極的輸出有一個直流電勢。時，霍爾電極的輸出有一個直流電勢。(5) 霍爾電勢溫度系數(shù)霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度每變在一定磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度每變化化1時，霍爾電勢變化的百分率。時，霍爾電勢變化的百分率。7.1.3 7.1.3 霍爾元件基本誤差及補償霍爾元件基本誤差及補償1. 不等位電勢誤差的補償不等位電勢誤差的補償2. 溫度誤差及其補償溫度誤差及其補償1.1.不等位電勢誤差的補償不等位電勢誤差的補償不等位電勢產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不可能保證兩個霍爾電極絕對對稱地不等位電勢產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不可能保證兩個霍爾電極絕

14、對對稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩電極點不能完全位于同一等位面，此外霍爾片電焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩電極點不能完全位于同一等位面，此外霍爾片電阻率不均勻或片厚薄不均勻或者控制電流極接觸不良使等位面歪斜，致使兩阻率不均勻或片厚薄不均勻或者控制電流極接觸不良使等位面歪斜，致使兩霍爾電極不在同一等位面而產(chǎn)生不等位電勢霍爾電極不在同一等位面而產(chǎn)生不等位電勢把霍爾元件視為一個把霍爾元件視為一個四臂電阻電橋四臂電阻電橋，不等位電勢就相當(dāng)于電橋的，不等位電勢就相當(dāng)于電橋的初始不平衡初始不平衡輸出電壓輸出電壓。 ABCDIR1R2R3R4 圖中圖中A、B為為控制電極控制電極，C、D為為霍爾電極霍爾電極。 在極間

15、分布的電阻用在極間分布的電阻用R1、R2、R3、R4表示，理想情況是表示，理想情況是R1R2R3R4，即零位電勢為零（或零位電阻為零）。，即零位電勢為零（或零位電阻為零）。 但實際上存在著零位電勢，則說明此四個電阻不等。但實際上存在著零位電勢，則說明此四個電阻不等。電勢的補償電路電勢的補償電路 對稱電路對稱電路 當(dāng)溫度變化時，補償?shù)姆€(wěn)定性要好些當(dāng)溫度變化時，補償?shù)姆€(wěn)定性要好些 WCDAR2R3R4R1BWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a） （b） （c）WABCDWABCD (b)WCABD2.2.溫度誤差及其補償溫度誤差及其補償溫度誤差產(chǎn)生原因：溫度誤差產(chǎn)生原因：霍爾元

16、件的基片是半導(dǎo)體材料，因而對溫度的變化很敏霍爾元件的基片是半導(dǎo)體材料，因而對溫度的變化很敏感。其載流子濃度和感。其載流子濃度和載流子遷移率載流子遷移率、電阻率電阻率和和霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)都是溫度的函數(shù)。都是溫度的函數(shù)。當(dāng)溫度變化時，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如當(dāng)溫度變化時，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電勢霍爾電勢、輸入電阻輸入電阻和和輸出電阻輸出電阻等都要發(fā)生變化，從而使霍爾式傳等都要發(fā)生變化，從而使霍爾式傳感器產(chǎn)生溫度誤差。感器產(chǎn)生溫度誤差。減小霍爾元件的溫度誤差方法減小霍爾元件的溫度誤差方法 選用溫度系數(shù)小的元件（如砷化銦）選用溫度系數(shù)小的元件（如砷化銦）;采用恒溫措施采用恒溫措施;采用恒流

17、源供電采用恒流源供電; 溫度變化導(dǎo)致霍爾元件內(nèi)阻（溫度變化導(dǎo)致霍爾元件內(nèi)阻（Ri、Ro)和霍爾靈敏和霍爾靈敏度（度（KH）等變化，給測量帶來一定誤差，即溫度）等變化，給測量帶來一定誤差，即溫度誤差。為了減溫度誤差，需采取溫度補償措施：誤差。為了減溫度誤差，需采取溫度補償措施： 恒流源溫度補償恒流源溫度補償 霍爾元件的靈敏系數(shù)隨溫度的變化引起霍爾電勢的變化，霍爾元件的靈敏系數(shù)隨溫度的變化引起霍爾電勢的變化，霍爾元件的靈敏系數(shù)與溫度的關(guān)系：霍爾元件的靈敏系數(shù)與溫度的關(guān)系：式中式中: KH0 為溫度為溫度T0時的時的KH值；值； 溫度變化量；溫度變化量； 霍爾電勢的溫度系數(shù)?；魻栯妱莸臏囟认禂?shù)。 T

