霍爾傳感器及其他磁傳感器說(shuō)課講解

霍爾傳感器及其他磁傳感器6.1霍爾傳感器工作原理6.1.1霍爾效應(yīng)在置于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)通入電流，若電流與磁場(chǎng)垂直，則在與磁場(chǎng)和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

如圖6-1所示，長(zhǎng)、寛、高分別為L(zhǎng)、W、H的N型半導(dǎo)體薄片的相對(duì)兩側(cè)a、b通以控制電流，在薄片垂直方向加以磁場(chǎng)B。在圖示方向磁場(chǎng)的作用下，電子將受到一個(gè)由c側(cè)指向d側(cè)方向力的作用，這個(gè)力就是洛侖茲力，大小為FL=qvB

圖6-1霍爾效應(yīng)與霍爾元件（a）霍爾效應(yīng)（b）霍爾元件結(jié)構(gòu)（c）圖形符號(hào)（d）外形

c、d兩端面因電荷積累而建立了一個(gè)電場(chǎng)EH

，稱為霍爾電場(chǎng)。該電場(chǎng)對(duì)電子的作用力與洛侖茲力的方向相反，即阻止電荷的繼續(xù)積累。當(dāng)電場(chǎng)力與洛侖茲力相等時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)有qEH

=qvB

霍爾電場(chǎng)的強(qiáng)度為EH=vB

在c與d兩側(cè)面間建立的電勢(shì)差稱為霍爾電壓：UH=EHW或UH=vBW

當(dāng)材料中的電子濃度為n時(shí)，，

電子速度為得：設(shè)：得霍爾電壓：設(shè)：得：

式中RH為霍爾系數(shù)，它反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱;KH為霍爾靈敏度，它表示一個(gè)霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓的大小。可以看出：（1）霍爾電壓UH大小與材料的性質(zhì)有關(guān)。（2）霍爾電壓UH大小與元件的尺寸有關(guān)。（3）霍爾電壓UH大小與控制電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。6.1.2霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)利用霍爾效應(yīng)制成的磁電轉(zhuǎn)換元件稱為霍爾元件?；魻栐苫魻柶⒁€和殼體組成,如圖6-1-1(a)所示。霍爾片是矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)引線。1、1′兩根引線加激勵(lì)電流，稱為激勵(lì)電極；2、2′引線為霍爾電壓輸出引線，稱為霍爾電極。霍爾元件殼體由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。

圖6-1-1霍爾元件（a）外型結(jié)構(gòu)示意圖（b）圖形符號(hào)

在電路中霍爾元件可用兩種符號(hào)表示，如圖6-1-1(b)所示。霍爾元件主要技術(shù)參數(shù)為：

1.輸入電阻RIN和輸出電阻ROUT；

2.額定控制電流IC；

3.不等位電勢(shì)U0，即未加磁場(chǎng)時(shí)的輸出電壓，一般小于1mV；

4.霍爾電壓UH；

5.霍爾電壓的溫度特性。6.2霍爾傳感器6.2霍爾傳感器6.2.1霍爾開關(guān)集成傳感器霍爾開關(guān)集成傳感器是利用霍爾元件與集成電路技術(shù)制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號(hào)形式輸出。圖6-2所示為內(nèi)部組成框圖。當(dāng)有磁場(chǎng)作用在霍爾開關(guān)集成傳感器上時(shí)，霍爾元件輸出霍爾電壓UH，一次磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，使傳感器完成一次開關(guān)動(dòng)作。

