自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用6(霍爾傳感器)

自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用(七)霍爾傳感器及應(yīng)用第七章霍爾傳感器

本章主要學(xué)習(xí)霍爾傳感器的工作原理、霍爾元件的特性參數(shù),霍爾集成電路的特性及其在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用，還涉及磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)?；魻栐且环N四端元件第七章霍爾傳感器霍爾式傳感器是基于半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)原理制成的敏感元件，它是利用霍爾元件將被測(cè)量電流、磁場(chǎng)、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電勢(shì)輸出的傳感器。1879年，霍爾即在金屬上發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但由于非常微弱，沒有引起重視。1948年后，由于半導(dǎo)體材料迅速發(fā)展，找到了霍爾效應(yīng)比較明顯的半導(dǎo)體材料，并制成了砷化鎵、銻化銦、硅、鍺等材料的霍爾元件?；魻柺絺鞲衅髯畲蟮奶攸c(diǎn)是非接觸測(cè)量。第一節(jié)霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

金屬或半導(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)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)。cdab磁感應(yīng)強(qiáng)度B較大時(shí)的情況作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高?；魻栯妱?shì)EH可用下式表示：

EH=KHIB霍爾效應(yīng)當(dāng)|FL|＝|FE|時(shí),電子的積累達(dá)到平衡。這時(shí)在半導(dǎo)體薄片的前后端面之間建立的電勢(shì)就是霍爾電動(dòng)勢(shì)EH，其大小可用下式表示：霍爾效應(yīng)霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小正比于輸入電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B；當(dāng)輸入電流I或磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向改變時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的方向也隨之改變；根據(jù)公式，d越小，霍爾靈敏度越高，所以霍爾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。

KH與組件材料的性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān),在實(shí)際應(yīng)用中，一般都采用N型半導(dǎo)體材料做霍爾元件稱KH為霍爾元件的靈敏度磁場(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)的霍爾電勢(shì)為：

EH=KHIBcos

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，且當(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)，則霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì)。

霍爾元件的結(jié)構(gòu)、圖形符號(hào)利用霍爾效應(yīng)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)的器件稱為霍爾元件。結(jié)構(gòu)：霍爾片引線殼體霍爾元件的結(jié)構(gòu)、圖形符號(hào)圖形符號(hào)：

國產(chǎn)器件常用H代表霍爾元件，后面的字母代表元件的材料，數(shù)字代表產(chǎn)品的序號(hào)。如HZ-1元件，說明是用鍺材料制成的霍爾元件；HT-1元件，說明是用銻化銦材料制成的元件。

a、b通常用紅色，焊接處稱為激勵(lì)電極。c、d通常用綠色，焊接處稱為霍爾電極。第二節(jié)霍爾元件的特性參數(shù)及其誤差1、靈敏度KHKH是指I為單位電流，B為單位磁感應(yīng)強(qiáng)度，霍爾電極為開路（RL=∞）時(shí)的霍爾電勢(shì)。2、輸入電阻RiRi為霍爾器件兩個(gè)電流極之間的電阻，Ri受溫度變化的影響，會(huì)引起霍爾電勢(shì)的變化而帶來測(cè)量誤差。為此，最好采用恒流源作為激勵(lì)源。3、輸出電阻R0R0為兩個(gè)霍爾電極之間的電阻。R0也受溫度變化的影響，選擇適當(dāng)負(fù)載電阻與之匹配，可減小該影響。第二節(jié)霍爾元件的特性參數(shù)及其誤差4、額定控制電流Ic使在空氣中的霍爾器件產(chǎn)生10℃溫升的控制電流稱為額定控制電流。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，Ic的大小與霍爾元件的尺寸有關(guān)：尺寸越小，Ic越小。因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的額定控制電流，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)？5μA0.1mA2mA80mA第二節(jié)霍爾元件的特性參數(shù)及其誤差5、不等位電勢(shì)U0和不等位電阻r0在額定激勵(lì)電流下，當(dāng)Ｂ＝０時(shí)，霍爾輸出端的開路電壓稱不等位電勢(shì)；不等位電勢(shì)與額定控制電流之比，稱為不等位電阻，ro＝Uo／Ｉc.通常要求Uo<１mv。不等位電勢(shì)U0造成的原因：a、工藝上不可能將兩個(gè)霍爾電極絕對(duì)對(duì)稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩電極點(diǎn)不處于同一等位面上，這是造成Uo的主要原因。b、霍爾片電阻率不均勻，厚薄不均勻，控制電流極接觸不良等均會(huì)造成等位面歪斜。不等位電勢(shì)U0通常通過橋路平衡的原理加以補(bǔ)償。第二節(jié)霍爾元件的特性參數(shù)及其誤差不等位電勢(shì)的補(bǔ)償：①、在工藝上采取措施②、采取電路補(bǔ)償當(dāng)兩個(gè)霍爾電極處于同一等位上時(shí)，r1＝r2＝r3＝r4，則Uo＝０，否則Uo≠０，可通過電橋平衡原理對(duì)不等位電勢(shì)進(jìn)行補(bǔ)償。

