傳感器8章磁敏

1、歡歡 迎迎 來來 到到傳感器課堂！傳感器課堂！第第8 8章章 磁電式傳感器磁電式傳感器 工作原理：對(duì)一個(gè)匝數(shù)為工作原理：對(duì)一個(gè)匝數(shù)為N的線圈，當(dāng)穿過它的磁通量的線圈，當(dāng)穿過它的磁通量 發(fā)生變化時(shí)，線圈產(chǎn)生的感發(fā)生變化時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 磁通磁通 的變化可通過多種方法來實(shí)現(xiàn)，如磁鐵與線圈之間作切割磁的變化可通過多種方法來實(shí)現(xiàn)，如磁鐵與線圈之間作切割磁力線運(yùn)動(dòng)、磁路中磁阻變化、恒定磁場中線圈面積變化等，因此可制造出不同類型的力線運(yùn)動(dòng)、磁路中磁阻變化、恒定磁場中線圈面積變化等，因此可制造出不同類型的傳感器，用于測(cè)量速度、扭矩等物理量。按結(jié)構(gòu)方式不同，磁電式傳感器可分為傳感器，用于測(cè)量速

2、度、扭矩等物理量。按結(jié)構(gòu)方式不同，磁電式傳感器可分為動(dòng)圈動(dòng)圈式和磁阻式式和磁阻式。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 利用電磁感應(yīng)原理，將輸入利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出的傳感器；有源傳感器；具出的傳感器；有源傳感器；具有較大的輸出功率；具有雙向有較大的輸出功率；具有雙向轉(zhuǎn)換特性；轉(zhuǎn)換特性；只應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。只應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。8.1 動(dòng)圈式傳感器動(dòng)圈式傳感器 圖圖8.18.1所示為動(dòng)圈式磁電感應(yīng)式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。當(dāng)線圈在垂直于磁場方向作所示為動(dòng)圈式磁電感應(yīng)式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。當(dāng)線圈在垂直于磁場方向作直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，若以線圈相對(duì)磁場運(yùn)動(dòng)的速度直線運(yùn)動(dòng)或旋

3、轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，若以線圈相對(duì)磁場運(yùn)動(dòng)的速度v或角速度或角速度表示，則所產(chǎn)生的表示，則所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為為式中式中l(wèi) l每匝線圈的平均長度每匝線圈的平均長度 B B線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度S S每匝線圈的平均截面每匝線圈的平均截面積。積。 圖圖8.1 8.1 動(dòng)圈式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖動(dòng)圈式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 在傳感器中當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，在傳感器中當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、l、N、S均為定值，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)均為定值，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與線圈相對(duì)磁與線圈相對(duì)磁場的運(yùn)動(dòng)速度場的運(yùn)動(dòng)速度(v或或)成正比，所以這類傳感器的基本形式是速度傳感器，能直接測(cè)量成正比，所以這類傳感器的基本形式是

4、速度傳感器，能直接測(cè)量線速度或角速度。如果在其測(cè)量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測(cè)線速度或角速度。如果在其測(cè)量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測(cè)量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。 動(dòng)圈式磁電傳感器接等效電路，其原理如圖動(dòng)圈式磁電傳感器接等效電路，其原理如圖8.28.2所示，其等效電路的輸出電壓：所示，其等效電路的輸出電壓： 式中式中e0為發(fā)電線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；為發(fā)電線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；R0為線圈電阻，一般為線圈電阻，一般R0=0.13K;RL為負(fù)載電阻（放為負(fù)載電阻

5、（放大器輸入電阻）；大器輸入電阻）；Cc為電纜導(dǎo)線的分布電阻，一般為電纜導(dǎo)線的分布電阻，一般Cc=70pF/m；Rc為電纜導(dǎo)線電阻，為電纜導(dǎo)線電阻，一般一般Rc=0.03/m。 在不使用特別加長電纜時(shí)，在不使用特別加長電纜時(shí)，Cc可忽略，因此，當(dāng)可忽略，因此，當(dāng)RLR0時(shí)，則放大器輸入電壓時(shí)，則放大器輸入電壓eLe0。感應(yīng)電動(dòng)式經(jīng)放大、檢波后，即可推動(dòng)指示儀表。使用動(dòng)圈式磁電傳感器，如果測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)式經(jīng)放大、檢波后，即可推動(dòng)指示儀表。使用動(dòng)圈式磁電傳感器，如果測(cè)量電路中接有微分網(wǎng)絡(luò)，則可以得到加速度或位移。電路中接有微分網(wǎng)絡(luò)，則可以得到加速度或位移。 圖圖8.2 8.2 等效電路等效電路8.2

6、 8.2 磁阻式傳感器磁阻式傳感器 磁阻式又稱變磁通式或變氣隙式，常用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。其結(jié)構(gòu)原理如磁阻式又稱變磁通式或變氣隙式，常用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。其結(jié)構(gòu)原理如圖圖8.38.3所示。圖所示。圖a為開路變磁通式，線圈為開路變磁通式，線圈3和磁鐵和磁鐵5靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪2(導(dǎo)磁材料制成導(dǎo)磁材料制成)按照在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體按照在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體1上，隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，傳感器磁路磁阻變化一次，上，隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，傳感器磁路磁阻變化一次，線圈線圈3產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化頻率等于測(cè)量齒輪產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化頻率等于測(cè)量齒輪2上齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。圖上齒輪

7、的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。圖b為閉合磁路變磁通式結(jié)構(gòu)示意圖，被測(cè)轉(zhuǎn)軸為閉合磁路變磁通式結(jié)構(gòu)示意圖，被測(cè)轉(zhuǎn)軸1帶動(dòng)橢圓形測(cè)量齒輪帶動(dòng)橢圓形測(cè)量齒輪2在磁場氣隙中等速在磁場氣隙中等速轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣隙平均長度周期性變化，因而磁路磁阻也周期性變化，磁通同樣周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣隙平均長度周期性變化，因而磁路磁阻也周期性變化，磁通同樣周期性變化，則在線圈變化，則在線圈3中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其頻率中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其頻率f與測(cè)量齒輪與測(cè)量齒輪2轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速n(r/min)成正比，即成正比，即圖圖8.3 8.3 磁阻式結(jié)構(gòu)原理磁阻式結(jié)構(gòu)原理磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。當(dāng)安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所

