霍爾式傳感器

復(fù)習(xí)：電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電橋電路調(diào)頻電路運(yùn)算放大器式電路

第六章霍爾傳感器6.1霍爾傳感器工作原理6.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路6.3霍爾元件的主要特性參數(shù)6.4霍爾元件誤差及補(bǔ)償6.5霍爾式傳感器的應(yīng)用下一頁(yè)返回教學(xué)目的與要求：掌握霍爾效應(yīng)的物理解釋.掌握影響霍爾電勢(shì)大小的因素,用半導(dǎo)體且用N型材料制作霍爾元件的原因了解霍爾元件外形結(jié)構(gòu),基本測(cè)量電路,根據(jù)不同使用要求連接電路.一般了解霍爾元件的主要特性參數(shù).了解霍爾不等位電勢(shì)及其補(bǔ)償.了解溫度誤差及其減少的措施;掌握恒流源溫度補(bǔ)償電路(圖)及其工作原理(解決什么問(wèn)題).概述：

霍爾型傳感器是磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器。1879年霍爾在金屬材料中發(fā)現(xiàn)的，已有一百多年的歷史，由于霍爾效應(yīng)在金屬中非常微弱，只是在大學(xué)的教科書(shū)中作為一種理論而存在，并未付諸實(shí)際應(yīng)用。直到100多年以后，大約到上世紀(jì)四十年代后期，半導(dǎo)體工藝的成熟，科學(xué)家利用半導(dǎo)體工藝重新試驗(yàn)霍爾效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：半導(dǎo)體工藝（P或N型）都可以再現(xiàn)霍爾效應(yīng)現(xiàn)象，并金屬霍爾元件的公式半導(dǎo)體霍爾元件可得到同樣的結(jié)論，而且N型半導(dǎo)體尤其明顯。使霍爾效應(yīng)得到廣泛的應(yīng)用。我國(guó)大約到上世紀(jì)七十年代開(kāi)始研究霍爾元件，已能生產(chǎn)各種性能霍爾元件，例如：普通型、高靈敏度型、低溫度系數(shù)型、測(cè)溫測(cè)磁性和開(kāi)關(guān)型等。概述：

霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁敏傳感器，屬于固態(tài)物性型傳感器，這類(lèi)傳感器主要以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電鐵等為敏感材料，在力、磁、熱、光、射線、氣體、濕度等因素作用下引起材料物理特性變化，通過(guò)檢測(cè)其物理特性的變化即可反映被測(cè)參數(shù)值。特點(diǎn)：

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(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）

霍爾元件霍爾高斯計(jì)（特斯拉計(jì)）的使用

霍爾元件磁鐵霍爾傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度

霍爾元件測(cè)量鐵心氣隙的B值霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便用鉗形表測(cè)量電動(dòng)機(jī)的相電流7.1霍爾傳感器工作原理半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，半導(dǎo)體薄片上平行于電流和磁場(chǎng)方向的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片稱(chēng)霍爾元件上一頁(yè)下一頁(yè)返回霍爾效應(yīng)原理上一頁(yè)下一頁(yè)返回霍爾效應(yīng)原理圖載流子受洛侖茲力霍爾電場(chǎng)強(qiáng)度平衡狀態(tài)電子運(yùn)動(dòng)平均速度上一頁(yè)下一頁(yè)返回因?yàn)榛魻栯妱?shì)當(dāng)磁場(chǎng)和環(huán)境溫度一定時(shí):霍爾電勢(shì)與控制電流I成正比當(dāng)控制電流和環(huán)境溫度一定時(shí):霍爾電勢(shì)與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí):輸出的霍爾電勢(shì)與I和B的乘積成正比可測(cè)量電流、磁場(chǎng)強(qiáng)度或制成各種運(yùn)算器，還可測(cè)微小位移、壓力、振動(dòng)等上一頁(yè)下一頁(yè)返回霍爾常數(shù)霍爾常數(shù)大小取決于導(dǎo)體的載流子密度：金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢(shì)也小，所以金屬材料不宜制作霍爾元件。霍爾電勢(shì)與導(dǎo)體厚度d成反比：為了提高霍爾電勢(shì)值，霍爾元件制成薄片形狀。

霍爾元件靈敏度（靈敏系數(shù)）

半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度）比空穴遷移率高，因此N型半導(dǎo)體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件，

