梁森——霍爾傳感器

1、2022-4-131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(zhuǎn)換技術(shù)自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)第八章第八章多媒體課件200951 更新2022-4-132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(yīng)用?；魻枺┘捌鋺?yīng)用?；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?；粜牡娜笨谥?，可以制成大電流變送器?；魻杺鞲衅鬟€

2、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(guān)等?；魻杺鞲衅鞯淖畲筇攸c是非接近開關(guān)等。霍爾傳感器的最大特點是非接觸測量。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(jié)構(gòu)及工作原理霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理 半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)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(chǎn)生電動勢垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這，這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)。 磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度B B為零

3、時的情況為零時的情況c cd da ab b磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度B B 較大時的情況較大時的情況 作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強度作用在半導(dǎo)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。霍爾電勢也就越高。霍爾電勢EH可用下式表示：可用下式表示： EH=KH IB霍爾效應(yīng)動畫演示霍爾效應(yīng)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(nèi)側(cè)（向內(nèi)側(cè)（d 側(cè)）偏移，在半導(dǎo)體薄片側(cè)）偏移，在半導(dǎo)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 cd da ab ba ad dc cb b磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電

4、動勢磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢 若磁感應(yīng)強度若磁感應(yīng)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(yīng)強度磁感應(yīng)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不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢演示演示結(jié)論：結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流霍爾電勢與輸入電流

5、I、磁感應(yīng)強度、磁感應(yīng)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 ac cd db b霍爾元件的主要外特性參數(shù)霍爾元件的主要外特性參數(shù) 最大最大磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)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)mVmVB B霍爾元件的主要外特性參數(shù)（續(xù)）霍爾元件的主要外特性參數(shù)（續(xù)） 最大最大激勵電流激勵電流IM :

6、 : 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(yīng)用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵在應(yīng)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(yīng)的種型號的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵電流最大激勵電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。 以下哪一個以下哪一個激勵電流的數(shù)值較為妥當激勵電流的數(shù)值較為妥當？8A 8A 0.8mA0.8mA 8mA8mA 80mA 80mA 第二節(jié)第二節(jié)

7、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(guān)型兩大類?；魻柤呻娐房煞譃榫€性型和開關(guān)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

8、場為零時，它線。當磁場為零時，它的輸出電壓等于零；當?shù)妮敵鲭妷旱扔诹?；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(guān)型霍爾集成電路開關(guān)型霍爾集成電路 開關(guān)型霍爾集成電路是將開關(guān)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（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

9、門門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖接筛咦钁B(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；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?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平為高阻態(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍。較典型的開關(guān)型霍爾器件爾器件如如UGN3020等。等。開關(guān)型霍爾集成電路開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路的外形及內(nèi)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放霍爾霍爾 元件元件. .VccVcc開關(guān)型霍爾集成電路開關(guān)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(guān)元件連接起來請按以下電路，將下一頁

10、中的有關(guān)元件連接起來.開關(guān)型霍爾集成電路開關(guān)型霍爾集成電路與繼電器的接線與繼電器的接線? ?開關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性開關(guān)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(zhuǎn)？當特斯拉時輸出翻轉(zhuǎn)？當磁鐵從近到遠地遠離磁鐵從近到遠地遠離霍爾霍爾IC，到多少特斯拉時輸出，到多少特斯拉時輸出再次翻轉(zhuǎn)再次翻轉(zhuǎn)？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(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用 霍爾電勢是關(guān)于霍爾電勢是關(guān)于

11、I、B、 三個變量的函三個變量的函數(shù)，即數(shù)，即 EH=KHIBcos 。 利用這個關(guān)系可以使利用這個關(guān)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(zhuǎn)換為霍爾傳感器主要用于測量能夠轉(zhuǎn)換為磁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