圖6-2霍爾開關(guān)集成傳感器內(nèi)部框圖

具有使用壽命長(zhǎng)，無(wú)觸點(diǎn)磨損，無(wú)火花干擾，無(wú)轉(zhuǎn)換抖動(dòng)，工作頻率高，溫度特性好，能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)霍爾開關(guān)集成傳感器型號(hào)有UGN-3020,UGN-3030,UGN-3075。工作電壓為4.5～25V，輸出低電平<0.04mV。常用于：點(diǎn)火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速測(cè)量、里程測(cè)量、機(jī)械設(shè)備限位開關(guān)、按鈕開關(guān)、電流的測(cè)量和控制、位置及角度的檢測(cè)，等等。6.2.2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(chǎng)強(qiáng)度呈線性比例關(guān)系。一般由霍爾元件和放大器組成，

當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，霍爾元件產(chǎn)生與磁場(chǎng)成線性的霍爾電壓，經(jīng)放大器放大后輸出?；魻柧€性集成傳感器有單端輸出型和雙端輸出型兩種，

典型產(chǎn)品分別為SL3501T和SL3501M兩種。

圖6-3為SL3501T，單端輸出型，工作電壓8～12V，輸出電壓2.5～5V，靈敏度3500～7000mV/mA·T。

圖6-3單端輸出型傳感器的電路結(jié)構(gòu)

圖6-4為SL3501M，雙端輸出型，兩個(gè)輸出端輸出正、負(fù)差分信號(hào)，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。工作電壓8～16V，輸出電壓0～3.6V，靈敏度700～1400mV/mA·T?；魻柧€性集成傳感器常用于：位置、力、重量、厚度、速度、磁場(chǎng)、電流等的測(cè)量和控制。圖6-4雙端輸出型傳感器的電路結(jié)構(gòu)

6.3其他磁傳感器6.3其他磁傳感器6.3.1磁阻元件當(dāng)霍爾元件受到與電流方向垂直的磁場(chǎng)作用時(shí)，不僅會(huì)出現(xiàn)霍爾效應(yīng)，而且還會(huì)出現(xiàn)半導(dǎo)體電阻率增大的現(xiàn)象，稱為磁阻效應(yīng)。利用磁阻效應(yīng)做成的電路元件，叫磁阻元件。1.基本工作原理在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，磁阻元件的電流密度矢量，如圖6-5(a)所示。當(dāng)磁場(chǎng)垂直作用在磁阻元件表面上時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，使得電流密度矢量偏移電場(chǎng)方向某個(gè)霍爾角θ，如圖6-5(b)所示。這使電流流通的途徑變長(zhǎng)，導(dǎo)致元件兩端金屬電極間的電阻值增大。

(a)在無(wú)磁場(chǎng)時(shí)

(b)有磁場(chǎng)作用時(shí)圖6-5磁阻元件工作原理示意圖

2.磁阻元件的基本特性1）B-R特性磁阻元件的B-R特性，用無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的電阻R0和磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻RB來(lái)表示。2）靈敏度K

磁阻元件的靈敏度K，可由下式表示，即

K=R3/R0一般來(lái)說(shuō)，磁阻元件的靈敏度

K≥2.7

3）溫度系數(shù)磁阻元件的溫度系數(shù)約為‐2%/℃，是比較大的。可以用兩個(gè)磁敏元件串聯(lián)起來(lái)，采取分壓輸出，可以大大改善元件的溫度特性。3.磁阻元件的應(yīng)用磁阻元件阻抗低、阻值隨磁場(chǎng)變化率大、可以非接觸式測(cè)量、頻率響應(yīng)好、動(dòng)態(tài)范圍廣及噪聲小，可廣泛應(yīng)用于：無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)、壓力開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器、角度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等場(chǎng)合。6.3.2磁敏二極管可以將磁信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)快、無(wú)觸點(diǎn)、輸出功率大及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。它可廣泛應(yīng)用于磁場(chǎng)的檢測(cè)、磁力探傷、轉(zhuǎn)速測(cè)量、位移測(cè)量、電流測(cè)量、無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)、無(wú)刷直流電機(jī)等許多領(lǐng)域。1、磁敏二極管的基本結(jié)構(gòu)及工作原理如圖6-6所示。它是平面P+-i-N+型結(jié)構(gòu)的二極管。在高純度半導(dǎo)體鍺的兩端摻高雜P型區(qū)和N型區(qū)。

i區(qū)是高純空間電荷區(qū)，i區(qū)的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于載流子擴(kuò)散的長(zhǎng)度。在i區(qū)的一個(gè)側(cè)面上，再做一個(gè)高復(fù)合區(qū)r，在r區(qū)域，載流子的復(fù)合速率較大。圖6-6磁敏二極管的結(jié)構(gòu)