上一頁(yè)下一頁(yè)返回7.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路霍爾元件上一頁(yè)下一頁(yè)返回圖（a）中，從矩形薄片半導(dǎo)體基片上的兩個(gè)相互垂直方向側(cè)面上，引出一對(duì)電極，其中1-1電極用于加控制電流，稱(chēng)控制電極。另一對(duì)2-2電極用于引出霍爾電勢(shì)，稱(chēng)霍爾電勢(shì)輸出極。在基片外面用金屬或陶瓷、環(huán)氧樹(shù)脂等封裝作為外殼圖（b）是霍爾元件通用的圖形符號(hào)。圖（c）所示，霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對(duì)霍爾電勢(shì)數(shù)值影響很大。通常霍爾電極位于基片長(zhǎng)度的中間，其寬度遠(yuǎn)小于基片的長(zhǎng)度。圖（d）是基本測(cè)量電路。

7.3霍爾元件的主要特性參數(shù)：(1)輸入電阻和輸出電阻

輸入電阻：控制電極間的電阻

輸出電阻：霍爾電極之間的電阻測(cè)量以上電阻時(shí)，應(yīng)在沒(méi)有外磁場(chǎng)和室溫變化的條件下進(jìn)行。

(2)額定控制電流和最大允許控制電流

額定控制電流：當(dāng)霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產(chǎn)生10℃溫升時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制電流值

最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對(duì)應(yīng)的控制電流值上一頁(yè)下一頁(yè)返回(3)不等位電勢(shì)Uo和不等位電阻ro

不等位電勢(shì)：當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時(shí)，若元件所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)。不等位電勢(shì)是由霍爾電極2和之間的電阻決定的，r

0稱(chēng)不等位電阻

上一頁(yè)下一頁(yè)返回產(chǎn)生原因:主要由霍爾電極安裝不對(duì)稱(chēng)造成的,由于半導(dǎo)體材料的電阻率不均勻、基片的厚度和寬度不一致、霍爾電極與基片的接觸不良（部分接觸）等原因，即使霍爾電極的裝配絕對(duì)對(duì)稱(chēng)，也會(huì)產(chǎn)生不等位電勢(shì)。7.4霍爾元件誤差及補(bǔ)償1.不等位電勢(shì)誤差的補(bǔ)償2.溫度誤差及其補(bǔ)償上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.不等位電勢(shì)誤差的補(bǔ)償可以把霍爾元件視為一個(gè)四臂電阻電橋，不等位電勢(shì)就相當(dāng)于電橋的初始不平衡輸出電壓。上一頁(yè)下一頁(yè)返回常用的電勢(shì)補(bǔ)償電路對(duì)稱(chēng)電路

當(dāng)溫度變化時(shí)，補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性要好些上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差產(chǎn)生原因： 霍爾元件的基片是半導(dǎo)體材料，因而對(duì)溫度的變化很敏感。其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數(shù)都是溫度的函數(shù)。 當(dāng)溫度變化時(shí)，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電勢(shì)、輸入電阻和輸出電阻等都要發(fā)生變化，從而使霍爾式傳感器產(chǎn)生溫度誤差。上一頁(yè)下一頁(yè)返回減小霍爾元件的溫度誤差選用溫度系數(shù)小的元件采用恒溫措施采用恒流源供電上一頁(yè)下一頁(yè)返回恒流源溫度補(bǔ)償

霍爾元件的靈敏系數(shù)也是溫度的函數(shù)，它隨溫度的變化引起霍爾電勢(shì)的變化，霍爾元件的靈敏系數(shù)與溫度的關(guān)系KH0為溫度T0時(shí)的KH值；溫度變化量；霍爾電勢(shì)的溫度系數(shù)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回分析：大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值時(shí)，它們的霍爾電勢(shì)隨溫度的升高而增加（1+α△t）倍。同時(shí)，讓控制電流I相應(yīng)地減小，能保持KHI不變就抵消了靈敏系數(shù)值增加的影響。恒流源溫度補(bǔ)償電路

當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí)，旁路分流電阻自動(dòng)地加強(qiáng)分流，減少了霍爾元件的控制電流上一頁(yè)下一頁(yè)返回控制電流溫度升到T時(shí)，電路中各參數(shù)變?yōu)樯弦豁?yè)下一頁(yè)返回溫度為T(mén)0時(shí)霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)；分流電阻溫度系數(shù)。

為使霍爾電勢(shì)不變，補(bǔ)償電路必須滿足:升溫前、后的霍爾電勢(shì)不變，經(jīng)整理，忽略高次項(xiàng)后得

上一頁(yè)下一頁(yè)返回當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻和溫度系數(shù)及霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)可以從元件參數(shù)表中查到（可以測(cè)量出來(lái)），用上式即可計(jì)算出分流電阻及所需的分流電阻溫度系數(shù)值。0iR7.5霍爾式傳感器的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn):