8、示。當(dāng)安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上的齒輪（導(dǎo)磁體）旋轉(zhuǎn)時(shí)，其齒依次通過永久磁鐵兩磁極軸上的齒輪（導(dǎo)磁體）旋轉(zhuǎn)時(shí)，其齒依次通過永久磁鐵兩磁極間的間隙，從而在線圈上感應(yīng)出頻率和幅值均與軸轉(zhuǎn)速成比例間的間隙，從而在線圈上感應(yīng)出頻率和幅值均與軸轉(zhuǎn)速成比例的交流電壓信號(hào)的交流電壓信號(hào)u u0 0。變磁通式傳感器對(duì)環(huán)境條件要求不高，能在變磁通式傳感器對(duì)環(huán)境條件要求不高，能在-15090的溫度下工作，不影響測(cè)量的溫度下工作，不影響測(cè)量精度，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為精度，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為50Hz，上限可達(dá)上限可達(dá)100Hz。 1.1.磁電

9、式絕對(duì)速度計(jì)磁電式絕對(duì)速度計(jì) 如右圖，當(dāng)被測(cè)物與外殼固如右圖，當(dāng)被測(cè)物與外殼固接時(shí)，若被測(cè)物振動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)接時(shí)，若被測(cè)物振動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于質(zhì)量大于質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的固有彈簧系統(tǒng)的固有頻率，被測(cè)物與質(zhì)量塊的相對(duì)頻率，被測(cè)物與質(zhì)量塊的相對(duì)速度近似于絕對(duì)速度，也就是速度近似于絕對(duì)速度，也就是線圈的輸出電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)物絕線圈的輸出電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)物絕對(duì)速度成正比。對(duì)速度成正比。 2.2.磁電式相對(duì)速度計(jì)磁電式相對(duì)速度計(jì) 如右圖，測(cè)量時(shí)，殼體固定如右圖，測(cè)量時(shí)，殼體固定在一個(gè)試件上，頂桿頂住另一在一個(gè)試件上，頂桿頂住另一試件，則線圈在磁場中運(yùn)動(dòng)速試件，則線圈在磁場中運(yùn)動(dòng)速度就是兩試件的相對(duì)速度。速度就是兩試件的相對(duì)速

10、度。速度計(jì)的輸出電壓與兩試件的相度計(jì)的輸出電壓與兩試件的相對(duì)速度成正比。相對(duì)式速度計(jì)對(duì)速度成正比。相對(duì)式速度計(jì)可測(cè)量的最低頻率接近于零可測(cè)量的最低頻率接近于零. 3 3、CS-CD-1CS-CD-1型磁電式速度傳感器型磁電式速度傳感器 CS-CD-1型磁電式速度傳感器是專門用于安裝在蘇型磁電式速度傳感器是專門用于安裝在蘇-27、蘇、蘇-30飛機(jī)上的發(fā)飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量或?qū)︼w行中的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的一種速度傳感器。磁動(dòng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量或?qū)︼w行中的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的一種速度傳感器。磁電式速度傳感器又稱感應(yīng)式振動(dòng)速度傳感器，簡稱振動(dòng)變換器。是一種將發(fā)電式速度傳感器又稱感應(yīng)式振動(dòng)速度傳感器，

11、簡稱振動(dòng)變換器。是一種將發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)速度變換成用電動(dòng)勢(shì)表示的電信號(hào)的傳感器。動(dòng)機(jī)的振動(dòng)速度變換成用電動(dòng)勢(shì)表示的電信號(hào)的傳感器。技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)a) 靈敏度：靈敏度： 150mV/cm/s5%（在頻率（在頻率160Hz，速度為，速度為1cm/s情況下測(cè)定）；情況下測(cè)定）；b) 測(cè)量速度范圍：測(cè)量速度范圍： 112 cm/s；c) 工作溫度：工作溫度： -20200；d) 頻響（頻響（10%）：）： 30Hz500Hz；e）幅值線性度偏差：）幅值線性度偏差： 5%。 磁電式速度傳感器是根據(jù)磁電感應(yīng)磁電式速度傳感器是根據(jù)磁電感應(yīng)原理工作的，線圈與傳感器殼體剛性原理工作的，線圈與傳感器殼體剛性連接。傳

12、感器固定在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)連接。傳感器固定在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣上，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，磁匣上，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，磁電式速度傳感器中的永久磁鋼與線圈電式速度傳感器中的永久磁鋼與線圈產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈輸出與相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈輸出與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度成正比的電信號(hào)。速度成正比的電信號(hào)。4. 磁電式振動(dòng)傳感器磁電式振動(dòng)傳感器 線圈金屬骨架在磁場中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)出渦流而受到反方向的作用力。線圈金屬骨架在磁場中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)出渦流而受到反方向的作用力。動(dòng)態(tài)特性分析二階系統(tǒng)表示動(dòng)態(tài)特性分析二階系統(tǒng)表示)()(0022xxkxxdtdcdtxdmmmm202200211）（）（振幅比為：xxt2001)(

13、1)(2tg相位滯后：系統(tǒng)頻率特性表示系統(tǒng)頻率特性表示 屬于慣性式傳感器。是利用磁屬于慣性式傳感器。是利用磁電感應(yīng)原理把振動(dòng)信號(hào)變換成電電感應(yīng)原理把振動(dòng)信號(hào)變換成電信號(hào)。它主要由磁路系統(tǒng)、慣性信號(hào)。它主要由磁路系統(tǒng)、慣性質(zhì)量、彈簧阻尼等部分組成。質(zhì)量、彈簧阻尼等部分組成。工作時(shí)，將傳感器安裝在機(jī)器工作時(shí)，將傳感器安裝在機(jī)器上，在機(jī)器振動(dòng)時(shí)，在傳感器工上，在機(jī)器振動(dòng)時(shí)，在傳感器工作頻率范圍內(nèi)，線圈與磁鐵相對(duì)作頻率范圍內(nèi)，線圈與磁鐵相對(duì)運(yùn)動(dòng)、切割磁力線，在線圈內(nèi)產(chǎn)運(yùn)動(dòng)、切割磁力線，在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓值正比于振生感應(yīng)電壓，該電壓值正比于振動(dòng)速度值。動(dòng)速度值。與二次儀表相配接，即可顯示與二次

