第8章 霍爾傳感器

2023/10/171第八章霍爾傳感器

本章介紹霍爾傳感器的工作原理、霍爾集成電路的特性及其在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用，還涉及交直流霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器的原理及輸出信號(hào)的換算。

霍爾元件是一種四端元件現(xiàn)在時(shí)間是：*2023/10/172第一節(jié)霍爾元件的工作原理及特性第二節(jié)霍爾集成電路第三節(jié)霍爾傳感器的應(yīng)用第八章霍爾傳感器目錄進(jìn)入進(jìn)入進(jìn)入有一些頁(yè)面的文字較多，

請(qǐng)教師根據(jù)自己的專業(yè)方向做減法。2023/10/173第一節(jié)霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

一、工作原理

霍爾效應(yīng):半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向垂直于薄片,當(dāng)有電流I流過(guò)薄片時(shí),在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH,導(dǎo)電薄膜越薄,靈敏度就越高。

2023/10/174影響霍爾電動(dòng)勢(shì)的因數(shù)

流入激勵(lì)電流端（a、b）的電流Iab越大，電子和空穴的積累就越多，霍爾電動(dòng)勢(shì)也就越高。作用在薄片上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，電子受到的洛侖茲力也越大，霍爾電動(dòng)勢(shì)也就越高。半導(dǎo)體材料中的電子濃度越小、薄片的厚度越薄，霍爾電動(dòng)勢(shì)就越大?；魻栐墓ぷ髟矸治?/p>

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdab磁感應(yīng)強(qiáng)度B

較大時(shí)的情況

作用在半導(dǎo)體薄片上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，洛倫茲力（左手定律，既適合于正電荷，要適合于負(fù)電荷）就越大霍爾電勢(shì)也就越高?；魻栯妱?shì)EH可用下式表示：

EH=KHIBabcd磁場(chǎng)垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾效應(yīng)演示

當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)（d側(cè)）偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。cdabdabc磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時(shí)，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos

，這時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)為

EH=KHIBcos

磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)演示結(jié)論：霍爾電勢(shì)與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì)。aacdb二、霍爾元件的主要特性參數(shù)

1.

輸入電阻：霍爾元件兩激勵(lì)電流端的直流電阻。數(shù)值從幾十歐到幾百歐，視不同型號(hào)的元件而定。溫度升高，輸入電阻變小，從而使輸入電流Iab變大，最終引起霍爾電勢(shì)變大。為了減少這種影響，最好采用恒流源作為激勵(lì)源。2．輸出電阻Ro：霍爾元件兩激勵(lì)電壓端的直流電阻，需要阻抗匹配。

恒流源：輸出電流保持恒定的電流源，不受溫度、電路電源電壓等外界環(huán)境量的影響?；魻栐闹饕匦詤?shù)（續(xù)）

3.最大激勵(lì)電流IM

由于霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)電流。但激勵(lì)電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢(shì)的溫漂增大，因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。

以下哪一個(gè)激勵(lì)電流的數(shù)值較為妥當(dāng)？8μA

0.8mA

8mA

80mA

霍爾元件的主要特性參數(shù)（續(xù)）

4．靈敏度KH

KH=EH/(IB)，它的單位為mV/(mA·T)。5．最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM

上圖所示霍爾元件的線性范圍是負(fù)的多少高斯至正的多少高斯？（1T＝104Gs）線性區(qū)mV調(diào)零后的B/Uo曲線第二節(jié)霍爾集成電路

霍爾集成電路可分為線性型和開(kāi)關(guān)型兩大類(lèi)。1.線性型霍爾集成電路將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。線性型三端霍爾集成電路回目錄雙端輸出的線性型霍爾元件特性右圖示出了具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場(chǎng)為正向(磁鋼的S極對(duì)準(zhǔn)霍爾器件的正面)時(shí),輸出為正；磁場(chǎng)反向時(shí)，輸出為負(fù)。當(dāng)輸出特性曲線明顯不線性（例如5%以上）時(shí)，認(rèn)為被測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度超出了線性區(qū)。請(qǐng)畫(huà)出線性范圍雙端輸出的霍爾集成電路的調(diào)零

當(dāng)UGN3501M感受的磁場(chǎng)為零時(shí)，調(diào)節(jié)5、6、7之間的調(diào)零電位器，可使第1引腳相對(duì)于第8引腳的輸出電壓等于零。2.開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路

開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門(mén)（集電極開(kāi)路輸出門(mén)）等電路做在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，OC門(mén)由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁感應(yīng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門(mén)重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開(kāi)關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路OC門(mén)

施密特觸發(fā)電路

雙端輸入、單端輸出運(yùn)放霍爾元件.Vcc開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路（OC門(mén)輸出）的接線

請(qǐng)按以下電路，將下一頁(yè)中的有關(guān)元件連接起來(lái).開(kāi)始接線開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路