在電路連接時(shí)，P+區(qū)接正電壓，N+區(qū)接負(fù)電壓。在沒(méi)有外加磁場(chǎng)情況下，大部分的空穴和電子分別流入N區(qū)和P區(qū)而產(chǎn)生電流，只有很少部分載流子在r區(qū)復(fù)合，如圖6-7(a)所示。若給磁敏二極管外加一個(gè)磁場(chǎng)B，在正向磁場(chǎng)的作用下，空穴和電子受洛侖茲力的作用偏向r區(qū)，如圖6-7(b)所示。圖6-7磁敏二極管的工作原理

由于空穴和電子在r區(qū)的復(fù)合速率大，此時(shí)磁敏二極管正向電流減小，電阻增大。當(dāng)在磁敏二極管上加一個(gè)反向磁場(chǎng)B時(shí)，載流子在洛侖磁力的作用下，均偏離復(fù)合區(qū)r，見(jiàn)圖6-7(c)所示。此時(shí)磁敏二極管正向電流增大，電阻減小。2.磁敏二極管的主要技術(shù)參數(shù)和特性(1)靈敏度當(dāng)外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B為±0.1T時(shí)，輸出端電壓增量與電流增量之比稱為靈敏度。(2)工作電壓U0和工作電流I0

在零磁場(chǎng)時(shí)加在磁敏二極管兩端的電壓、電流值。(3)磁電特性在弱磁場(chǎng)及一定的工作電流下，輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系為線性關(guān)系。在強(qiáng)磁場(chǎng)下則成非線性關(guān)系。(4)伏安特性在負(fù)向磁場(chǎng)作用下，磁敏二極管電阻小，電流大；在正向磁場(chǎng)作用下，磁敏二極管電阻大，電流小。如圖6-8所示。圖6-8磁敏二極管的伏安特性

6.3.3磁敏晶體管磁敏晶體管是一種新型的磁電轉(zhuǎn)換器件,該器件的靈敏度比霍爾元件高得多.同樣具有無(wú)觸點(diǎn)、輸出功率大、響應(yīng)快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。其在磁力探測(cè)、無(wú)損探傷、位移測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)量等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。1.磁敏晶體管的基本結(jié)構(gòu)及工作原理圖6-9（a）是無(wú)外磁場(chǎng)作用情況。

由于i區(qū)較長(zhǎng)，在橫向電場(chǎng)作用下，發(fā)射極電流大部分形成基極電流，小部分形成集電極電流。圖6-9（b）是有外部正向磁場(chǎng)B+作用的情況，電子向復(fù)合區(qū)偏轉(zhuǎn)。圖6-9磁敏晶體管工作原理示意圖

圖6-9（c）是有外部反向磁場(chǎng)B-作用的情況，電子偏離復(fù)合區(qū)。會(huì)引起集電極電流的減少或增加。因此，可以用磁場(chǎng)方向控制集電極電流的增加或減少，

用磁場(chǎng)的強(qiáng)弱控制集電極電流增加或減少的變化量。2.磁敏晶體管的主要技術(shù)特性1）磁靈敏度h±

指當(dāng)基極電流恒定，外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0時(shí)的集電極電流ICO與外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B=±0.1T時(shí)的集電極電流IC±相對(duì)變化值，即：2）磁電特性在基極電流恒定時(shí)，集電極電流與外加磁場(chǎng)的關(guān)系。在弱磁場(chǎng)作用下，特性接近線性。3）溫度特性集電極電流的溫度特性具有負(fù)的溫度系數(shù)。對(duì)溫度較敏感，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

