梁森——霍爾傳感器講解

1、2021-6-281 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社 中等職業(yè)教育電氣類規(guī)劃教材中等職業(yè)教育電氣類規(guī)劃教材 自動檢測與轉換技術自動檢測與轉換技術 第八章第八章 多媒體課件 200951 更新 2021-6-282 第八章第八章 霍爾傳感器霍爾傳感器 在這一章里，卡卡要給大家介紹霍爾傳在這一章里，卡卡要給大家介紹霍爾傳 感器的原理、特性、霍爾集成電路（霍爾感器的原理、特性、霍爾集成電路（霍爾 IC）及其應用?；魻枺┘捌鋺谩；魻朓C可以用于測量地球可以用于測量地球 磁場，制成電羅盤；將霍爾磁場，制成電羅盤；將霍爾IC夾在環(huán)形鐵夾在環(huán)形鐵 心的缺口中，可以制成大電流變送器。霍心的缺口中，可以制成大電

2、流變送器?；?爾傳感器還廣泛用于高斯計、無刷電動機、爾傳感器還廣泛用于高斯計、無刷電動機、 接近開關等?；魻杺鞲衅鞯淖畲筇攸c是非接近開關等?；魻杺鞲衅鞯淖畲筇攸c是非 接觸測量。接觸測量。 最基本的霍最基本的霍 爾元件是一爾元件是一 種種四端元件四端元件 第一節(jié)第一節(jié) 霍爾元件的結構及工作原理霍爾元件的結構及工作原理 半導體薄片置于磁感應強度為半導體薄片置于磁感應強度為B 的磁場中，的磁場中， 磁場方向垂直于薄片，當有電流磁場方向垂直于薄片，當有電流I 流過薄片時，在流過薄片時，在 垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢EH，這，這 種現象稱為種現象稱為霍爾效應

3、霍爾效應。 磁感應強度磁感應強度B B為零時的情況為零時的情況 c c d d a a b b 磁感應強度磁感應強度B B 較大時的情況較大時的情況 作用在半導體薄片上的磁場強度作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢越強，霍爾電勢 也就越高?；魻栯妱菀簿驮礁摺；魻栯妱軪H可用下式表示：可用下式表示： EH=KH IB 霍爾效應動畫演示霍爾效應動畫演示 當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的 作用，作用，向內側（向內側（d 側）偏移，在半導體薄片側）偏移，在半導體薄片c、d方方 向的端面之間建立起霍爾電勢。向的端面之間建立起霍爾電勢。 c c d d

4、a a b b a a d d c c b b 磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢 若磁感應強度若磁感應強度B B不垂直于霍爾元件，而是與其不垂直于霍爾元件，而是與其法法 線成某一角度線成某一角度 時，實際上作用于霍爾元件上的時，實際上作用于霍爾元件上的有效有效 磁感應強度磁感應強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分 量，即量，即B Bcoscos ，這時的，這時的霍爾電勢與法線的夾角的余弦霍爾電勢與法線的夾角的余弦 成正比成正比： E EH H= =K KH HIBIBcoscos 磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢磁場

5、不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢演示演示 結論：結論：霍爾電勢與輸入電流霍爾電勢與輸入電流I、磁感應強度、磁感應強度B成正比。成正比。 當當B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。 如果所施加的磁場為交變磁場，霍爾電勢為同頻率如果所施加的磁場為交變磁場，霍爾電勢為同頻率 的交變電勢的交變電勢。 a a c c d d b b 霍爾元件的主要外特性參數霍爾元件的主要外特性參數 最大最大磁感應強度磁感應強度BM 上圖所示霍爾元件的線性范圍是上圖所示霍爾元件的線性范圍是負的多少高斯負的多少高斯 至正的多少高斯至正的多少高斯？（？（1T104Gs） 線性區(qū)線性區(qū)

6、 mVmV B B 霍爾元件的主要外特性參數（續(xù)）霍爾元件的主要外特性參數（續(xù)） 最大最大激勵電流激勵電流IM : : 由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大，故由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大，故 在應用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵在應用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵 電流增大，霍爾元件的電流增大，霍爾元件的功耗增大功耗增大，元件的溫度元件的溫度 升高升高，從而，從而引起霍爾電勢的溫漂增大引起霍爾電勢的溫漂增大，因此每，因此每 種型號的元件均規(guī)定了相應的種型號的元件均規(guī)定了相應的最大激勵電流最大激勵電流， 它的數值從幾毫安至十幾毫安。它的數值從幾毫安至十幾毫安。 以下哪一個以下哪一個激勵