與繼電器的接線?接線完畢開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性

施密特觸發(fā)器的輸入有兩個(gè)閥值VL和VH，可用作緩沖器,消除輸入端的干擾。史密特的輸出特性的回差越大,抗振動(dòng)干擾能力就越強(qiáng)。

當(dāng)磁鐵從遠(yuǎn)到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng)磁鐵從近到遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出再次翻轉(zhuǎn)？回差為多少特斯拉？相當(dāng)于多少高斯（Gs）？第三節(jié)霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、

三個(gè)變量的函數(shù)，即：EH=KHIBcos

。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器可以有許多用途?；魻杺鞲衅髦饕糜跍y(cè)量能夠轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)變化的其他物理量。回目錄一、霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）

霍爾元件什么是特斯拉計(jì)、高斯計(jì)

特斯拉計(jì)也稱高斯計(jì)，是測(cè)量物體于空間上一個(gè)點(diǎn)的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)(交變)磁感應(yīng)強(qiáng)度的儀器。物體發(fā)出的磁力線垂直穿過(guò)霍爾傳感器，從而產(chǎn)生與被測(cè)B成正比的輸出電壓,由液晶板顯示出磁感應(yīng)強(qiáng)度。單位為特斯拉(T)或高斯(Gs)。１T（特斯拉)＝1000mT（毫特斯拉）＝10000Ｇs（高斯）測(cè)量范圍：+/-19999.

9Gs信噪比：0.01Gs分辨力：0.01Gs霍爾元件測(cè)量被測(cè)物剩磁霍爾高斯計(jì)（特斯拉計(jì)）的使用

霍爾元件

測(cè)量磁鐵的磁極方向及剩磁數(shù)值霍爾傳感器用于測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度

霍爾元件測(cè)量電磁繞組鐵心氣隙的B值B二、霍爾式轉(zhuǎn)速表

在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤(pán)，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性形霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤(pán)。齒盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后就可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速齒輪齒數(shù)為z三、霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)取消了換向器和電刷，采用霍爾元件來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置，其輸出信號(hào)控制IGBT，完成電樞電流的換向，維持電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無(wú)刷電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問(wèn)題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。普通直流電動(dòng)機(jī)使用的電刷和換向器霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

采用霍爾開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置，經(jīng)編碼和邏輯換向電路，觸發(fā)功率開(kāi)關(guān)，從而控制電樞繞組電流的換向，維持電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。1－定子底座2－定子鐵心3－霍爾開(kāi)關(guān)4－三相繞組電樞線圈5－外轉(zhuǎn)子6－轉(zhuǎn)軸7－磁極無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車(chē)上的應(yīng)用

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)36~72V電池組內(nèi)定子線圈照片無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車(chē)上的應(yīng)用（續(xù)）

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個(gè)霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個(gè)狀態(tài)編碼信號(hào)，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子永磁磁極之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩。具有效率高、無(wú)火花、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。電動(dòng)自行車(chē)的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)及控制電路

接速度控制器PWM調(diào)速

三相無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)由定子(有內(nèi)定子與外定子之分)、轉(zhuǎn)子(有外轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子之分)、霍爾位置傳感器及換相IGBT電路組成,定子繞組多采用三相星形方式連接。外定子內(nèi)定子直流無(wú)刷電機(jī)中一般安裝3個(gè)霍爾傳感器，間隔120度或60度按圓周分布。如果間隔120度，則3個(gè)霍爾傳感器的輸出波形相差120度電角度；輸出信號(hào)中高、低電平各占180度電角度。如果規(guī)定輸出信號(hào)高電平為“1”，低電平為“0”，則輸出的三個(gè)信號(hào)可用3位二進(jìn)制編碼表示?；魻栔绷鳠o(wú)刷電機(jī)的主電路光驅(qū)用的

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)外轉(zhuǎn)子式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的定子繞組四、霍爾式接近開(kāi)關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作?；魻柦咏_(kāi)關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵?；魻柺浇咏_(kāi)關(guān)(續(xù))

用霍爾IC只能用于鐵磁材料的檢測(cè)，并且還需要建立一個(gè)較強(qiáng)的閉合磁場(chǎng)。

當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距霍爾接近開(kāi)關(guān)幾毫米時(shí)，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，使繼電器吸合或釋放，控制運(yùn)動(dòng)部件停止移動(dòng)（否則將撞壞霍爾IC），起限位的作用。a）外形b）接近式c）滑過(guò)式d）分流翼片式1－運(yùn)動(dòng)部件2－軟鐵分流翼片霍爾式接近開(kāi)關(guān)用于

轉(zhuǎn)速測(cè)量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開(kāi)關(guān)型霍爾IC

T2023/10/1739霍爾轉(zhuǎn)速表在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤(pán)，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤(pán)。齒盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。此處應(yīng)采用線性霍爾傳感器。SN線性霍爾磁鐵2023/10/1740霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過(guò)霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出低電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線從上下側(cè)通過(guò)，輸出為高電平。2023/10/1741霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車(chē)防抱死裝置

