第六章 磁敏傳感器-霍爾傳感器(1)

1、天津工業(yè)大學天津工業(yè)大學電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院 主講主講 王紅一王紅一磁場作用磁場作用 物體的電性能發(fā)生變化物體的電性能發(fā)生變化 磁場強度或磁場強度或與磁場強度相關(guān)的物理量轉(zhuǎn)變成電量。與磁場強度相關(guān)的物理量轉(zhuǎn)變成電量。 磁敏傳感器（磁敏傳感器（magneto-dependent sensor）是）是利用利用半導(dǎo)體磁敏元件對磁場敏感的特性半導(dǎo)體磁敏元件對磁場敏感的特性來實現(xiàn)磁電測來實現(xiàn)磁電測量的。用磁場（量的。用磁場（magnetic field）作媒介，可以檢測）作媒介，可以檢測很多物理量，如位移、振動、力、轉(zhuǎn)速、加速度、流很多物理量，如位移、振動、力、轉(zhuǎn)速、加速度、流量、電

2、流、電功率等。這類傳感器不僅可以實現(xiàn)量、電流、電功率等。這類傳感器不僅可以實現(xiàn)非接非接觸測量觸測量，而且還，而且還不從磁場中獲取能量不從磁場中獲取能量。710 T10T310T1T610 T10T610 T10T3210 T10 T10410T10 T410 T310 T100T14810T10 T名名 稱稱工作原理工作原理工作范圍工作范圍檢測內(nèi)容檢測內(nèi)容相關(guān)元件相關(guān)元件霍爾器件霍爾器件霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 磁場、位置、速度磁場、位置、速度、電流、電壓、電流、電壓單晶霍爾片、開關(guān)單晶霍爾片、開關(guān)和線性集成電路和線性集成電路半導(dǎo)體磁敏電阻半導(dǎo)體磁敏電阻磁敏電阻效應(yīng)磁敏電阻效應(yīng)旋轉(zhuǎn)和角位移旋轉(zhuǎn)和角位移

3、長方體、柵格結(jié)構(gòu)長方體、柵格結(jié)構(gòu)、InSb-NiSbInSb-NiSb共晶共晶體和曲折形磁阻元體和曲折形磁阻元件件磁敏二極管磁敏二極管復(fù)合電流的復(fù)合電流的磁場調(diào)制磁場調(diào)制位置、速度、電流位置、速度、電流電壓電壓磁敏晶體管磁敏晶體管集電極或漏極電集電極或漏極電流的磁場調(diào)制流的磁場調(diào)制位置、速度、電流位置、速度、電流電壓電壓雙極型和雙極型和MOS型型晶體管晶體管金屬膜磁敏電阻器金屬膜磁敏電阻器磁敏電阻的磁敏電阻的各向異性各向異性磁讀頭、旋轉(zhuǎn)編碼磁讀頭、旋轉(zhuǎn)編碼器、速度器、速度三端、四端、二維三端、四端、二維、三維和集成電路、三維和集成電路巨磁阻抗傳感器巨磁阻抗傳感器巨磁阻抗或巨巨磁阻抗或巨磁感應(yīng)效

4、應(yīng)磁感應(yīng)效應(yīng)角位移和線位移、角位移和線位移、大電流大電流威根德器件威根德器件威根德效應(yīng)威根德效應(yīng)速度、脈沖發(fā)生器速度、脈沖發(fā)生器磁電感應(yīng)傳感器磁電感應(yīng)傳感器法拉第電磁法拉第電磁感應(yīng)效應(yīng)感應(yīng)效應(yīng)磁場、位置、速度磁場、位置、速度超導(dǎo)量子干涉器件超導(dǎo)量子干涉器件約瑟夫遜效應(yīng)約瑟夫遜效應(yīng)生物磁場檢測生物磁場檢測表表6-1 主要磁敏傳感器主要磁敏傳感器710 T10T310T1T610 T10T610 T10T3210 T10 T10410T10 T410 T310 T100T14810T10 T 6.1.1 霍爾效應(yīng)及霍爾器件霍爾效應(yīng)及霍爾器件 6.1.2 主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù) 6.1.3 溫度誤