7、電流的數值較為妥當激勵電流的數值較為妥當？ 8A 8A 0.8mA0.8mA 8mA8mA 80mA 80mA 第二節(jié)第二節(jié) 霍爾集成電路霍爾集成電路 霍爾集成電路可分為線性型和開關型兩大類?；魻柤呻娐房煞譃榫€性型和開關型兩大類。 線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差 動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直 接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件 如如UGN3501等。等。 線性型三端線性型三端 霍爾集成電路霍爾集成電路 線性型霍爾特性線

8、性型霍爾特性 右圖示出了具有雙右圖示出了具有雙 端差動輸出特性的線性端差動輸出特性的線性 霍爾器件的輸出特性曲霍爾器件的輸出特性曲 線。當磁場為零時，它線。當磁場為零時，它 的輸出電壓等于零；當的輸出電壓等于零；當 感受的磁場為正向（磁感受的磁場為正向（磁 鋼的鋼的S S極對準霍爾器件極對準霍爾器件 的正面）時，的正面）時， 輸出為輸出為 正；磁場反向時，輸出正；磁場反向時，輸出 為負。為負。 請畫出線性范圍請畫出線性范圍 開關型霍爾集成電路開關型霍爾集成電路 開關型霍爾集成電路是將開關型霍爾集成電路是將霍爾元件霍爾元件、穩(wěn)穩(wěn) 壓電路壓電路、放大器放大器、施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器、OC門門（集

9、（集 電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。 當外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，當外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，OC門門 由高阻態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖接筛咦钁B(tài)變?yōu)閷顟B(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖剑?當當外加磁場強度低于釋放點時，外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變門重新變 為高阻態(tài)，輸出高電平為高阻態(tài)，輸出高電平。較典型的開關型霍。較典型的開關型霍 爾器件如爾器件如UGN3020等。等。 開關型霍爾集成電路開關型霍爾集成電路 的外形及內部電路的外形及內部電路 OCOC門門 施密特施密特 觸發(fā)電路觸發(fā)電路 雙端輸入、雙端輸入、 單端輸出運放單端輸出運

10、放 霍爾霍爾 元件元件 . . VccVcc 開關型霍爾集成電路開關型霍爾集成電路 （OC門輸出）的接線門輸出）的接線 請按以下電路，將下一頁中的有關元件連接起來請按以下電路，將下一頁中的有關元件連接起來. 開關型霍爾集成電路開關型霍爾集成電路 與繼電器的接線與繼電器的接線 ? ? 開關型霍爾集成電路的史密特輸出特性開關型霍爾集成電路的史密特輸出特性 回差越回差越 大，抗振動大，抗振動 干擾能力就干擾能力就 越強。越強。 當磁鐵當磁鐵從遠到近地接近霍爾從遠到近地接近霍爾IC，到多少，到多少 特斯拉時輸出翻轉？當特斯拉時輸出翻轉？當磁鐵從近到遠地遠離磁鐵從近到遠地遠離 霍爾霍爾IC，到多少特斯拉

11、時輸出，到多少特斯拉時輸出再次翻轉再次翻轉？回回 差為多少特斯拉差為多少特斯拉？相當于多少高斯（？相當于多少高斯（Gs）？）？ 第三節(jié)第三節(jié) 霍爾傳感器的應用霍爾傳感器的應用 霍爾電勢是關于霍爾電勢是關于I、B、 三個變量的函三個變量的函 數，即數，即 EH=KHIBcos 。 利用這個關系可以使利用這個關系可以使其中兩個量不變其中兩個量不變， 將將第三個量作為變量第三個量作為變量，或者固定其中一個量，或者固定其中一個量， 其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器 有許多用途。有許多用途。 霍爾傳感器主要用于測量能夠轉換為霍爾傳感器主要用于測量能夠轉換為 磁

12、場變化的其他物理量。磁場變化的其他物理量。 霍爾特斯拉計（高斯計）霍爾特斯拉計（高斯計） 霍爾元件霍爾元件 霍爾高斯計（特斯拉計）的使用霍爾高斯計（特斯拉計）的使用 霍爾元件霍爾元件 磁鐵磁鐵 霍爾傳感器用于測量磁場強度霍爾傳感器用于測量磁場強度 霍爾元件霍爾元件 測量鐵心測量鐵心 氣隙的氣隙的B值值 霍爾轉速表霍爾轉速表 60 22 f n 在被測轉速的轉軸上安裝一個在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤齒盤，也可選取機，也可選取機 械系統中的一個械系統中的一個齒輪齒輪，將，將線性型線性型霍爾器件及磁路系統霍爾器件及磁路系統 靠近齒盤靠近齒盤。齒盤的轉動使磁路的。齒盤的轉動使磁路的磁阻隨氣隙的改變磁