14、儀表相配接，即可顯示振動(dòng)速度或位移量的大小。也可振動(dòng)速度或位移量的大小。也可以輸送到其它二次儀表或交流電以輸送到其它二次儀表或交流電壓表進(jìn)行測(cè)量。壓表進(jìn)行測(cè)量。實(shí)例：振動(dòng)速度傳感器實(shí)例：振動(dòng)速度傳感器振動(dòng)監(jiān)測(cè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)飛機(jī)地面振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理方框圖飛機(jī)地面振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理方框圖飛機(jī)振動(dòng)模態(tài)分析飛機(jī)振動(dòng)模態(tài)分析5. 磁電式扭矩測(cè)量傳感器磁電式扭矩測(cè)量傳感器 當(dāng)轉(zhuǎn)軸不受扭矩時(shí)，兩當(dāng)轉(zhuǎn)軸不受扭矩時(shí)，兩線圈輸出信號(hào)相同，相位線圈輸出信號(hào)相同，相位差為零。轉(zhuǎn)軸承受扭矩后，差為零。轉(zhuǎn)軸承受扭矩后，相位差不為零，且隨兩齒相位差不為零，且隨兩齒輪所在橫截面之間相對(duì)扭輪所在橫截面之間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的增加而加大，其大轉(zhuǎn)

15、角的增加而加大，其大小與相對(duì)扭轉(zhuǎn)角、扭矩成小與相對(duì)扭轉(zhuǎn)角、扭矩成正比。正比。 如圖如圖( ( 磁電感應(yīng)式扭矩傳感器磁電感應(yīng)式扭矩傳感器) )所示，在轉(zhuǎn)軸上固定兩個(gè)齒輪所示，在轉(zhuǎn)軸上固定兩個(gè)齒輪1 1和和2 2，它們的材質(zhì)、尺寸、齒形和齒數(shù)均相同。永久磁鐵和線，它們的材質(zhì)、尺寸、齒形和齒數(shù)均相同。永久磁鐵和線圈組成的磁電式檢測(cè)頭圈組成的磁電式檢測(cè)頭3 3和和4 4對(duì)著齒頂安裝。對(duì)著齒頂安裝。8.3 8.3 霍爾傳感器霍爾傳感器 霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應(yīng)用?；魻柶骷且?/p>

16、種磁傳感器。用它們傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應(yīng)用。霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測(cè)磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻柶骷钥梢詸z測(cè)磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)?；魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。 霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、），耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器

17、件無觸點(diǎn)、無磨損、輸霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)m級(jí)）。采用了級(jí)）。采用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá).55150。 按照霍爾器件的功能可將它們分為按照霍爾器件的功能可將它們分為: 霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。前者霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。8.3.1 8.3.1 霍爾效應(yīng)與霍爾元件霍爾效應(yīng)與霍爾元件8.3.1.1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 在

18、置于磁場的導(dǎo)體或半導(dǎo)體中通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都在置于磁場的導(dǎo)體或半導(dǎo)體中通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電勢(shì)差，垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電勢(shì)差，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，是由科學(xué)家愛德文這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，是由科學(xué)家愛德文霍爾在霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。產(chǎn)生的電勢(shì)差稱為霍爾電壓。年發(fā)現(xiàn)的。產(chǎn)生的電勢(shì)差稱為霍爾電壓。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾傳利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾傳感器。見圖感器。見圖8.5，半導(dǎo)體材料的長、寬、厚分別為，半導(dǎo)體材料的長、寬、厚分別為l、和。在與軸相垂直的兩個(gè)、和。在與軸相垂直的兩個(gè)端面和上做兩個(gè)金屬電極，稱為控

19、制電極。在控制電極上外加一電壓，材料中端面和上做兩個(gè)金屬電極，稱為控制電極。在控制電極上外加一電壓，材料中便形成一個(gè)沿方向流動(dòng)的電流，稱為控制電流。便形成一個(gè)沿方向流動(dòng)的電流，稱為控制電流。 設(shè)圖設(shè)圖8.5中的材料是型半導(dǎo)體，導(dǎo)電的載流子是電子。在軸方向的磁場作用下，中的材料是型半導(dǎo)體，導(dǎo)電的載流子是電子。在軸方向的磁場作用下，電子將受到一個(gè)沿軸負(fù)方向力的作用，這個(gè)力就是洛侖茲力。洛侖茲力用電子將受到一個(gè)沿軸負(fù)方向力的作用，這個(gè)力就是洛侖茲力。洛侖茲力用F表示，表示，大小為：大小為：FL=qvB 式中，式中，q q為載流子電荷；為載流子的運(yùn)動(dòng)速度；為磁感應(yīng)強(qiáng)度。為載流子電荷；為載流子的運(yùn)動(dòng)速度

20、；為磁感應(yīng)強(qiáng)度。zxyIADBCBbldUHA、 B-霍爾電極 C、 D-控制電極圖圖8.5 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 在洛侖茲力的作用下，電子向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使該側(cè)形成負(fù)電荷的積累，另一側(cè)則形成在洛侖茲力的作用下，電子向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使該側(cè)形成負(fù)電荷的積累，另一側(cè)則形成正電荷的積累。這樣，正電荷的積累。這樣，A、B兩端面因電荷積累而建立了一個(gè)電場兩端面因電荷積累而建立了一個(gè)電場，稱為霍爾電場。，稱為霍爾電場。該電場對(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)電場力與該電場對(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)電場力與洛侖茲力相等時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)有洛侖茲力相等時(shí)，達(dá)