Ｒw為調(diào)節(jié)補(bǔ)償電位器，用來調(diào)節(jié)霍爾元件的零位平衡。a)、不對(duì)稱補(bǔ)償電路，由于Ｒw與等效橋臂電阻的電阻溫度系數(shù)一般不相同，故只能在一定溫度下能達(dá)到補(bǔ)償作用。b)、c)、兩種為對(duì)稱電路，當(dāng)溫度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性較好，但同時(shí)減小了霍爾元件的輸入電阻，降低了霍爾電勢(shì)的輸出.d)、此電路為對(duì)稱電路，對(duì)輸入電阻的減小要小些，但它要求霍爾元件必須做成五端元件。第二節(jié)霍爾元件的特性參數(shù)及其誤差6、寄生直流電動(dòng)勢(shì)Ug當(dāng)不加外磁場(chǎng)，器件通以交流控制電流，在霍爾電極之間產(chǎn)生的直流電動(dòng)勢(shì)，稱為寄生直流動(dòng)電勢(shì)Ug。產(chǎn)生Ug的原因主要是器件本身的四個(gè)電極與極片之間的非歐姆接觸，產(chǎn)生整流效應(yīng)造成的。因此在元件制作和安裝時(shí)，應(yīng)盡量使電極歐姆接觸，有良好的散熱條件，并做到散熱均勻。（歐姆接觸是指金屬與半導(dǎo)體的接觸，而其接觸面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻）第二節(jié)霍爾元件的特性參數(shù)及其誤差7、霍爾電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)α在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度每變化1℃時(shí)，霍爾電勢(shì)的相對(duì)變化率稱為霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)。它與霍爾元件材料有關(guān)。砷化鎵霍爾器件為10-5/℃數(shù)量級(jí)，鍺、硅器件為10-4/℃數(shù)量級(jí)。8、電阻溫度系數(shù)β溫度變化1℃霍爾元件材料的電阻變化率，內(nèi)阻溫度系數(shù)約為10-3℃數(shù)量級(jí)。β越小越好。第二節(jié)霍爾元件的特性參數(shù)及其誤差9、霍爾元件溫度誤差及材料溫度補(bǔ)償電路半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度而變化，霍爾元件的輸入、輸出電阻、霍爾常數(shù)等也隨溫度變化，帶來溫度誤差。為減小溫度誤差，首先應(yīng)選用溫度系數(shù)較小的材料；采用適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償電路：如采用恒流源供電、輸入回路并聯(lián)電阻、合理選擇負(fù)載電阻阻值、采用恒流源和輸入回路串聯(lián)電阻和溫度補(bǔ)償?shù)?。第二?jié)霍爾元件的特性參數(shù)及其誤差A(yù)、恒流源供電，輸入端并聯(lián)電阻；或恒壓源供電，輸入端串聯(lián)電阻。溫度變化引起霍爾元件輸入電阻Ｒi變化，使控制電流變化，從而引起輸出誤差，因此最好采用恒流電源提供控制電流，要求穩(wěn)定度為±0.1%第二節(jié)霍爾元件的特性參數(shù)及其誤差恒流源電路：KH也是溫度的函數(shù)，由EH＝KHI.B可知KH變化，EH也變化，故采用恒流源電路在控制極兩端并聯(lián)一個(gè)合適的補(bǔ)償電阻rp，它對(duì)元件輸入電阻起分流作用，當(dāng)溫度變化時(shí)，能自動(dòng)調(diào)節(jié)霍爾元件控制電流大小，從而起到補(bǔ)償作用。rp=βRo/αβ:元件內(nèi)阻溫度系數(shù)α:霍爾電勢(shì)的溫度系數(shù)Ro：元件的內(nèi)阻恒壓源電路：I＝U／（R+Ri）若Ｒ>>Ri，則Ｉ≈U／Ｒ，當(dāng)Ri隨溫度變化時(shí)，控制電流Ｉ變化極小。第三節(jié)霍爾集成電路霍爾集成傳感器是將霍爾元件、放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出電路等集成在一塊芯片上，提供了一種簡(jiǎn)化的和較完善的磁敏傳感器。其輸出信號(hào)明快，傳送過程中無抖動(dòng)現(xiàn)象，且功耗低，對(duì)溫度的變化是穩(wěn)定的，靈敏度與磁場(chǎng)移動(dòng)速度無關(guān)?；魻柤蓚鞲衅鞣譃榫€性集成電路和開關(guān)集成電路。第三節(jié)霍爾集成電路