13、阻隨氣隙的改變而而 周期性地變化，霍爾器件輸出的周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經隔直、微小脈沖信號經隔直、 放大、整形后可以確定被測物的轉速放大、整形后可以確定被測物的轉速。 S SN N 線性霍爾線性霍爾 磁鐵磁鐵 霍爾轉速表原理霍爾轉速表原理 當齒對準霍爾元件時，磁力線當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍集中穿過霍 爾元件爾元件，可產生較大的霍爾電動勢，放大、整，可產生較大的霍爾電動勢，放大、整 形后輸出高電平；反之，當形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍齒輪的空擋對準霍 爾元件時，輸出為低電平爾元件時，輸出為低電平。 霍爾轉速傳感器在汽車防抱死裝置霍爾轉速傳感器在汽車防抱死

14、裝置 （ABS）中的應用）中的應用 若汽車在剎車時車輪被若汽車在剎車時車輪被抱死抱死，將產生危險。，將產生危險。 用霍爾轉速傳感器來檢測和保持車輪的用霍爾轉速傳感器來檢測和保持車輪的轉動轉動， 有助于有助于控制剎車力的大小控制剎車力的大小和防止和防止側偏側偏。 帶有微帶有微 型磁鐵型磁鐵 的霍爾的霍爾 傳感器傳感器 鋼質鋼質 霍爾霍爾 霍爾轉速表的其他安裝方法霍爾轉速表的其他安裝方法 只要黑色金屬旋轉體的表面存在只要黑色金屬旋轉體的表面存在缺口或突缺口或突 起起，就，就可產生磁場強度的脈動可產生磁場強度的脈動，從而，從而引起霍爾引起霍爾 電勢的變化電勢的變化，產生轉速信號產生轉速信號。 霍爾元

15、件霍爾元件 磁鐵磁鐵 霍爾式無觸點汽車電子點火裝置霍爾式無觸點汽車電子點火裝置 采用霍爾式無采用霍爾式無 觸點電子點火裝置觸點電子點火裝置 能較好地能較好地克服汽車克服汽車 合金觸點點火時間合金觸點點火時間 不準確、不準確、觸點易燒觸點易燒 壞壞、高速時動力不高速時動力不 足足等缺點等缺點。 汽車點火線圈汽車點火線圈 高壓輸出高壓輸出 接頭接頭 12V低壓電源低壓電源 輸入接頭輸入接頭 霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理 桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖 1-1-觸發(fā)器葉片觸發(fā)器葉片 2- -槽口槽口 3- -分電器轉軸分電器轉軸

16、4- -永久磁鐵永久磁鐵 5- -霍爾集成電路（霍爾集成電路（PNP型霍爾型霍爾IC） a a）帶缺口的觸發(fā)器葉片）帶缺口的觸發(fā)器葉片 b）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集 成電路之間的安裝關系成電路之間的安裝關系 c c）葉片位置與點火正時的關系）葉片位置與點火正時的關系 霍爾式無觸點汽車電子點火裝置霍爾式無觸點汽車電子點火裝置(續(xù)）續(xù)） 汽車電子點火電路及波形汽車電子點火電路及波形 1點火開關點火開關 2達林頓晶體管功率開關達林頓晶體管功率開關 3點火線圈低壓側點火線圈低壓側 4點火線圈鐵心點火線圈鐵心 5點火線圈高壓側點火線圈高壓側 6分火頭分火頭 7火花塞火花

17、塞 a a）電路）電路 b）霍爾）霍爾IC及點火線圈高壓側輸出波形及點火線圈高壓側輸出波形 霍爾式無觸點汽車電子點火裝置霍爾式無觸點汽車電子點火裝置(續(xù)）續(xù)） 當葉片遮擋在霍爾當葉片遮擋在霍爾ICIC面前時，面前時，PNPPNP型霍爾型霍爾 ICIC的輸出為低電平，晶體管功率開關處于導通的輸出為低電平，晶體管功率開關處于導通 狀態(tài)，狀態(tài)，點火線圈低壓側有較大電流通過點火線圈低壓側有較大電流通過，并以，并以 磁場能量的形式儲存在點火線圈的鐵心中磁場能量的形式儲存在點火線圈的鐵心中。 當葉片槽口轉到霍爾當葉片槽口轉到霍爾IC面前時，面前時，霍爾霍爾IC輸輸 出跳變?yōu)楦唠娖匠鎏優(yōu)楦唠娖剑浄聪嘧優(yōu)?/p>

18、低電平，經反相變?yōu)榈碗娖?，達林頓達林頓 管截止管截止，切斷點火線圈的低壓側電流切斷點火線圈的低壓側電流。由于沒。由于沒 有續(xù)流元件，所以存儲在點火線圈鐵心中的有續(xù)流元件，所以存儲在點火線圈鐵心中的磁磁 場能量在高壓側感應出場能量在高壓側感應出3050kV的高電壓的高電壓。 汽車電子點火裝置使用的點火控制器、汽車電子點火裝置使用的點火控制器、 霍爾傳感器及點火總成霍爾傳感器及點火總成 磁鐵磁鐵 點火總成點火總成 霍爾式無刷電動機霍爾式無刷電動機 霍爾式無刷電動機霍爾式無刷電動機取消取消 了換向器和電刷了換向器和電刷，而，而采用霍爾采用霍爾 元件來檢測轉子和定子之間的元件來檢測轉子和定子之間的 相