5、差與補償溫度誤差與補償 6.1.4 集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器 6.1.5 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用6.1.1 霍爾效應(yīng)及霍爾器件霍爾效應(yīng)及霍爾器件 霍爾效應(yīng)是一種磁電效應(yīng)，將一載流導(dǎo)體放在磁場中，若磁霍爾效應(yīng)是一種磁電效應(yīng)，將一載流導(dǎo)體放在磁場中，若磁場方向與電流方向正交，則在與磁場和電流兩者垂直的方向?qū)龇较蚺c電流方向正交，則在與磁場和電流兩者垂直的方向?qū)a(chǎn)生橫向電動勢，這一現(xiàn)象被稱作霍爾效應(yīng)，相應(yīng)的電動勢被稱產(chǎn)生橫向電動勢，這一現(xiàn)象被稱作霍爾效應(yīng)，相應(yīng)的電動勢被稱作霍爾電動勢（作霍爾電動勢（Hall electromotive force）。）。 6.1.1 霍爾效應(yīng)及霍爾

6、器件霍爾效應(yīng)及霍爾器件通電導(dǎo)體在磁場通電導(dǎo)體在磁場下會產(chǎn)生洛倫茲力下會產(chǎn)生洛倫茲力 (Lorentz force)，即磁場對運動點電荷，即磁場對運動點電荷的作用力，其大小為：的作用力，其大小為：LFevBe為電子電荷量，為電子電荷量，e=1.60210-19庫倫；庫倫；v為電子運動速度；為電子運動速度；B磁感強度，單位特斯拉磁感強度，單位特斯拉T。 洛倫茲力方向可用洛倫茲力方向可用左手法則左手法則來確定，即左手來確定，即左手4指與大拇指指與大拇指垂直，垂直，4指的方向與電流的方向一致，磁力線垂直穿過掌心，指的方向與電流的方向一致，磁力線垂直穿過掌心，則大拇指所指的方向即為洛倫茲力方向。則大拇指

7、所指的方向即為洛倫茲力方向。 6.1.1 霍爾效應(yīng)及霍爾器件霍爾效應(yīng)及霍爾器件 在在 作用下，電子運動作用下，電子運動會產(chǎn)生偏移。正負電荷的形成會產(chǎn)生偏移。正負電荷的形成導(dǎo)致電場產(chǎn)生，稱為霍爾電導(dǎo)致電場產(chǎn)生，稱為霍爾電場場 ，電場力方向由負電荷，電場力方向由負電荷端指向正電荷端，大小為：端指向正電荷端，大小為：LFHEHEHuFeEeb其中，其中， 為霍爾電動勢，為霍爾電動勢，e為電子電荷量，為電子電荷量，b為材料塊的寬度。為材料塊的寬度。 Hu霍爾電動勢霍爾電動勢 uH 與與 I、B、半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體材料之間存在怎樣的關(guān)系？之間存在怎樣的關(guān)系？其中其中 為電流密度，負號表示為電流密度，負號

8、表示電子速度與電流方向相反。電子速度與電流方向相反。 n n為為N N型半導(dǎo)型半導(dǎo)體材料塊電子濃度。體材料塊電子濃度。6.1.1 霍爾效應(yīng)及霍爾器件霍爾效應(yīng)及霍爾器件 考慮電流考慮電流 I：jnev Ijbdnevbd Ivnebd 代入式代入式 中，得：中，得：HubBv 其中其中 為為， 為為H1/Rn eHH/kRdHHHBIIBuRk IBnedd當洛倫茲力與電場力相等時，電子積累處在動態(tài)平衡，有：當洛倫茲力與電場力相等時，電子積累處在動態(tài)平衡，有：EL0FFHuevBeb HubBv 6.1.1 霍爾效應(yīng)及霍爾器件霍爾效應(yīng)及霍爾器件HHHBIIBuRk IBneddl uH 與與 I