（ABS）中的應(yīng)用

（具體見(jiàn)第十三章課件）

若汽車(chē)在剎車(chē)時(shí)車(chē)輪被抱死,將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)檢測(cè)和保持車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng),有助于控制剎車(chē)力的大小和防止側(cè)偏。多數(shù)汽車(chē)的底盤(pán)上海安裝有“地面多普勒雷達(dá)”。與ABS配合,檢測(cè)汽車(chē)的直線運(yùn)動(dòng)速度。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法

只要黑色金屬（導(dǎo)磁體）旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度的脈動(dòng)，從而引起霍爾電勢(shì)的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速脈沖?；魻栐盆F五、霍爾電流傳感器當(dāng)有電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周?chē)鷮a(chǎn)生磁場(chǎng)，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過(guò)霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。將被測(cè)電流的導(dǎo)線穿過(guò)霍爾電流傳感器的檢測(cè)孔。霍爾電流傳感器演示(續(xù))鐵心線性霍爾IC

EH=KBB=

KI

I

I導(dǎo)線穿過(guò)霍爾電流傳感器鐵心的過(guò)程I

穿過(guò)鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與被測(cè)電流I比成正。霍爾IC的輸出電動(dòng)勢(shì)EH與B成正比，所以也與被測(cè)電流I比成正。其他霍爾

電流傳感器其他霍爾電流

傳感器（續(xù)）霍爾式鉗形電流表（交直流兩用)

(“電流互感器”只能用于交流電流的測(cè)量）壓舌豁口霍爾式鉗形電流表演示直流200A量程

被測(cè)電流的導(dǎo)線未放入鐵心時(shí)示值為零。70.9A鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開(kāi)，導(dǎo)線由此穿過(guò)霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示霍爾式鉗形電流表演示70.9A霍爾式鉗形電流表的使用（續(xù)）被測(cè)電流的導(dǎo)線從此處穿入鉗形表的環(huán)形鐵心手指按下此處，將鉗形表的鐵心張開(kāi)將被測(cè)電流導(dǎo)線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中

將空調(diào)電源的“三芯護(hù)套線”夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中，鉗形表的示值為多少？為什么？各種霍爾電流傳感器的使用磁力線磁力線導(dǎo)線必須處于鐵心的中央位置霍爾式鉗形電流表的使用（續(xù)）叉形鉗形表的漏磁稍大，但使用方便

用鉗形表測(cè)量電動(dòng)機(jī)的相電流霍爾式電流

諧波分析儀

被測(cè)電流的諧波頻譜鐵心的縫隙

鐵心的杠桿壓舌諧波分析儀將非正弦周期性電流信號(hào)按傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，得到頻率為基波頻率整數(shù)倍的各正弦分量幅值。霍爾電流傳感器的技術(shù)指標(biāo)某型號(hào)霍爾電流傳感器技術(shù)指標(biāo)額定輸入電流（交直流兩用）：300A

額定輸出電壓：5V，或額定輸出電流：4~20mA電源電壓：±15V

失調(diào)電壓：25mV

失調(diào)電壓漂移：≤±1mV/℃

線性度：≤1%FS

響應(yīng)時(shí)間：≤2μS

絕緣電壓：50Hz，2.5kV（1min）

工作溫度：-10～+70℃

匝數(shù)比：1:2000

現(xiàn)在時(shí)間是：*霍爾電流傳感器的技術(shù)指標(biāo)與計(jì)算

“匝數(shù)比”i

：根據(jù)磁場(chǎng)有關(guān)定律，同一個(gè)鐵心中的一次繞組與二次繞組必須有相等的“安匝數(shù)”，即：

IPNP=ISNS，或IPN被定義為一次額定電流;ISN被定義為二次額定電流。通常“一次線圈”

NP=1；NSN為廠家所設(shè)定的“額定二次線圈的匝數(shù)”。下標(biāo)中的“N”表示“額定”。額定電流比KN=IPN/ISN；匝數(shù)比i=NP/NS；KN=i。開(kāi)環(huán)型的磁強(qiáng)計(jì)式霍爾電流傳感器沒(méi)有二次側(cè)線圈。磁平衡式霍爾電流傳感器示意圖.高職資料咨詢電話爾電流傳感器的匝數(shù)比計(jì)算例1:設(shè)某型號(hào)霍爾電流傳感器的額定匝數(shù)比NPN/NSN=1:300，標(biāo)準(zhǔn)額定電流(最大被測(cè)電流)IPN=30A，二次線圈的額定負(fù)載電阻RSN=30Ω。通電后，用電流表測(cè)得二次電流IS=75mA，求：1）輸出到弱電回路的輸出電壓US；2）額定二次電流ISN；3）被測(cè)電流IP。解：1）US=RS×IS=30Ω×0.075A=2.25V2）根據(jù)匝數(shù)比等于電流比，額定二次電流3）根據(jù)匝數(shù)比等于電流比，被測(cè)電流IP為：

霍爾電流傳感器的電流比計(jì)算（續(xù)）

電流比定義