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，頻帶寬，動(dòng)態(tài)特性好和壽命長(zhǎng)應(yīng)用：電磁測(cè)量：測(cè)量恒定的或交變的磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率、無(wú)功功率、相位、電能等參數(shù)；自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)：多用于位移、壓力的測(cè)量。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.微位移和壓力的測(cè)量測(cè)量原理： 霍爾電勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，若磁感應(yīng)強(qiáng)度是位置的函數(shù)，則霍爾電勢(shì)的大小就可以用來(lái)反映霍爾元件的位置。應(yīng)用： 位移測(cè)量、力、壓力、應(yīng)變、機(jī)械振動(dòng)、加速度上一頁(yè)下一頁(yè)返回產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的示意圖位移量較小，適于測(cè)量微位移和機(jī)械振動(dòng)上一頁(yè)下一頁(yè)返回霍爾式壓力傳感器彈簧管磁鐵霍爾片上一頁(yè)下一頁(yè)返回加速度傳感器上一頁(yè)下一頁(yè)返回2.磁場(chǎng)的測(cè)量 在控制電流恒定條件下，霍爾電勢(shì)大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，由于霍爾元件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它特別適用于微小氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度、高梯度磁場(chǎng)參數(shù)的測(cè)量?；魻栯妱?shì)是磁場(chǎng)方向與霍爾基片法線方向之間夾角的函數(shù)。應(yīng)用：霍爾式磁羅盤(pán)、霍爾式方位傳感器、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器上一頁(yè)返回霍爾轉(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。SN線性霍爾磁鐵霍爾轉(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、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的脈動(dòng)，從而引起霍爾電勢(shì)的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)?；魻栐盆F霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車(chē)電子點(diǎn)火裝置

采用霍爾式無(wú)觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置能較好地克服汽車(chē)合金觸點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)間不準(zhǔn)確、觸點(diǎn)易燒壞、高速時(shí)動(dòng)力不足等缺點(diǎn)。汽車(chē)點(diǎn)火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車(chē)電子點(diǎn)火裝置工作原理

采用霍爾式無(wú)觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置無(wú)磨損、點(diǎn)火時(shí)間準(zhǔn)確、高速時(shí)動(dòng)力足。桑塔納汽車(chē)霍爾式分電器示意圖

1-觸發(fā)器葉片2-槽口3-分電器轉(zhuǎn)軸4-永久磁鐵

5-霍爾集成電路（PNP型霍爾IC）

a）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成電路之間的安裝關(guān)系c）葉片位置與點(diǎn)火正時(shí)的關(guān)系

霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車(chē)電子點(diǎn)火裝置(續(xù)）

當(dāng)葉片遮擋在霍爾IC面前時(shí)，PNP型霍爾IC的輸出為低電平，晶體管功率開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，點(diǎn)火線圈低壓側(cè)有較大電流通過(guò)，并以磁場(chǎng)能量的形式儲(chǔ)存在點(diǎn)火線圈的鐵心中。汽車(chē)電子點(diǎn)火電路及波形

1—點(diǎn)火開(kāi)關(guān)2—達(dá)林頓晶體管功率開(kāi)關(guān)3—點(diǎn)火線圈低壓側(cè)4—點(diǎn)火線圈鐵心5—點(diǎn)火線圈高壓側(cè)6—分火頭7—火花塞

a）電路b）霍爾IC及點(diǎn)火線圈高壓側(cè)輸出波形

當(dāng)葉片槽口轉(zhuǎn)到霍爾IC面前時(shí)，霍爾IC輸出跳變?yōu)楦唠娖?，?jīng)反相變?yōu)榈碗娖?，達(dá)林頓管截止，切斷點(diǎn)火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒(méi)有續(xù)流元件，所以存儲(chǔ)在點(diǎn)火線圈鐵心中的磁場(chǎng)能量在高壓側(cè)感應(yīng)出30~50kV的高電壓。

汽車(chē)電子點(diǎn)火裝置使用的點(diǎn)火控制器、霍爾傳感器及點(diǎn)火總成磁鐵點(diǎn)火總成霍爾式接近開(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)

用霍爾IC也能完成接近開(kāi)關(guān)的功能，但是它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)。

在右圖中，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)榈碗娖剑?jīng)驅(qū)動(dòng)電路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）起到限位的作用。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ICT霍爾電流傳感器

將被測(cè)電流的導(dǎo)線穿過(guò)霍爾電流傳