9、 和和 B 成正比；成正比；l 隨著隨著d 下降，下降，kH 會上升，所以，會上升，所以，d 一般選得較小（?。灰话氵x得較?。ū。?；l 與電子濃度與電子濃度 n 有關(guān)，有關(guān)，n 越大，越大，RH 越小，所以越小，所以。 若磁場與霍爾片法線方向有夾角若磁場與霍爾片法線方向有夾角 ，則霍爾電動勢為，則霍爾電動勢為 HHcosuk IB 若若 B 或或 I 改變方向，改變方向，uH也改變方向；也改變方向； 若若 B 和和 I 同時改變方向，則同時改變方向，則uH不變方向。不變方向。 6.1.1 霍爾效應(yīng)及霍爾器件霍爾效應(yīng)及霍爾器件其中其中1和和3腳為控制電流極，腳為控制電流極，2和和4腳為霍爾電動

10、勢輸出極。腳為霍爾電動勢輸出極。6.1.1 霍爾效應(yīng)及霍爾器件霍爾效應(yīng)及霍爾器件其中，其中，RL 為負載，為負載，RP為可調(diào)電阻，為可調(diào)電阻，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)I的大小。的大小。6.1.1 霍爾效應(yīng)及霍爾器件霍爾效應(yīng)及霍爾器件 金屬導(dǎo)體的載流子遷移率很大，但其電阻率低（自由電子金屬導(dǎo)體的載流子遷移率很大，但其電阻率低（自由電子濃度濃度n大），絕緣材料電阻率很高，但其載流子遷移率低，所以大），絕緣材料電阻率很高，但其載流子遷移率低，所以金屬導(dǎo)體和絕緣體均不宜作霍爾元件，只有金屬導(dǎo)體和絕緣體均不宜作霍爾元件，只有半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料最合適。最合適。N型半導(dǎo)體材料的載流子遷移率比型半導(dǎo)體材料的載流子遷移率比P

11、型的大，所以霍爾元件多采型的大，所以霍爾元件多采用用N型半導(dǎo)體材料型半導(dǎo)體材料制成。制成。 制作霍爾元件的常用材料有：銻化銦制作霍爾元件的常用材料有：銻化銦(InSb) 、砷化鎵、砷化鎵 (GaAs) 、磷化銦、磷化銦 (InAs) 和和 N 型鍺型鍺(Ge) 。從前主要用銻化銦，。從前主要用銻化銦，現(xiàn)在多為現(xiàn)在多為砷化鎵砷化鎵。銻化銦穩(wěn)定性好、受電壓漂移影響小，但受。銻化銦穩(wěn)定性好、受電壓漂移影響小，但受溫度影響大，頻率特性不佳；砷化鎵線性度好，溫度系數(shù)小，溫度影響大，頻率特性不佳；砷化鎵線性度好，溫度系數(shù)小，但是靈敏度不高。但是靈敏度不高。 6.1.2 主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù) 輸入電阻輸

12、入電阻Ri 和輸出電阻和輸出電阻Ro ： 輸入電阻輸入電阻Ri指控制電流極間電阻，輸出電阻指控制電流極間電阻，輸出電阻Ro指霍爾電壓極指霍爾電壓極間電阻，它們的阻值范圍為：間電阻，它們的阻值范圍為：1002000，兩者相差不大。，兩者相差不大。 額定控制電流額定控制電流Ic： 使霍爾元件在空氣中產(chǎn)生使霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10溫升所施加的電流。它與霍溫升所施加的電流。它與霍爾元件尺寸有關(guān)：尺寸愈小，爾元件尺寸有關(guān)：尺寸愈小，Ic愈小。一般額定控制電流為幾至愈小。一般額定控制電流為幾至幾十毫安。幾十毫安。 6.1.2 主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)HHHRluBI fdb其中，其中，fH(l/b) 為霍