18、的定義為的定義為大膽假設(shè)：大膽假設(shè)： 由于大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)由于大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)是正值時，它們的霍爾是正值時，它們的霍爾電勢隨溫度的升高而增加（電勢隨溫度的升高而增加（1+T）倍。）倍。 讓控制電流讓控制電流I相應(yīng)地減小，能保持相應(yīng)地減小，能保持 KHI 不變就抵消了靈敏不變就抵消了靈敏系數(shù)值增加的影響。系數(shù)值增加的影響。 恒流源溫度補償電路 補償原理：補償原理：當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻時，旁路分流電阻R自動地加強分流，減少了霍爾元自動地加強分流，減少了霍爾元件的控制電流。件的控制電流。溫度升到溫度升到T時，電路中各

19、參數(shù)變?yōu)闀r，電路中各參數(shù)變?yōu)?控制電流控制電流 溫度為溫度為T0時，時，霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)；霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)；分流電阻溫度系數(shù)。分流電阻溫度系數(shù)。 為使霍爾電勢不變，補償電路必須滿足為使霍爾電勢不變，補償電路必須滿足: 升溫前、后的霍爾電勢不變，升溫前、后的霍爾電勢不變， 當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻 和溫度系數(shù)和溫度系數(shù) 及霍爾及霍爾電勢溫度系數(shù)電勢溫度系數(shù) 可以從元件參數(shù)表中查到（可以從元件參數(shù)表中查到（ 可以測量出可以測量出來），用上式即可計算出分流電阻來），用上式即可計算出分流電阻 及所需的分流電阻溫度系及所需的分流電阻溫度系數(shù)數(shù) 值。值。

20、 0iR0R0 iR經(jīng)整理，忽略經(jīng)整理，忽略 高次項后得高次項后得 1 1、霍爾開關(guān)集成傳感器、霍爾開關(guān)集成傳感器其中，其中，1為接地端，為接地端，2為電源端，為電源端，3為輸出端。為輸出端。7.2 7.2 霍爾集成電路霍爾集成電路將霍爾元件及放大電路、溫度補償電路和穩(wěn)壓電源集成在一個芯片上構(gòu)成獨立器件集成霍爾器件，有利于減小誤差，改善穩(wěn)定性。穩(wěn)壓穩(wěn)壓整形整形VCC輸出輸出地地213霍爾元件霍爾元件放大放大穩(wěn)壓穩(wěn)壓整形整形VCC輸出輸出地地213霍爾元件霍爾元件放大放大 工作原理：工作原理：穩(wěn)壓穩(wěn)壓整形整形VCC輸出輸出地地213霍爾元件霍爾元件放大放大幾種不同尺寸外形的霍爾開關(guān)幾種不同尺寸外

21、形的霍爾開關(guān)2 2、霍爾線性集成傳感器、霍爾線性集成傳感器 霍爾線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場呈線性霍爾線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場呈線性比例關(guān)系。比例關(guān)系。 穩(wěn)壓穩(wěn)壓VCC輸出輸出地地123霍爾元件霍爾元件放大放大穩(wěn)壓穩(wěn)壓VCC輸輸出出地地341霍爾元件霍爾元件放大放大8單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)雙端輸出的電路結(jié)構(gòu)雙端輸出的電路結(jié)構(gòu)圖所示為具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器圖所示為具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件件UGN3501MUGN3501M的內(nèi)部電路圖和輸出特性曲線圖。的內(nèi)部電路圖和輸出特性曲線圖。當(dāng)線性霍爾器件當(dāng)線性霍爾器件UGN3501M感受的磁場為