21、到動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)有 qEh=qvB霍爾電場的強(qiáng)度為霍爾電場的強(qiáng)度為 Eh=vB在在A與與B兩點(diǎn)間建立的電勢(shì)差稱為霍爾電壓，用兩點(diǎn)間建立的電勢(shì)差稱為霍爾電壓，用UH表示表示 UH= Ehb= vBb * 由上式可見，霍爾電壓的大小決定于載流體中電子的運(yùn)動(dòng)速度，它隨載流體材料的由上式可見，霍爾電壓的大小決定于載流體中電子的運(yùn)動(dòng)速度，它隨載流體材料的不同而不同。材料中電子在電場作用下運(yùn)動(dòng)速度的大小常用載流子遷移率來表征，所不同而不同。材料中電子在電場作用下運(yùn)動(dòng)速度的大小常用載流子遷移率來表征，所謂載流子遷移率，是指在單位電場強(qiáng)度作用下，載流子的平均速度值。載流子遷移率謂載流子遷移率，是指在單位電場強(qiáng)

22、度作用下，載流子的平均速度值。載流子遷移率用符號(hào)用符號(hào)表示，表示，=v/EI。其中。其中EI是是C、D兩端面之間的電場強(qiáng)度。它是由外加電壓兩端面之間的電場強(qiáng)度。它是由外加電壓U產(chǎn)生的，即產(chǎn)生的，即EIU/L。因此我們可以把電子運(yùn)動(dòng)速度表示為。因此我們可以把電子運(yùn)動(dòng)速度表示為v=U/l。這時(shí)式。這時(shí)式(*)可改可改寫為寫為: *bBlUUH當(dāng)材料中的電子濃度為當(dāng)材料中的電子濃度為n時(shí)，有如下關(guān)系式時(shí)，有如下關(guān)系式: I=nqbdv 即即 #nqbdIv將式將式#代入式代入式*，得到，得到 式中，式中， RH為霍爾系數(shù)，它反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱，為霍爾系數(shù)，它反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱， ；KH為霍爾

23、靈敏度，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，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，KH=RH/d，它的單位是，它的單位是mV/(mAT)。IBKdIBRIBnqdUHHH1nqRH15）霍爾元件靈敏度）霍爾元件靈敏度KH是在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位激勵(lì)電流作用下，霍爾元件輸出的是在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位激勵(lì)電流作用下，霍爾元件輸出的霍爾電壓值，它不僅決定于載流體材料，而且取決于它的幾何尺寸霍爾電壓值，它不僅決定于載流體材料，而且取決于它的幾何尺寸 nqdKH1通過以上分析，可以看出通過以上分析，可以看出: 1) 霍爾

24、電壓霍爾電壓UH與材料的性質(zhì)有關(guān)。材料的與材料的性質(zhì)有關(guān)。材料的、大，大，RH就大。金屬的就大。金屬的雖然很大，雖然很大，但但很小，故不宜做成元件。在半導(dǎo)體材料中，由于電子的遷移率比空穴的大，且很小，故不宜做成元件。在半導(dǎo)體材料中，由于電子的遷移率比空穴的大，且np，所以霍爾元件一般采用，所以霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料。型半導(dǎo)體材料。 2) 霍爾電壓霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。與元件的尺寸有關(guān)。d 愈小，愈小，KH 愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但元件的厚度都比較薄，但d太小，會(huì)使元件的輸入、輸出電阻增加。太小，會(huì)使元件的輸入、輸出電阻增

25、加。 3）元件的長度比）元件的長度比l/b對(duì)對(duì)UH也有影響。前面的公式推導(dǎo)，都是以半導(dǎo)體內(nèi)各處載流子也有影響。前面的公式推導(dǎo)，都是以半導(dǎo)體內(nèi)各處載流子作平行直線運(yùn)動(dòng)為前提的。這種情況只有在作平行直線運(yùn)動(dòng)為前提的。這種情況只有在l/b很大時(shí)，即控制電極對(duì)霍爾電極無影很大時(shí)，即控制電極對(duì)霍爾電極無影響時(shí)才成立，但實(shí)際上這是做不到的。由于控制電極對(duì)內(nèi)部產(chǎn)生的霍爾電壓有局部短響時(shí)才成立，但實(shí)際上這是做不到的。由于控制電極對(duì)內(nèi)部產(chǎn)生的霍爾電壓有局部短路作用在兩控制電極的中間處測(cè)得的霍爾電壓最大，離控制電極很近的地方，霍爾電路作用在兩控制電極的中間處測(cè)得的霍爾電壓最大，離控制電極很近的地方，霍爾電壓下降到

26、接近于零。為了減少短路影響壓下降到接近于零。為了減少短路影響l/b要大一些，一般要大一些，一般l/b=2。但如果。但如果l/b過大，過大，反而使輸入功耗增加降低元件的輸出。反而使輸入功耗增加降低元件的輸出。 4）霍爾電壓霍爾電壓U UH H與控制電流及磁場強(qiáng)度有關(guān)。根據(jù)式與控制電流及磁場強(qiáng)度有關(guān)。根據(jù)式 正比于及。當(dāng)控制電流恒定時(shí)正比于及。當(dāng)控制電流恒定時(shí)愈大愈大。當(dāng)磁場改變方向時(shí)，也改變方向。同樣，當(dāng)霍爾靈敏度及磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定愈大愈大。當(dāng)磁場改變方向時(shí)，也改變方向。同樣，當(dāng)霍爾靈敏度及磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定時(shí)，增加控制電流，也可以提高霍爾電壓的輸出。時(shí)，增加控制電流，也可以提高霍爾電壓的輸出。 6）

27、霍爾元件的結(jié)構(gòu)與其制造工藝有關(guān)。例如，體型霍爾元件是將半導(dǎo)體單晶材料定）霍爾元件的結(jié)構(gòu)與其制造工藝有關(guān)。例如，體型霍爾元件是將半導(dǎo)體單晶材料定向切片，經(jīng)研磨拋光，然后用蒸發(fā)合金法或其它方法制作歐姆接觸電極，最后焊上引向切片，經(jīng)研磨拋光，然后用蒸發(fā)合金法或其它方法制作歐姆接觸電極，最后焊上引線并封裝。而薄膜霍爾元件則是在一片極薄的基片上用蒸發(fā)或外延的方法做成霍爾片，線并封裝。而薄膜霍爾元件則是在一片極薄的基片上用蒸發(fā)或外延的方法做成霍爾片，然后再制作歐姆接觸電極，焊引線最后封裝。相對(duì)來說，薄膜霍爾元件的厚度比體型然后再制作歐姆接觸電極，焊引線最后封裝。相對(duì)來說，薄膜霍爾元件的厚度比體型霍爾元件小