13、爾片形狀系數(shù)，當霍爾片長寬之比為霍爾片形狀系數(shù)，當霍爾片長寬之比l/b2時，時，有有fH(l/b) 1。實際取值時，等于實際取值時，等于2即可即可，因為該比過大反而增大，因為該比過大反而增大傳感器輸入功耗。另外，要求對霍爾元件的控制電流端電極有傳感器輸入功耗。另外，要求對霍爾元件的控制電流端電極有良好的面接觸，霍爾元件輸出端電極為點接觸。良好的面接觸，霍爾元件輸出端電極為點接觸。 霍爾元件幾何尺寸對霍爾電動勢霍爾元件幾何尺寸對霍爾電動勢uH 的影響：的影響： 前述的霍爾片的長寬尺寸大小對前述的霍爾片的長寬尺寸大小對uH是有影響的，那里我們假是有影響的，那里我們假設(shè)長度設(shè)長度 l 為無窮大，實際

14、霍爾片的長寬比為無窮大，實際霍爾片的長寬比l/b是有限的、變化的，是有限的、變化的，該比值大小直接影響霍爾電動勢。實際情況是，霍爾電動勢為該比值大小直接影響霍爾電動勢。實際情況是，霍爾電動勢為 6.1.2 主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù) 不等位電動勢不等位電動勢u0 ： 當不加外磁場時，應(yīng)有霍爾片輸出電動勢為零，即當不加外磁場時，應(yīng)有霍爾片輸出電動勢為零，即 但實際上它并不為零，一般有但實際上它并不為零，一般有 。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是霍爾片輸出兩電極不在同一等位面上（如圖所示），以及原因是霍爾片輸出兩電極不在同一等位面上（如圖所示），以及材料電阻率不均勻。該現(xiàn)象導(dǎo)致的后果是：產(chǎn)生誤差

15、。補償方法材料電阻率不均勻。該現(xiàn)象導(dǎo)致的后果是：產(chǎn)生誤差。補償方法是外接電阻是外接電阻R和可調(diào)電阻和可調(diào)電阻RP，并調(diào)節(jié)，并調(diào)節(jié)RP，使輸出為零。，使輸出為零。Ho0uuHo10Vuum（1）霍爾片不等電位）霍爾片不等電位 （2）霍爾片等效電路）霍爾片等效電路 （3）補償電路）補償電路 6.1.2 主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù) 感應(yīng)電動勢：感應(yīng)電動勢： 當控制電流當控制電流 I=0 時，變化的磁場時，變化的磁場 B 在輸出回路中有附在輸出回路中有附加感應(yīng)電動勢，其大小正比于磁感強度加感應(yīng)電動勢，其大小正比于磁感強度 B 的幅值和磁場變的幅值和磁場變化頻率，且與霍爾電動勢極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比。

16、化頻率，且與霍爾電動勢極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比。感應(yīng)電動勢帶來的后果是零位誤差。感應(yīng)電動勢帶來的后果是零位誤差。 6.1.2 主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù) 參數(shù)參數(shù) 符號符號 單位單位型型號號控制控制電流電流空載霍爾空載霍爾電壓電壓輸入輸入電阻電阻輸出輸出電阻電阻靈敏度靈敏度不等位不等位電勢電勢 溫溫度系數(shù)度系數(shù)電阻溫電阻溫度系數(shù)度系數(shù)材料材料mAmV(B=0.1T)mV/mA ATmV/EA2181001008.53 31.51.50.35136.56.52.42.40.755404030302.5- -0.02GeHZ-1202011020%1002020% %1520%0.10.10.03