22、零時，第一腳相感受的磁場為零時，第一腳相對于第八腳的輸出電壓等于零；對于第八腳的輸出電壓等于零；當(dāng)線性霍爾器件當(dāng)線性霍爾器件UGN3501M感受的磁場為正向（磁鋼的感受的磁場為正向（磁鋼的S極對準(zhǔn)極對準(zhǔn)3501M的正面）時，輸出為正；磁場為反方向時，的正面）時，輸出為正；磁場為反方向時，輸出為負(fù)，因此，使用起來更為方便。輸出為負(fù)，因此，使用起來更為方便。 霍爾線性集成傳感器一般由霍爾元件和放大器霍爾線性集成傳感器一般由霍爾元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場時，霍爾元件產(chǎn)生與磁場成線性組成，當(dāng)外加磁場時，霍爾元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍爾電壓，經(jīng)放大器放大后輸出。比例變化的霍爾電壓，經(jīng)放大器放大后

23、輸出。 霍爾線性傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚霍爾線性傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制。度、速度、磁場、電流等的測量或控制。 7.3 7.3 霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾式傳感器的應(yīng)用優(yōu)點優(yōu)點: 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，頻帶寬，動態(tài)特性好和壽命結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，頻帶寬，動態(tài)特性好和壽命長長應(yīng)用：應(yīng)用：電磁測量：電磁測量：測量恒定的或交變的磁感應(yīng)強度、有功功率、測量恒定的或交變的磁感應(yīng)強度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數(shù)；無功功率、相位、電能等參數(shù)；自動檢測系統(tǒng)：自動檢測系統(tǒng)：多用于位移、壓力的測量。多用于位移、壓力的測量。1.1.微位移和壓力的測量

24、微位移和壓力的測量測量原理測量原理：霍爾電勢與磁感應(yīng)強度成正比，若磁感應(yīng)強度是霍爾電勢與磁感應(yīng)強度成正比，若磁感應(yīng)強度是位置的函數(shù)，則霍爾電勢的大小就可以用來反映位置的函數(shù)，則霍爾電勢的大小就可以用來反映霍爾元件的位置?；魻栐奈恢?。 應(yīng)用應(yīng)用：位移測量、力、壓力、應(yīng)變、機械振動、加速度位移測量、力、壓力、應(yīng)變、機械振動、加速度 測量磁場測量磁場 使用霍爾器件檢測磁場的方法極為簡單，將霍爾器件做成各種形式的探使用霍爾器件檢測磁場的方法極為簡單，將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，因霍爾器件只對垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)頭，放在被測磁場中，因霍爾器件只對垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)強度敏感

25、，因而必須令磁力線和器件表面垂直，通電后即可由輸出強度敏感，因而必須令磁力線和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測磁場的磁感應(yīng)強度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量電壓得到被測磁場的磁感應(yīng)強度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來計算被測磁場的磁感應(yīng)強度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，來計算被測磁場的磁感應(yīng)強度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進(jìn)行多點檢測，由計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到場的分布狀可以進(jìn)行多點檢測，由計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到場的分布狀態(tài)，并可對狹縫，小孔中的磁場進(jìn)行檢測。態(tài)，并可對狹縫，小孔中的磁場進(jìn)行檢測。 產(chǎn)生梯度磁場的示意圖產(chǎn)生梯度磁場的示意圖 位移量較小，適于測量微位

26、移和機械振動位移量較小，適于測量微位移和機械振動 若令霍爾元件的工作電流保若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個均勻持不變，而使其在一個均勻梯度磁場中移動，它輸出的梯度磁場中移動，它輸出的霍爾電壓霍爾電壓VH值只由它在該磁值只由它在該磁場中的位移量場中的位移量Z來決定。圖來決定。圖中中3種產(chǎn)生梯度磁場的磁系種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位移傳感器的輸出特性曲線，移傳感器的輸出特性曲線，將它們固定在被測系統(tǒng)上，將它們固定在被測系統(tǒng)上，可構(gòu)成霍爾微位移傳感器。可構(gòu)成霍爾微位移傳感器。從曲線可見，結(jié)構(gòu)（從曲線可見，結(jié)構(gòu)（b）在）在Z2mm時，時，VH與與Z有