28、一、二個(gè)數(shù)量級(jí)，可以與放大電路一起集成在一塊很小的晶片上，便于微霍爾元件小一、二個(gè)數(shù)量級(jí)，可以與放大電路一起集成在一塊很小的晶片上，便于微型化。型化。8.3.2 溫度特性及補(bǔ)償溫度特性及補(bǔ)償8.3.2.1 8.3.2.1 溫度特性溫度特性 指元件的內(nèi)阻及輸出與溫度之間的關(guān)系。指元件的內(nèi)阻及輸出與溫度之間的關(guān)系。與一般半導(dǎo)體一樣，由于電阻率、遷移率與一般半導(dǎo)體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的內(nèi)阻、輸出電壓等參數(shù)也將隨溫度而件的內(nèi)阻、輸出電壓等參數(shù)也將隨溫度而變化。不同材料的內(nèi)阻及霍爾電壓與溫度變化。不同材料的內(nèi)阻及霍爾電壓與溫度

29、的關(guān)系曲線見圖的關(guān)系曲線見圖8.68.6和和8.78.7所示。所示。圖中，內(nèi)圖中，內(nèi)阻和電壓都用相對(duì)比率表示。我們把溫度阻和電壓都用相對(duì)比率表示。我們把溫度每變化每變化1時(shí)，霍爾元件輸入電阻或輸出時(shí)，霍爾元件輸入電阻或輸出電阻的相對(duì)變化率稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)，用電阻的相對(duì)變化率稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)，用表示。把溫度每變化表示。把溫度每變化1時(shí)，霍爾電壓的時(shí)，霍爾電壓的相對(duì)變化率稱為霍爾電壓溫度系數(shù)，用相對(duì)變化率稱為霍爾電壓溫度系數(shù)，用表示。表示。020406080100-20-40100200300t()Rt/R0(%)020406080100-20-40100200300t()UHt/UH0(%)Si

30、(1)Si(2)Ge(Hz-4)Ge(Hz-2)InAsInSb-1-3InSbInAsGe (Hz-1、2、3)Si圖圖8.6 內(nèi)阻與溫度的關(guān)系內(nèi)阻與溫度的關(guān)系020406080100-20-40100200300t( )Rt/R0(%)020406080100-20-40100200300t ( )UHt/UH0(%)Si (1)Si (2)Ge( Hz-4 )Ge (Hz-2)InAsInSb-1-3InSbInAsGe (Hz -1、 2、 3)Si圖圖8.7 電壓與溫度的關(guān)系電壓與溫度的關(guān)系 霍爾電壓的溫度系數(shù)硅最小，且在溫度霍爾電壓的溫度系數(shù)硅最小，且在溫度范圍內(nèi)是正值，其次是砷化

31、銦，它的值在范圍內(nèi)是正值，其次是砷化銦，它的值在左右溫度下由正變負(fù)；再次是鍺，而銻化左右溫度下由正變負(fù)；再次是鍺，而銻化銦的值最大且為負(fù)數(shù)，在低溫下其霍爾電銦的值最大且為負(fù)數(shù)，在低溫下其霍爾電壓將是的霍爾電壓的壓將是的霍爾電壓的3倍，到了高溫，霍爾倍，到了高溫，霍爾電壓降為時(shí)的電壓降為時(shí)的15%。 利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償。見圖利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償。見圖8.8，霍爾元件的輸入采用恒流源，使控，霍爾元件的輸入采用恒流源，使控制電流制電流穩(wěn)定不變。這樣，可以不考慮輸穩(wěn)定不變。這樣，可以不考慮輸入回路的溫度影響。輸出回路的輸出電阻入回路的溫度影響。輸出回路的輸出電阻及霍爾電壓與溫度之間的關(guān)系

32、為及霍爾電壓與溫度之間的關(guān)系為UHt=UH0(1+t) Rvt=Rv0(1+t) 式中，式中，UHt為溫度為為溫度為t時(shí)的霍爾電壓；時(shí)的霍爾電壓；UH0為為0時(shí)的霍爾電壓；時(shí)的霍爾電壓；Rvt為溫度為為溫度為t時(shí)的輸時(shí)的輸出電阻；出電阻；Rv0為時(shí)的輸出電阻。負(fù)載為時(shí)的輸出電阻。負(fù)載RL上的電壓上的電壓UL為為 UL=UH0(1+t) RL/Rv0(1+t)+RL還有還有利用輸入回路的串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償利用輸入回路的串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償RLIIRitRvtUHra）基本電路 b）等效電路RLUL圖圖8.8 輸出補(bǔ)償原理圖輸出補(bǔ)償原理圖8.3.3 8.3.3 集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器 集成霍爾傳感

33、器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測(cè)量線路集成在一起的一種傳集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測(cè)量線路集成在一起的一種傳感器。它取消了傳感器和測(cè)量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。感器。它取消了傳感器和測(cè)量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點(diǎn)，因此顯著地提高了可靠性。此外，它集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點(diǎn)，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，正越來越愛到眾的重視。具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，正越來越愛到眾的重視。 集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過處理的霍爾輸出信號(hào)。按照輸出信號(hào)

34、的形式，可以分集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過處理的霍爾輸出信號(hào)。按照輸出信號(hào)的形式，可以分為開關(guān)型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。為開關(guān)型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。 8.3.3.1 開關(guān)型集成霍爾傳感器開關(guān)型集成霍爾傳感器UH2UH1Ub3V1V2V3V4V5V6V7V8Ub4Ue3Uc4Ic4Ic2Ib3Ic1Ue4Ic31234(E) 圖圖8.9 開關(guān)型集成霍爾傳感器的典型電路開關(guān)型集成霍爾傳感器的典型電路 開關(guān)型集成霍爾傳感開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個(gè)高經(jīng)過處理后輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信電平或低電平的數(shù)字信號(hào)