17、0.030.50.5Ge6SH1 15 520010002001000201501 10.40.40.30.3GaAs5 51010170350小于輸小于輸入入10 0200.80.80.40.4SiSi表表6-2 幾種霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)幾種霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)HucIiRoRHkou6.1.3 溫度誤差與補償溫度誤差與補償 溫度誤差產(chǎn)生的原因：溫度誤差產(chǎn)生的原因：當當溫度變化時溫度變化時，由于霍爾元件的，由于霍爾元件的半導(dǎo)體材料電阻率半導(dǎo)體材料電阻率 、載流子的遷移率和濃度均隨溫度而變、載流子的遷移率和濃度均隨溫度而變化，從而導(dǎo)致化，從而導(dǎo)致霍爾元件內(nèi)阻霍爾元件內(nèi)阻Ri和輸出電動勢和輸

18、出電動勢uH變化變化。一、選用溫度系數(shù)小的霍爾元件材料，或者采取恒溫措施；一、選用溫度系數(shù)小的霍爾元件材料，或者采取恒溫措施；二、用恒流源供電，減小元件內(nèi)阻隨溫度變化而引起控制電二、用恒流源供電，減小元件內(nèi)阻隨溫度變化而引起控制電流的變化；流的變化；三、進行三、進行。 解決方法：解決方法：6.1.3 溫度誤差與補償溫度誤差與補償 補償電路如圖所示，設(shè)補償電路如圖所示，設(shè)R為補償為補償電阻，它不隨溫度變化，電阻，它不隨溫度變化，I=Is為恒流為恒流源，當溫度為源，當溫度為T0時，元件內(nèi)阻為時，元件內(nèi)阻為Ri0，靈敏度為靈敏度為KH0 ；當溫度變?yōu)?；當溫度變?yōu)門 時，元時，元件輸入內(nèi)阻為件輸入內(nèi)阻

19、為Ri，靈敏度為，靈敏度為KH，并且，并且兩種溫度條件下的參數(shù)有如下關(guān)系：兩種溫度條件下的參數(shù)有如下關(guān)系： ii0(1)RRTHH0(1)kkT0TTT 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)； 霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)；霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)； 溫度差。溫度差。 T圖圖6-7 溫度補償電路溫度補償電路6.1.3 溫度誤差與補償溫度誤差與補償（確定補償電阻（確定補償電阻R的值）的值）當溫度為當溫度為T0時，由電路原理，有時，由電路原理，有 e 0c0i0IRI Re 0c0IIIc0i0RIIRR當溫度變化為當溫度變化為T時，相關(guān)參數(shù)也變化：時，相關(guān)參數(shù)也變化： 、 ，c0cIIi

20、0i 0(1)RRTci0(1)RIIRRT圖圖6-7 溫度補償電路溫度補償電路而恒流源而恒流源 I 以及電阻以及電阻R 不變化，所以有：不變化，所以有： 6.1.3 溫度誤差與補償溫度誤差與補償Hu0T0TTTH0H0c 0HHcukIBuk I B即即H0H0i0i0(1)(1)RIRIkBkTBRRRRTi0RR為使為使 在溫度為在溫度為 和和 時維持不變，應(yīng)有時維持不變，應(yīng)有確定補償電阻確定補償電阻R的值的值 一般來說，一般來說， ，則上式可近似為，則上式可近似為 i0RR此時，在溫度此時，在溫度T=T0時，可時，可實現(xiàn)霍爾器件的輸出保持實現(xiàn)霍爾器件的輸出保持不變。不變。6.1.4 集

21、成霍爾傳感器集成霍爾傳感器 將霍爾元件、放大器、溫度補償和穩(wěn)壓電源等集成在一塊芯將霍爾元件、放大器、溫度補償和穩(wěn)壓電源等集成在一塊芯片上，構(gòu)成霍爾集成傳感器，這樣不僅結(jié)構(gòu)緊湊，方便使用，而片上，構(gòu)成霍爾集成傳感器，這樣不僅結(jié)構(gòu)緊湊，方便使用，而且減小誤差、提高可靠性。按輸出形式的不同，集成霍爾傳感器且減小誤差、提高可靠性。按輸出形式的不同，集成霍爾傳感器可分為可分為線性型和開關(guān)型線性型和開關(guān)型兩類。兩類。 1 霍爾開關(guān)集成器件霍爾開關(guān)集成器件 霍爾開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如霍爾開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。它由霍爾元件、放大器、施圖所示。它由霍爾元件、放大器、施密特整形電路和輸出電路組成。密特