27、良好的有良好的線性關(guān)系，且分辨力可達(dá)線性關(guān)系，且分辨力可達(dá)1m，結(jié)構(gòu)（，結(jié)構(gòu)（C）的靈敏度）的靈敏度高，但工作距離較小。高，但工作距離較小。 幾種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)和幾種霍爾幾種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)和幾種霍爾位移傳感器的靜態(tài)特性位移傳感器的靜態(tài)特性 霍爾線性位移傳感器原理霍爾線性位移傳感器原理霍爾線性位移傳感器霍爾線性位移傳感器霍爾式壓力傳感器霍爾式壓力傳感器 1. 彈簧管彈簧管 2. 磁鐵磁鐵 3. 霍爾片霍爾片 霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成，霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成，如圖所示。（如圖所示。（a）的彈性元件為膜盒，）的彈性元件為膜盒，(b

28、)為彈簧片，為彈簧片，(c)為波紋管。為波紋管。磁系統(tǒng)最好用能構(gòu)成均勻梯度磁場的復(fù)合系統(tǒng)，如磁系統(tǒng)最好用能構(gòu)成均勻梯度磁場的復(fù)合系統(tǒng)，如(a)、(b)，也可，也可采用單一磁體，如（采用單一磁體，如（c）。）。 加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對位移，改變作用加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對位移，改變作用到霍爾元件上的磁場，從而改變它的輸出電壓到霍爾元件上的磁場，從而改變它的輸出電壓VH。由事先校準(zhǔn)的。由事先校準(zhǔn)的pf(VH)曲線即可得到被測壓力曲線即可得到被測壓力p的值。的值。加速度傳感器加速度傳感器 2.2.磁場的測量磁場的測量在控制電流恒定條件下，霍爾電勢大小與磁感應(yīng)強度在控

29、制電流恒定條件下，霍爾電勢大小與磁感應(yīng)強度成正比，由于霍爾元件的結(jié)構(gòu)特點，它特別適用于成正比，由于霍爾元件的結(jié)構(gòu)特點，它特別適用于微微小氣隙中的磁感應(yīng)強度小氣隙中的磁感應(yīng)強度、高梯度磁場參數(shù)的測量。、高梯度磁場參數(shù)的測量?；魻栯妱菔腔魻栯妱菔谴艌龇较蚺c霍爾基片法線方向之間夾角磁場方向與霍爾基片法線方向之間夾角的函數(shù)。的函數(shù)。應(yīng)用：應(yīng)用：霍爾式磁羅盤、霍爾式方位傳感器、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾式磁羅盤、霍爾式方位傳感器、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器3.3.轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速等物理量的測量轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速等物理量的測量按圖所示的各種方法設(shè)置磁體，將它們和霍爾開按圖所示的各種方法設(shè)置磁體，將它們和霍爾開關(guān)電路組合起來可以構(gòu)成各種

30、旋轉(zhuǎn)傳感器。霍爾關(guān)電路組合起來可以構(gòu)成各種旋轉(zhuǎn)傳感器?；魻栯娐吠姾螅朋w每經(jīng)過霍爾電路一次，便輸出電路通電后，磁體每經(jīng)過霍爾電路一次，便輸出一個電壓脈沖。一個電壓脈沖。 (a)徑向磁極徑向磁極 (b)軸向磁極軸向磁極 (c)遮斷式遮斷式 在轉(zhuǎn)軸上固定一個葉輪和磁體，用流體（氣體、在轉(zhuǎn)軸上固定一個葉輪和磁體，用流體（氣體、液體）去推動葉輪轉(zhuǎn)動，便可構(gòu)成流速、流量傳液體）去推動葉輪轉(zhuǎn)動，便可構(gòu)成流速、流量傳感器。感器。在車輪轉(zhuǎn)軸上裝上磁體，在靠近磁體的位置上裝在車輪轉(zhuǎn)軸上裝上磁體，在靠近磁體的位置上裝上霍爾開關(guān)電路，可制成車速表，里程表等等上霍爾開關(guān)電路，可制成車速表，里程表等等下圖的殼體內(nèi)裝有