6.3.4磁電感應(yīng)式傳感器

磁電感應(yīng)式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。

其組成的主要部件是永久磁鐵和線圈，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要輔助電源，且輸出功率大，性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），被廣泛采用。圖6-10所示為動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器結(jié)構(gòu)。鋼制圓形外殼，鋁支架將圓柱形永久磁鐵與外殼固定成一體，芯軸穿過(guò)永久磁鐵中心孔，架在彈簧片中央，彈簧片與外殼相連。芯軸兩端通過(guò)阻尼環(huán)固定線圈，線圈與永久磁鐵間有小間隙。1－芯軸2－外殼3－彈簧片4－鋁支架5－永久磁鐵6－線圈7－阻尼環(huán)8－引線

圖6-10動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器結(jié)構(gòu)工作時(shí)，鋼制外殼固定在被測(cè)物體上。被測(cè)物體振動(dòng)時(shí)，外殼、鋁支架和永久磁鐵隨之振動(dòng)，芯軸、阻尼環(huán)和線圈由于慣性則不隨之振動(dòng)。線圈切割磁力線，產(chǎn)生與振動(dòng)速度成比例的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出到顯示設(shè)備，可顯示振動(dòng)速度。將該數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間積分可獲得位移值。將該數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間微分可獲得加速度值。6.4霍爾傳感器及

其他磁傳感器應(yīng)用實(shí)例6.4.1霍爾汽車無(wú)觸點(diǎn)點(diǎn)火器

如圖6-10所示，磁輪鼓代替了傳統(tǒng)的凸輪及白金觸點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)主軸帶動(dòng)磁輪鼓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾器件感受的磁場(chǎng)極性交替改變，輸出一連串與汽缸活塞運(yùn)動(dòng)同步的脈沖信號(hào)去觸發(fā)晶體管功率開關(guān)，點(diǎn)火線圈兩端產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，使火花塞產(chǎn)生火花放電，完成汽缸點(diǎn)火過(guò)程。

圖6-10霍爾點(diǎn)火裝置示意圖1-磁輪鼓2-開關(guān)型霍爾集成電路3-晶體管功率開關(guān)4-點(diǎn)火線圈5-火花塞

6.4.2霍爾無(wú)刷直流電機(jī)如圖6-11所示。電機(jī)由永久磁鐵做轉(zhuǎn)子。在定子上安有12只霍爾元件，各與前方相差90°的一個(gè)定子電樞線圈相連，線圈被安放在定子糟中。各定子線圈由霍爾元件輸出的霍爾電壓激勵(lì)，產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)，與對(duì)應(yīng)的霍爾元件相差90°，即超前于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)90°。永久磁鐵的轉(zhuǎn)子被定子磁場(chǎng)吸引而向前轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6-11霍爾無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

1軸2外殼3電路4定子5線圈6霍爾元件7永磁轉(zhuǎn)子

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)霍爾元件時(shí)，永久磁鐵磁通使霍爾元件輸出電壓極性反相，相應(yīng)的電樞線圈磁場(chǎng)也產(chǎn)生極性轉(zhuǎn)換，使定子磁場(chǎng)始終超前于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)90°，吸引轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子則沿原方向繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動(dòng)。6.4.2磁卡與磁卡閱讀器