22、整形電路和輸出電路組成。霍爾開關(guān)集成電路內(nèi)部霍爾開關(guān)集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)框圖框圖6.1.4 集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器 霍爾傳感器的輸出特性（也稱工作霍爾傳感器的輸出特性（也稱工作特性）如圖所示，其中，特性）如圖所示，其中，BOP為工作點為工作點開始（即開始（即VT管導(dǎo)通）的磁感應(yīng)強度，管導(dǎo)通）的磁感應(yīng)強度，BRP為工作點關(guān)閉（為工作點關(guān)閉（VT 管截止）的磁感管截止）的磁感應(yīng)強度，應(yīng)強度，BH為磁滯寬度，它對開關(guān)動作為磁滯寬度，它對開關(guān)動作的可靠性有好處，以防噪聲干擾，開關(guān)的可靠性有好處，以防噪聲干擾，開關(guān)誤動作。當外加磁感應(yīng)強度高于誤動作。當外加磁感應(yīng)強度高于BOP時，時，輸出電平由高變

23、低，傳感器處于打開狀輸出電平由高變低，傳感器處于打開狀態(tài)，當外加磁感應(yīng)強度低于態(tài)，當外加磁感應(yīng)強度低于BRP時，輸出時，輸出電平由低變高，傳感器處在關(guān)閉狀態(tài)。電平由低變高，傳感器處在關(guān)閉狀態(tài)。 輸出特性曲線輸出特性曲線6.1.4 集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器型號型號電源電壓電源電壓磁感應(yīng)磁感應(yīng)強度強度B (T)輸出截止輸出截止 電壓電壓(V)輸出導(dǎo)通輸出導(dǎo)通 電流電流(mA)工作工作溫度溫度TA ()儲存溫度儲存溫度TS ()工作點工作點BOP (T)UGN-30204.5 525不限不限2525070-601500.0220.035UGN-30304.5 525不限不限2525-2085-6

24、01500.0160.025UGN-30754.5 525不限不限2550-2085-601500.0050.025表表6-3 霍爾開關(guān)集成傳感器技術(shù)參數(shù)霍爾開關(guān)集成傳感器技術(shù)參數(shù) （UGN3000系列）系列）釋放點釋放點BRP(T)磁滯磁滯BH(T)輸出低電平輸出低電平(V)輸出漏輸出漏電流電流（ ）電源電流電源電流(mA)輸出上升輸出上升時間時間(ns)輸出下輸出下降時間降時間(ns)0.0050.11650.0020.0055 0.04 2.05915100-0.025-0.011 0.0020.005 0.04 1.02.55100500-0.025-0.0050.010.02 0.0

25、4 1.0371002006.1.4 集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器 2. 霍爾線性集成器件霍爾線性集成器件 霍爾線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場強度在一定范圍霍爾線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場強度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。它有單端輸出和雙端輸出（也稱差動輸出）兩種內(nèi)呈線性關(guān)系。它有單端輸出和雙端輸出（也稱差動輸出）兩種電路，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。圖（電路，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。圖（b）中的）中的D為差動輸出電路，為差動輸出電路，管腳管腳5、6和和7外接補償電位器。外接補償電位器。 (a) 單端輸出單端輸出(b) 雙端輸出雙端輸出6.1.4 集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器表表6-4 UGN35