12、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(zhuǎn)速表霍爾轉(zhuǎn)速表60 22fn 在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤齒盤，也可選取機，也可選取機械系統(tǒng)中的一個械系統(tǒng)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(tǒng)霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改變磁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(jīng)隔直、微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。S SN N線性霍爾線性霍爾磁鐵磁鐵霍爾轉(zhuǎn)速表原理霍爾轉(zhuǎn)

13、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(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整，可產(chǎn)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?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用）中的應(yīng)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(chǎn)生危險。，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測和保持車輪的用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測和保持車輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)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(cè)偏側(cè)偏。帶

14、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(zhì)鋼質(zhì)霍爾霍爾霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法 只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突缺口或突起起，就，就可產(chǎn)生磁場強度的脈動可產(chǎn)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(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號。 霍爾元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

15、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(zhuǎn)軸分電器轉(zhuǎn)軸 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(guān)系成電路之間的安裝關(guān)系 c c）葉片位置與點火正時的關(guān)系）葉片位置與點火正時的關(guān)系 霍爾式

16、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(guān)點火開關(guān) 2達林頓晶體管功率開關(guān)達林頓晶體管功率開關(guān) 3點火線圈低壓側(cè)點火線圈低壓側(cè) 4點火線圈鐵心點火線圈鐵心 5點火線圈高壓側(cè)點火線圈高壓側(cè) 6分火頭分火頭 7火花塞火花塞 a a）電路）電路 b）霍爾）霍爾IC及點火線圈高壓側(cè)輸出波形及點火線圈高壓側(cè)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(guān)處于導(dǎo)通的輸出為低電平，晶體管

17、功率開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，狀態(tài)，點火線圈低壓側(cè)有較大電流通過點火線圈低壓側(cè)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(zhuǎn)到霍爾當葉片槽口轉(zhuǎn)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?，?jīng)反相變?yōu)榈碗娖?，?jīng)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(cè)電流切斷點火線圈的低壓側(cè)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(cè)感應(yīng)出場能量在高壓側(cè)感應(yīng)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

18、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(zhuǎn)子和定子之間的元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置相對位置，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(zhuǎn)。正常運轉(zhuǎn)。 由于無刷電動機由于無刷電動機不產(chǎn)生不產(chǎn)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(qū)等家用電器中得到越來越廣驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。泛的應(yīng)用。

19、 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(yīng)用無刷電動機在電動自行車上的應(yīng)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(yīng)用自行車上的應(yīng)用 無刷直流電動機無刷直流電動機的的外轉(zhuǎn)子采用高性能外轉(zhuǎn)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(chǎn)生六個狀態(tài)編碼信產(chǎn)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(nèi)三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩。具。具有效率高、無火花、有效率高、無

20、火花、可靠性強等特點?？煽啃詮姷忍攸c。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(diào)速調(diào)速光驅(qū)用的無刷電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)光驅(qū)用的無刷電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)霍爾式接近開關(guān)霍爾式接近開關(guān) 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(guān)動作?；艋魻柺浇咏_關(guān)動作。霍爾接近開關(guān)一般還配一塊爾接近開關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。釹鐵硼磁鐵?；魻柺浇咏_關(guān)霍爾式接近開關(guān) 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

21、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(guān)幾霍爾接近開關(guān)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，使繼電器吸合或釋繼電器吸合或釋放放，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(guān)用于霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示轉(zhuǎn)速測量演示n= = 6060f4(r/min)軟鐵分流翼片軟鐵分流翼片 開關(guān)型霍爾開關(guān)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(dǎo)線穿過霍爾電流導(dǎo)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(dǎo)

22、線當有電流通過導(dǎo)線時，時，在導(dǎo)線周圍將在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場產(chǎn)生磁場，磁力線，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并集中在鐵心內(nèi)，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(chǎn)生與電流成正比產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓的霍爾電壓?；魻栯娏鱾鞲衅餮菔净魻栯娏鱾鞲衅餮菔捐F心鐵心 線性霍線性霍爾爾IC EH=KI I 所實現(xiàn)的多媒體界面：所實現(xiàn)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(dǎo)線未放入導(dǎo)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