磁卡（包括帶磁條的銀行存折）一般作為識(shí)別卡用。所謂識(shí)別卡，是指一種標(biāo)識(shí)其持卡人和發(fā)行者的卡。

磁條貼在磁卡的背面，可讀表面厚度0～0.038mm。磁條中有3條編碼磁道，磁道之間有間隔。

離磁卡邊最近的是1磁道。各磁道編碼信息有主帳號(hào)、國(guó)家、持卡人姓名、失效日期、服務(wù)范圍、貨幣類型、可用金額指數(shù)、允許輸錯(cuò)次數(shù)、校驗(yàn)碼等。一般應(yīng)用的磁卡可只使用1磁道，性能和密級(jí)高的磁卡使用3條磁道。刷卡的速度為10cm/s～120cm/s，由3個(gè)帶磁芯的自感或互感傳感器組成的磁頭，感應(yīng)磁條上磁性（磁阻）的變化來(lái)讀取數(shù)據(jù)，相當(dāng)靈敏，準(zhǔn)確度很高。

自動(dòng)柜員機(jī)（ATM）的基本組成如圖6-12所示。

讀卡設(shè)備和用戶鍵盤將刷卡和按鍵輸入的用戶帳號(hào)和密碼等信息送入ATM機(jī)的專用計(jì)算機(jī)。

專用計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換中心與發(fā)卡銀行主機(jī)聯(lián)系，檢查帳號(hào)的合法性，是否超過(guò)有效期，驗(yàn)證密碼，按發(fā)卡銀行主機(jī)回答碼對(duì)用戶的操作進(jìn)行響應(yīng)。

通過(guò)專用計(jì)算機(jī)接口驅(qū)動(dòng)點(diǎn)鈔系統(tǒng)、打印系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)鈔輸出和打印輸出。圖6-12自動(dòng)柜員機(jī)基本組成框圖6.4.4自動(dòng)供水裝置

取水時(shí)，將鐵制的取水卡從投放口投入，沿非磁性物質(zhì)制作的滑槽向下滑行，當(dāng)滑行到磁傳感部位時(shí)，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)控制電路驅(qū)動(dòng)電磁閥打開，讓水從水龍頭流出。

自動(dòng)供水裝置電路如圖6-13所示。主要由磁傳感器裝置、單穩(wěn)態(tài)電路、固態(tài)繼電器、電源電路及電磁閥等組成。當(dāng)取水者投入鐵制的取水牌時(shí)，鐵制取水牌將磁鐵的磁力線短路，SL3020傳感器受較強(qiáng)磁場(chǎng)的作用輸出為高電平脈沖，電路輸出使電磁閥Y通電工作，自動(dòng)開閥放水。每次供水延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短，取決于C2、R4、RP1的充電時(shí)間常數(shù)。圖6-13自動(dòng)供水裝置電路原理圖

6.4.4干簧管開門播放音樂(lè)電路

干簧管是最簡(jiǎn)單的磁控機(jī)械開關(guān)，由帶磁性和不帶磁性的兩個(gè)觸點(diǎn)構(gòu)成。

在沒(méi)有強(qiáng)磁場(chǎng)作用時(shí)，這兩個(gè)觸點(diǎn)通常是斷開的（常開型干簧管），或接通的（常閉型干簧管）。

在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，干簧管的兩個(gè)開關(guān)觸點(diǎn)閉合（常開型干簧管），或斷開（常閉型干簧管）。圖6-14所示為房門打開播放音樂(lè)電路。常閉型干簧管及其電路安裝在門框上，磁鐵安裝在門上。拉開房門，磁鐵磁場(chǎng)離開，常閉型干簧管的兩個(gè)觸點(diǎn)閉合，電源接通，音樂(lè)集成電路工作，輸出音樂(lè)信號(hào)。經(jīng)晶體管9013放大后，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器播放音樂(lè)。

圖6-14干簧管開門播放音樂(lè)電路6.5實(shí)訓(xùn)

磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量?jī)x裝調(diào)1.磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量?jī)x采用SL3051M霍爾線性集成傳感器，電路如圖6-15所示。使用時(shí)，只要使傳感器的正面面對(duì)磁場(chǎng)，便可測(cè)得磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。裝調(diào)該磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量?jī)x電路,并用該磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量?jī)x測(cè)量