26、01系列霍爾線性傳感器參數(shù)系列霍爾線性傳感器參數(shù)型號型號電源電源電壓電壓V CC (V)電源電源電流電流I C (mA)靜態(tài)靜態(tài)輸出輸出VO (V)靈敏度靈敏度kH(mV/mA AT)帶寬帶寬BW (kHZ)工作工作溫度溫度()線性線性范圍范圍BL (T)外形外形尺寸尺寸(mm)UGN3501THP5038 8161610202.55 53.57.07.025(-3dB)-10700.154.6 64 4.5.52 2.05.05UGN3501M8 816161018100400mV0.71.425-107000.30.38腳腳DIP6.1.4 集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器 UGN3501T

27、的磁場強度與輸出電壓的關(guān)系在的磁場強度與輸出電壓的關(guān)系在0.15T 磁磁場強度范圍內(nèi)，有較好的線性度，超出該范圍，輸出電壓飽場強度范圍內(nèi)，有較好的線性度，超出該范圍，輸出電壓飽和，具體情況如圖所示。和，具體情況如圖所示。 霍爾線性集成器件霍爾線性集成器件6.1.5 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用 根據(jù)霍爾電動勢的表達式，霍爾傳感器的測量應(yīng)用主要圍繞根據(jù)霍爾電動勢的表達式，霍爾傳感器的測量應(yīng)用主要圍繞磁感強度磁感強度B和控制電流和控制電流 I 進行：進行：（1）當控制電流不變時當控制電流不變時，傳感器的輸出正比于磁場強度，此類，傳感器的輸出正比于磁場強度，此類應(yīng)用有磁感強度及其變化的測量、霍爾

28、元件在梯度磁場中微位應(yīng)用有磁感強度及其變化的測量、霍爾元件在梯度磁場中微位移的測量等；移的測量等；（2）當磁感應(yīng)強度不變時當磁感應(yīng)強度不變時，傳感器的輸出正比于控制電流，可，傳感器的輸出正比于控制電流，可以用來測量電流（尤其是大的直流）、組成回轉(zhuǎn)器和隔離器等；以用來測量電流（尤其是大的直流）、組成回轉(zhuǎn)器和隔離器等；（3）當控制電流和磁感應(yīng)強度都變化時當控制電流和磁感應(yīng)強度都變化時，傳感器的輸出與兩者，傳感器的輸出與兩者的乘積成正比，可用來做乘法器和功率計等。的乘積成正比，可用來做乘法器和功率計等。 HHHBIIBuRk IBnedd6.1.5 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用 霍爾位移傳感器具

29、有慣性小、響霍爾位移傳感器具有慣性小、響應(yīng)速度快、測量無觸點等特點，可應(yīng)速度快、測量無觸點等特點，可測量小至測量小至1-2mm的位移。除了測量的位移。除了測量位移之外，利用該原理還可制成測位移之外，利用該原理還可制成測量液位、力、壓力和壓差等量的傳量液位、力、壓力和壓差等量的傳感器。感器。 d/dBx霍爾位移傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示，在極性相反、磁場強度相同的霍爾位移傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示，在極性相反、磁場強度相同的兩個磁鋼氣隙間放置一塊霍爾片，兩個磁鋼氣隙間放置一塊霍爾片，控制電流控制電流I從左端流向右端，從左端流向右端，且電流值不變，于是霍爾電動勢且電流值不變，于是霍爾電動勢uH與磁感強度成正比

30、與磁感強度成正比。從圖可知，。從圖可知，磁場沿磁場沿 x 方向在一定范圍內(nèi)的變化梯度方向在一定范圍內(nèi)的變化梯度 為一常數(shù)，如圖為一常數(shù)，如圖所示。所示。霍爾位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖霍爾位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖6.1.5 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用當霍爾元件沿當霍爾元件沿 x 方向移動時，其霍方向移動時，其霍爾電動勢的變化率：爾電動勢的變化率： 霍爾位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖霍爾位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖位移與磁場關(guān)系圖位移與磁場關(guān)系圖HHdddduBk Ikxxk 為傳感器的輸出靈敏度，為常數(shù)。為傳感器的輸出靈敏度，為常數(shù)。對上式進行積分，并考慮零初始條件，得：對上式進行積分，并考慮零初始條件，得： Huk