19、對位置相對位置，其輸出信號控制電，其輸出信號控制電 樞電流的換向，維持電動機的樞電流的換向，維持電動機的 正常運轉。正常運轉。 由于無刷電動機由于無刷電動機不產生不產生 電火花及電刷磨損等問題電火花及電刷磨損等問題，所，所 以它在以它在錄像機、錄像機、CD唱機唱機、光、光 驅等家用電器中得到越來越廣驅等家用電器中得到越來越廣 泛的應用。泛的應用。 普通直流電動機使普通直流電動機使 用的電刷和換向器用的電刷和換向器 無刷電動機在電動自行車上的應用無刷電動機在電動自行車上的應用 電動自行車電動自行車 可充電可充電 電池組電池組 無刷電動機無刷電動機 無刷電動機在電動無刷電動機在電動 自行車上的應用

20、自行車上的應用 無刷直流電動機無刷直流電動機 的的外轉子采用高性能外轉子采用高性能 釹鐵硼稀土永磁材料釹鐵硼稀土永磁材料； 三個霍爾位置傳感器三個霍爾位置傳感器 產生六個狀態(tài)編碼信產生六個狀態(tài)編碼信 號號，控制逆變橋各功控制逆變橋各功 率管通斷率管通斷，使，使三相內三相內 定子線圈與外轉子之定子線圈與外轉子之 間產生連續(xù)轉矩間產生連續(xù)轉矩。具。具 有效率高、無火花、有效率高、無火花、 可靠性強等特點。可靠性強等特點。 電動自行車的電動自行車的無刷電動機及控制電路無刷電動機及控制電路 去速度去速度 控制器控制器 利用利用 PWM 調速調速 光驅用的無刷電動機內部結構光驅用的無刷電動機內部結構 霍

21、爾式接近開關霍爾式接近開關 當磁鐵的有效磁極接當磁鐵的有效磁極接 近、并達到動作距離時，近、并達到動作距離時， 霍爾式接近開關動作?；艋魻柺浇咏_關動作?；?爾接近開關一般還配一塊爾接近開關一般還配一塊 釹鐵硼磁鐵。釹鐵硼磁鐵。 霍爾式接近開關霍爾式接近開關 用霍爾用霍爾ICIC只能用于鐵只能用于鐵 磁材料的檢測，并且還需要磁材料的檢測，并且還需要 建立一個較強的閉合磁場。建立一個較強的閉合磁場。 當磁鐵隨運當磁鐵隨運 動部件移動到動部件移動到距距 霍爾接近開關幾霍爾接近開關幾 毫米毫米時，時，霍爾霍爾ICIC 的輸出由高電平的輸出由高電平 變?yōu)榈碗娖阶優(yōu)榈碗娖?，使，?繼電器吸合或釋繼電器吸

22、合或釋 放放，控制運動部，控制運動部 件件停止移動停止移動（否（否 則將撞壞霍爾則將撞壞霍爾 ICIC），），起限位的起限位的 作用作用。 霍爾式接近開關用于霍爾式接近開關用于 轉速測量演示轉速測量演示n= = 6060 f 4 (r/min) 軟鐵分流翼片軟鐵分流翼片 開關型霍爾開關型霍爾IC IC T T 霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器 將將被測電流的被測電流的 導線穿過霍爾電流導線穿過霍爾電流 傳感器的檢測孔傳感器的檢測孔。 當有電流通過導線當有電流通過導線 時，時，在導線周圍將在導線周圍將 產生磁場產生磁場，磁力線，磁力線 集中在鐵心內，并集中在鐵心內，并 在鐵心的缺口處穿在鐵心的缺口處穿 過霍爾元件過霍爾元件，從而，從而 產生與電流成正比產生與電流成正比 的霍爾電壓的霍爾電壓。 霍爾電流傳感器演示霍爾電流傳感器演示 鐵心鐵心 線性霍爾線性霍爾IC EH=KI I 所實現的多媒體界面：所實現的多媒體界面： 其他霍爾其他霍爾 電流傳感器電流傳感器 其他霍爾電流其他霍爾電流 傳感器（續(xù)）傳感器（續(xù)） 霍爾鉗形電流表（交直流兩用）霍爾鉗形電流表（交直流兩用） 壓舌壓舌 豁口豁口 霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示 直流直流200A量程量程 被測電流的被測電流的 導線未放入導線未放入 鐵心時示值鐵心時示值 為零為零 70.9A70.9A 鉗形表的環(huán)形鐵鉗形表的