35、?；魻栭_關(guān)電路又稱號(hào)?；魻栭_關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成，其典型電路出級(jí)組成，其典型電路見圖見圖8.98.9。工作原理工作原理 圖中的霍爾元件是在圖中的霍爾元件是在N N型硅型硅外延層上制作的。由于外延層上制作的。由于N N型硅型硅外延層的電阻率外延層的電阻率一般為一般為1.01.01.5cm1.5cm電子遷移率電子遷移率約為約為12001200cmcm2 2(Vs)(Vs)，厚度，厚度d d約約為為10m10m，故很適合做霍爾元，故很適合做霍爾元件。集成塊中霍爾元件的長件。集成塊中霍

36、爾元件的長600m600m，寬為，寬為400m400m。由于。由于在制造工藝中采用了光刻技在制造工藝中采用了光刻技術(shù)，電極的對(duì)稱性好，零位術(shù)，電極的對(duì)稱性好，零位誤差大大減小。另外，由于誤差大大減小。另外，由于厚度厚度d d很小，霍爾靈敏度也相很小，霍爾靈敏度也相對(duì)提高了，在對(duì)提高了，在0.1T0.1T磁場作用磁場作用下，元件開路時(shí)可輸出下，元件開路時(shí)可輸出20mV20mV左右的霍爾電壓?；魻栞敵鲎笥业幕魻栯妷??；魻栞敵鼋?jīng)前置放大的后送到斯密特經(jīng)前置放大的后送到斯密特觸發(fā)器，通過整形成為矩形觸發(fā)器，通過整形成為矩形脈沖輸出。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度脈沖輸出。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B B為為0 0時(shí)，霍爾元件無輸出，

37、即時(shí)，霍爾元件無輸出，即U UH H=0=0。線路中，由于流過。線路中，由于流過V V2 2集電極電阻的電流大于流過集電極電阻的電流大于流過V V1 1集電極電阻的電流，輸出集電極電阻的電流，輸出電壓電壓U U b3 b3U Ub4b4，則，則V V3 3優(yōu)先導(dǎo)通，優(yōu)先導(dǎo)通，經(jīng)過右面的正反饋過程：經(jīng)過右面的正反饋過程：UH2UH1Ub3V1V2V3V4V5V6V7V8Ub4Ue3Uc4Ic4Ic2Ib3Ic1Ue4Ic31234(E) 圖圖8.9 開關(guān)型集成霍爾傳感器的典型電路開關(guān)型集成霍爾傳感器的典型電路最終使得最終使得V3飽和飽和V4截止。此時(shí)，截止。此時(shí)，V4的集電極處于高電位，的集電極

38、處于高電位，Uc4E，V5截止，截止，V6、V7均截止，輸出為高電平。均截止，輸出為高電平。 當(dāng)正向磁場退出時(shí)，隨當(dāng)正向磁場退出時(shí)，隨著作用于霍爾元件上磁著作用于霍爾元件上磁感應(yīng)強(qiáng)度感應(yīng)強(qiáng)度B的減少，的減少，UH相應(yīng)減小。相應(yīng)減小。Ub3升高，升高，Ub4下降。當(dāng)下降。當(dāng)Ub3= Ue4+0.5V，V3由截止進(jìn)由截止進(jìn)入放大狀態(tài)，經(jīng)過下面入放大狀態(tài)，經(jīng)過下面正反饋過程：正反饋過程：Ub3Ic3Ub4Ic4Ue3最終又使得最終又使得V3飽和，飽和，V4截止。截止。V4的集電極處于的集電極處于高電位，恢復(fù)初始狀態(tài)，高電位，恢復(fù)初始狀態(tài)，V7、V8截止，輸出又轉(zhuǎn)截止，輸出又轉(zhuǎn)換成高電平換成高電平Uo

39、H。UH2UH1Ub3V1V2V3V4V5V6V7V8Ub4Ue3Uc4Ic4Ic2Ib3Ic1Ue4Ic31234(E) 圖圖8.9 開關(guān)型集成霍爾傳感器的典型電路開關(guān)型集成霍爾傳感器的典型電路 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B B不為不為0 0時(shí)，霍爾元件有時(shí)，霍爾元件有U UH H輸出。若集成霍爾傳感器處于正向磁場，則輸出。若集成霍爾傳感器處于正向磁場，則U UH1H1升高，升高，U UH2H2下降，使下降，使V V1 1的基極電位升高，的基極電位升高，V V2 2的基極電位下降。于是，的基極電位下降。于是，V V1 1的集電極輸出的集電極輸出電壓電壓U Ub3b3下降，下降，V V2 2的集

40、電極輸出電壓的集電極輸出電壓V Vb4b4升高。當(dāng)升高。當(dāng)U Ub3b3=U=Ue3e3+0.6V+0.6V時(shí)，時(shí)，V V3 3由飽和進(jìn)入放大狀態(tài)，由飽和進(jìn)入放大狀態(tài)，經(jīng)過下面的正反饋過程：經(jīng)過下面的正反饋過程：Ub3Ic3Ub4Ic4Ue3。最終使得最終使得V3截止截止V4飽和。飽和。此時(shí)，此時(shí)，V4的集電極處于低電位。于是，的集電極處于低電位。于是，V5導(dǎo)通，由導(dǎo)通，由V5和和V6組成的組成的P.N.P和和N.P.N型三型三極管的復(fù)合管，足以使極管的復(fù)合管，足以使V7、V8進(jìn)入飽和狀態(tài)。輸出由原來的高電平進(jìn)入飽和狀態(tài)。輸出由原來的高電平UoH轉(zhuǎn)換成低電平轉(zhuǎn)換成低電平U0L。8.3.3.2

41、線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器 線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。其輸出信號(hào)與線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。其輸出信號(hào)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成比例。通常由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成，磁感應(yīng)強(qiáng)度成比例。通常由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成，其典型線路見圖其典型線路見圖8.108.10。這是。這是HL1.1HL1.1型線性集成霍爾傳感器，它的電路比較簡單，用于精型線性集成霍爾傳感器，它的電路比較簡單，用于精度要求不高的一些場合。圖中，霍爾元件的輸出經(jīng)由度要求不高的一些場合。圖中，霍爾元件的輸出經(jīng)由V V1