31、x霍爾電動勢與位移成線性關(guān)系，并霍爾電動勢與位移成線性關(guān)系，并且其極性反映霍爾元件移動方向。且其極性反映霍爾元件移動方向。 如果磁場變化梯度越大，則輸出靈敏度越高；磁場梯度越均如果磁場變化梯度越大，則輸出靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線性度也越好。當霍爾片處在磁鋼正中位置時，由于勻，輸出線性度也越好。當霍爾片處在磁鋼正中位置時，由于x=0 ，有，有 uH=0。6.1.5 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用 測量可轉(zhuǎn)化為乘積運算的物理測量可轉(zhuǎn)化為乘積運算的物理量量單相交流功率計。電路如圖單相交流功率計。電路如圖 所示，設(shè)有交流電源：所示，設(shè)有交流電源： 通過線圈產(chǎn)生磁感強度通過線圈產(chǎn)生磁感強度B

32、，負載為，負載為ZL，另一路通過電阻，另一路通過電阻 R 加在霍爾元加在霍爾元件的控制電流極上，則有電流件的控制電流極上，則有電流 2sinuUtc1i2sin2sinUitk UtRR霍爾元件用作單相交流功率計霍爾元件用作單相交流功率計其中，其中，Ri 為霍爾元件輸入電阻，為霍爾元件輸入電阻，R為輸入回路外接電阻，為輸入回路外接電阻，U為電壓有效值，為電壓有效值，k1=1/(R+Ri) 。6.1.5 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾元件用作單相交流功率計霍爾元件用作單相交流功率計 由于由于 I 為流過線圈產(chǎn)生磁感應(yīng)強為流過線圈產(chǎn)生磁感應(yīng)強度度B的電流，它將產(chǎn)生磁場：的電流，它將產(chǎn)生磁場：

33、2 sin()iIt222sin()Bk ik It這里這里 為激磁常數(shù)，為激磁常數(shù)， 為為 u 與與 i 的相的相位差。位差。 2kHH cH122sin2sin()uk i Bkk Utk ItH122sinsin()k k k U Ittcoscos(2)kUIt其中其中, 為常數(shù)。為常數(shù)。 H12kk k k6.1.5 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾元件用作單相交流功率計霍爾元件用作單相交流功率計 求霍爾電動勢平均值：求霍爾電動勢平均值：由于在一由于在一個周期里個周期里 ，所以有，所以有 cos(2)0tHH01dcosTuutkUIkPT這里這里 為負載為負載ZL的有功功率。的

34、有功功率。 cosPU I 該霍爾電動勢平均值反映了負載有該霍爾電動勢平均值反映了負載有功功率的信息，除以常數(shù)功功率的信息，除以常數(shù) k，即為有功，即為有功功率。功率。 若改若改 R 為為 C（電容），則（電容），則ic 超前超前 u 90，同理可推出，同理可推出 HsinukU IkQ其中，其中， 為負載為負載ZL上的無功功率。上的無功功率。sinQUI6.1.5 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾元件用于乘方運算：霍爾元件用于乘方運算：僅需將電磁鐵的僅需將電磁鐵的線圈串入電流支路，使輸入電流線圈串入電流支路，使輸入電流Ii 既形成既形成磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度B，又提供控制電流，于是獲，又提供控制電流，于是獲得得 的關(guān)系。的關(guān)系。霍爾元件構(gòu)成的平方器霍爾元件構(gòu)成的平方器2HiuI霍爾元件構(gòu)成的開方器霍爾元件構(gòu)成的開方器 霍爾元件用于開方器：霍爾元件用于開方器：利用了利用了平方平方負反饋原理負反饋原理。左圖中，設(shè)放大器的放大。左圖中，設(shè)放