31、一個帶磁體的葉輪，磁體旁裝有霍爾開下圖的殼體內(nèi)裝有一個帶磁體的葉輪，磁體旁裝有霍爾開關(guān)電路，被測流體從管道一端通入，推動葉輪帶動與之相關(guān)電路，被測流體從管道一端通入，推動葉輪帶動與之相連的磁體轉(zhuǎn)動，經(jīng)過霍爾器件時，電路輸出脈沖電壓，由連的磁體轉(zhuǎn)動，經(jīng)過霍爾器件時，電路輸出脈沖電壓，由脈沖的數(shù)目，可以得到流體的流速。若知管道的內(nèi)徑，可脈沖的數(shù)目，可以得到流體的流速。若知管道的內(nèi)徑，可由流速和管徑求得流量。由流速和管徑求得流量?；魻柫髁坑嫽魻柫髁坑?4 4、霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用、霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用 用霍爾元件測量電流，都是通過霍爾元件檢測通用霍爾元件測量電流，都是通過霍爾元件檢測通電

32、導(dǎo)線周圍的磁場來實現(xiàn)的。電導(dǎo)線周圍的磁場來實現(xiàn)的。 在現(xiàn)代工程技術(shù)中，往往要測量在現(xiàn)代工程技術(shù)中，往往要測量，有時直流電流值高達(dá)有時直流電流值高達(dá)10KA以上。以上。 過去，多采用電阻器分流的方法來測量這樣大的電流。這過去，多采用電阻器分流的方法來測量這樣大的電流。這種方法有許多缺點，如分流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、耗電、耗銅種方法有許多缺點，如分流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、耗電、耗銅等。等。 利用霍爾效應(yīng)原理測量大電流可以克服上述的一些缺點。利用霍爾效應(yīng)原理測量大電流可以克服上述的一些缺點?；魻栃?yīng)大電流計結(jié)構(gòu)簡單、成本低、準(zhǔn)確度高，在很大程霍爾效應(yīng)大電流計結(jié)構(gòu)簡單、成本低、準(zhǔn)確度高，在很大程度上與頻率無關(guān)

33、，便于遠(yuǎn)距離測量，測量時不需要斷開回路。度上與頻率無關(guān)，便于遠(yuǎn)距離測量，測量時不需要斷開回路。 （1）導(dǎo)線旁測法）導(dǎo)線旁測法 這種方法是一種最簡單這種方法是一種最簡單的方法，將霍爾元件放在的方法，將霍爾元件放在通電導(dǎo)線的附近，給霍爾通電導(dǎo)線的附近，給霍爾元件通以恒定電流，用霍元件通以恒定電流，用霍爾元件測量被測電流產(chǎn)生爾元件測量被測電流產(chǎn)生的磁場，就可以從元件輸?shù)拇艌?，就可以從元件輸出的霍爾電壓中確定被測出的霍爾電壓中確定被測電流值。電流值。 這種方法雖然結(jié)構(gòu)簡單，這種方法雖然結(jié)構(gòu)簡單，但測量精度較差，受外界但測量精度較差，受外界干擾也大，只適用一些不干擾也大，只適用一些不重要的場合。重要的場合。BICI通電電流通電電流VH 當(dāng)導(dǎo)線中有電流流通時，導(dǎo)線當(dāng)導(dǎo)線中有電流流通時，導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，使導(dǎo)磁體鐵芯磁化周圍產(chǎn)生磁場，使導(dǎo)磁體鐵芯磁化成暫時性磁鐵，在環(huán)形氣隙中就會成暫時性磁鐵，在環(huán)形氣隙中就會形成一個磁場，導(dǎo)體中的電流越大，形成一個磁場，導(dǎo)體中的電流越大，氣隙處的磁感應(yīng)強度就越大，霍爾氣隙處的磁感應(yīng)強度就越大，霍爾元器件輸出的霍爾電壓元器件輸出的霍爾電壓VH就越大。就越大?？梢酝ㄟ^霍爾電壓檢測到導(dǎo)線中的可以通過霍爾電壓檢測到導(dǎo)線中的電流。這種方法可以提