42、1、V V2 2、R R1 1至至R R5 5組成的第一級(jí)差分組成的第一級(jí)差分放大器放大，放大后的信號(hào)再由放大器放大，放大后的信號(hào)再由V V3 3、V V6 6、R R6 6、R R7 7組成的第二級(jí)差分放大器放大。第二級(jí)組成的第二級(jí)差分放大器放大。第二級(jí)放大采用達(dá)林頓對(duì)管，射極電阻放大采用達(dá)林頓對(duì)管，射極電阻R R8 8外接，適當(dāng)選取外接，適當(dāng)選取R R8 8的阻值，可以調(diào)整該極的工作點(diǎn)，的阻值，可以調(diào)整該極的工作點(diǎn)，從而改變電路增益。在電源電壓為從而改變電路增益。在電源電壓為9 9V V，R R8 8取取2K2K時(shí)，全電路的增益可達(dá)時(shí)，全電路的增益可達(dá)10001000倍左右，與分倍左右，與

43、分立元件霍爾傳感器相比，靈敏度大為提高。立元件霍爾傳感器相比，靈敏度大為提高。V1V2V3V4V5V6123475869R1R2R3R4R5R6R7R8圖圖8.10 線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器8.3.3.3 差動(dòng)霍爾電路差動(dòng)霍爾電路(雙霍爾電路雙霍爾電路) 它的霍爾電壓發(fā)生器由一對(duì)相距它的霍爾電壓發(fā)生器由一對(duì)相距2.5mm的霍爾元件組成，其功能框的霍爾元件組成，其功能框圖見圖圖見圖8.11。使用時(shí)在電路背面放置。使用時(shí)在電路背面放置一塊永久磁體，當(dāng)用鐵磁材料制成的一塊永久磁體，當(dāng)用鐵磁材料制成的齒輪從電路附近轉(zhuǎn)過時(shí)，一對(duì)霍爾片齒輪從電路附近轉(zhuǎn)過時(shí)，一對(duì)霍爾片上產(chǎn)生的霍爾電壓相位相反，

44、經(jīng)差分上產(chǎn)生的霍爾電壓相位相反，經(jīng)差分放大后，使器件靈敏度大為提高。用放大后，使器件靈敏度大為提高。用這種電路制成的汽車齒輪傳感器具有這種電路制成的汽車齒輪傳感器具有極優(yōu)的性能。極優(yōu)的性能。除上述各種霍爾元件外，除上述各種霍爾元件外，目前還出現(xiàn)了許多特殊功能的霍爾電目前還出現(xiàn)了許多特殊功能的霍爾電路，如功率霍爾電路，多重雙線霍爾路，如功率霍爾電路，多重雙線霍爾傳感器電路，二維、三維霍爾集成電傳感器電路，二維、三維霍爾集成電路等等。路等等。 圖圖8.11 差動(dòng)霍爾電路的工作原理圖差動(dòng)霍爾電路的工作原理圖8.3.4 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用1 1 測(cè)量磁場測(cè)量磁場 使用霍爾器件檢測(cè)磁場的方

45、法極為簡單，將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被使用霍爾器件檢測(cè)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(cè)磁場中，因霍爾器件只對(duì)垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，因而必須令磁力線測(cè)磁場中，因霍爾器件只對(duì)垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)強(qiáng)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(cè)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測(cè)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來計(jì)算被測(cè)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。應(yīng)求出其垂直分量來計(jì)算被測(cè)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。2 2 工作磁體的設(shè)置工作磁體的設(shè)置 用磁場作為被傳感物體的運(yùn)動(dòng)和位置信息載體時(shí)，一般采用永

46、久磁鋼來產(chǎn)生工作磁用磁場作為被傳感物體的運(yùn)動(dòng)和位置信息載體時(shí)，一般采用永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場。例如，用一個(gè)場。例如，用一個(gè)542.5（mm3）的釹鐵硼）的釹鐵硼號(hào)磁鋼，就可在它的磁極表面上號(hào)磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約得到約2300高斯的磁感應(yīng)強(qiáng)度。因?yàn)榛魻柶骷枰ぷ麟娫?，在作運(yùn)動(dòng)或位置傳感高斯的磁感應(yīng)強(qiáng)度。因?yàn)榛魻柶骷枰ぷ麟娫?，在作運(yùn)動(dòng)或位置傳感時(shí)，一般令磁體隨被檢測(cè)物體運(yùn)動(dòng)，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去時(shí)，一般令磁體隨被檢測(cè)物體運(yùn)動(dòng)，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去檢測(cè)工作磁場，再從檢測(cè)結(jié)果中提取被檢信息。檢測(cè)工作磁場，再從檢測(cè)結(jié)果中提取被檢信息。 工作磁

47、體和霍爾器件間的運(yùn)動(dòng)方式有：工作磁體和霍爾器件間的運(yùn)動(dòng)方式有：(a)(a)對(duì)移；對(duì)移；(b)(b)側(cè)移；側(cè)移；(c)(c)旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)；(d)(d)遮斷。如遮斷。如圖圖8.128.12所示，圖中的所示，圖中的TEAGTEAG即為總有效工作氣隙。即為總有效工作氣隙。圖圖8.12 霍爾器件和工作磁體間的運(yùn)動(dòng)方式霍爾器件和工作磁體間的運(yùn)動(dòng)方式 3 3 與外電路的接口與外電路的接口 霍爾開關(guān)電路的輸出級(jí)一般是一個(gè)集電極開路的霍爾開關(guān)電路的輸出級(jí)一般是一個(gè)集電極開路的NPNNPN晶體管，其使用規(guī)則和任何一晶體管，其使用規(guī)則和任何一種相似的種相似的NPNNPN開關(guān)管相同。輸出管截止時(shí)，輸漏電流很小，一般只有

48、幾開關(guān)管相同。輸出管截止時(shí)，輸漏電流很小，一般只有幾nAnA，可以忽略，可以忽略，輸出電壓和其電源電壓相近，但電源電壓最高不得超過輸出管的擊穿電壓（即規(guī)范表輸出電壓和其電源電壓相近，但電源電壓最高不得超過輸出管的擊穿電壓（即規(guī)范表中規(guī)定的極限電中規(guī)定的極限電壓）。輸出管導(dǎo)通時(shí)，它的輸出端和線路的公共端短路。因此，必須壓）。輸出管導(dǎo)通時(shí)，它的輸出端和線路的公共端短路。因此，必須外接一個(gè)電阻器（即負(fù)載電阻器）來限制流過管子的電流，使它不超過最大允許值外接一個(gè)電阻器（即負(fù)載電阻器）來限制流過管子的電流，使它不超過最大允許值（一般為（一般為20mA），以免損壞輸出管。），以免損壞輸出管。 圖圖8.13

49、表示與各種電路的接口：（表示與各種電路的接口：（a）與）與TTL電路；電路；(b)與與CMOS電路；電路；(c)與與LED；(d)與晶閘管。與晶閘管。 圖圖8.13 霍爾開關(guān)與電路接口舉例霍爾開關(guān)與電路接口舉例8.3.5 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例1 1 用在直流無刷電機(jī)中用在直流無刷電機(jī)中 直流無刷電機(jī)使用永磁轉(zhuǎn)子，在定子的適當(dāng)位直流無刷電機(jī)使用永磁轉(zhuǎn)子，在定子的適當(dāng)位置放置所需數(shù)量的霍爾器件，它們的輸出和相應(yīng)置放置所需數(shù)量的霍爾器件，它們的輸出和相應(yīng)的定子繞組的供電電路相連。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾器的定子繞組的供電電路相連。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾器件附近時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子的磁場令已通電的霍爾器件件附近時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子的磁場令

50、已通電的霍爾器件輸出一個(gè)電壓使定子繞組供電電路導(dǎo)通，給相應(yīng)輸出一個(gè)電壓使定子繞組供電電路導(dǎo)通，給相應(yīng)的定子繞組供電，產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子磁場極性相同的磁的定子繞組供電，產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子磁場極性相同的磁場，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。到下一位置，前一位置場，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。到下一位置，前一位置的霍爾器件停止工作，下位的霍爾器件導(dǎo)通，使的霍爾器件停止工作，下位的霍爾器件導(dǎo)通，使下一繞組通電，產(chǎn)生推斥場使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。如下一繞組通電，產(chǎn)生推斥場使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。如此循環(huán)，維持電機(jī)的工作。其工作原理示于圖此循環(huán)，維持電機(jī)的工作。其工作原理示于圖8.148.14。圖圖8.14 霍爾元件在無刷電機(jī)中的工作霍爾元件在無刷電機(jī)中的工作

51、在這里，霍爾器件起位置傳感器的作用，在這里，霍爾器件起位置傳感器的作用，檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置，它的輸出使定子檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置，它的輸出使定子繞組供電電路通斷，又起開關(guān)作用，當(dāng)繞組供電電路通斷，又起開關(guān)作用，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極離去時(shí)，令上一個(gè)霍爾器件停轉(zhuǎn)子磁極離去時(shí)，令上一個(gè)霍爾器件停止工作，下一個(gè)器件開始工作，使轉(zhuǎn)子止工作，下一個(gè)器件開始工作，使轉(zhuǎn)子磁極總是面對(duì)推斥磁場，霍爾器件又起磁極總是面對(duì)推斥磁場，霍爾器件又起定子電流的換向作用。定子電流的換向作用。 無刷電機(jī)中的霍爾器件，既可使用霍無刷電機(jī)中的霍爾器件，既可使用霍爾元件，也可使用霍爾開關(guān)電路。使用爾元件，也可使用霍爾開關(guān)電路。使用霍爾元件時(shí)，一

52、般要外接放大電路，如霍爾元件時(shí)，一般要外接放大電路，如圖圖8.158.15所示所示。圖圖8.15 采用霍爾元件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用霍爾元件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2 2 無損探傷無損探傷 霍爾無損探傷已在炮膛探傷、管道探傷，海用纜繩探傷，船體探傷以及材料檢驗(yàn)等方面得到廣霍爾無損探傷已在炮膛探傷、管道探傷，海用纜繩探傷，船體探傷以及材料檢驗(yàn)等方面得到廣泛應(yīng)用。鐵磁材料受到磁場激勵(lì)時(shí)，因其導(dǎo)磁率高，磁阻小，磁力線都集中在材料內(nèi)部。若材料泛應(yīng)用。鐵磁材料受到磁場激勵(lì)時(shí)，因其導(dǎo)磁率高，磁阻小，磁力線都集中在材料內(nèi)部。若材料均勻，磁力線分布也均勻。如果材料中有缺陷，如小孔、裂紋等，在缺陷處，磁力線會(huì)發(fā)生彎曲，均勻，

53、磁力線分布也均勻。如果材料中有缺陷，如小孔、裂紋等，在缺陷處，磁力線會(huì)發(fā)生彎曲，使局部磁場發(fā)生畸變。用霍爾探頭檢出這種畸變，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可辨別出缺陷的位置，性質(zhì)使局部磁場發(fā)生畸變。用霍爾探頭檢出這種畸變，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可辨別出缺陷的位置，性質(zhì)（孔或裂紋）和大?。ㄈ缟疃?、寬度等），圖（孔或裂紋）和大?。ㄈ缟疃?、寬度等），圖8.168.16示出兩種用于無損探傷的探頭結(jié)構(gòu)。示出兩種用于無損探傷的探頭結(jié)構(gòu)。(b)(b)檢測(cè)檢測(cè)線材用。線材用。 (a)無損探傷的探頭結(jié)構(gòu)無損探傷的探頭結(jié)構(gòu) (b)檢測(cè)板材用檢測(cè)板材用 圖圖8.16 用于無損探傷的兩種霍爾探頭用于無損探傷的兩種霍爾探頭3 3 霍爾接近傳感器和接近開關(guān)霍爾接近傳感器和接近開關(guān) 在霍爾器件背后偏置一塊永久磁體，并將它們和在霍爾器件背后偏置一塊永久磁體，并將它們和相應(yīng)的處理電路裝在一個(gè)殼體內(nèi)，做成一個(gè)探頭，相應(yīng)的處理電路裝在一個(gè)殼體內(nèi)，做成一個(gè)探頭，將霍爾器件的輸入引線和處理電路的輸出引線用電將霍爾器件的輸入引線和處理電路的輸出引線用電纜連接起來，構(gòu)成如圖纜連接起來，構(gòu)成如圖8.178.17所示的接近傳感器。它所示的接近傳感器。它們的功能框見圖們的功能框見圖8.188.18。