線性型三端霍爾集成電路線性型集成電路是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。線性型霍爾特性

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)。請(qǐng)畫出線性范圍開關(guān)型霍爾集成電路

開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個(gè)芯片上。與線性集成傳感器不同之點(diǎn)是增設(shè)了施密特電路。它是一種開關(guān)特性。開關(guān)集成傳感器的輸出只有1端，是以一定磁場(chǎng)電平值進(jìn)行開關(guān)工作的，由于內(nèi)設(shè)有施密特電路，開關(guān)特性具有遲滯，因此有較好的抗波動(dòng)效果。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。開關(guān)型霍爾集成電路

當(dāng)放大后的電壓UO大于施密特觸發(fā)器“開啟”閾值電壓時(shí)，施密特整形電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使V導(dǎo)通，這種狀態(tài)我們稱之為開狀態(tài)。當(dāng)磁場(chǎng)減弱時(shí)，霍爾元件輸出的UO很小，經(jīng)放大器放大后其值仍然小于施密特整形電路的“關(guān)閉”閾值電壓時(shí)，施密特整形電路再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，使V截止，這種狀態(tài)稱為關(guān)狀態(tài)。

開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路OC門施密特觸發(fā)電路雙端輸入、單端輸出運(yùn)放霍爾元件.Vcc開關(guān)型霍爾集成電路（OC門輸出）的接線請(qǐng)按以下電路，將下一頁中的有關(guān)元件連接起來.開關(guān)型霍爾集成電路

與繼電器的接線?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。這使得霍爾傳感器有許多用途?；魻柼厮估?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值霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，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。齒盤的轉(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?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車在剎車時(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。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霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置

采用霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置能較好地克服汽車合金觸點(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)。

汽車點(diǎn)火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置工作原理

采用霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置無磨損、點(diǎn)火時(shí)間準(zhǔn)確、高速時(shí)動(dòng)力足。桑塔納汽車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

霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(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，并以磁場(chǎng)能量的形式儲(chǔ)存在點(diǎn)火線圈的鐵心中。

汽車電子點(diǎn)火電路及波形

1—點(diǎn)火開關(guān)2—達(dá)林頓晶體管功率開關(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)火總成霍爾式無刷電動(dòng)機(jī)

霍爾式無刷電動(dòng)機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置，其輸出信號(hào)經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無刷電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，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五·霍爾無刷電動(dòng)機(jī)無刷電動(dòng)機(jī)與有刷電機(jī)相比有以下優(yōu)點(diǎn)1·無電刷，沒有磨損問題，壽命長(zhǎng)，可靠性高。2·具有良好的的旋轉(zhuǎn)特性，可以取得很寬的轉(zhuǎn)速特性，噪音低，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2~3倍，穩(wěn)定性好?；魻枱o刷電機(jī)控制器無刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用

電動(dòng)自行車可充電電池組無刷電動(dòng)機(jī)無刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用

無刷直流電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高性能位置傳感器產(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)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無火花、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。電動(dòng)自行車的無刷電動(dòng)機(jī)及控制電路去速度控制器利用PWM調(diào)速光驅(qū)用的無刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)霍爾式接近開關(guān)

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

用霍爾IC也能完成接近開關(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?；魻柺浇咏_關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICT霍爾電流傳感器

將被測(cè)電流的導(dǎo)線穿過霍爾電流傳感器的檢測(cè)孔。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(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霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓?；魻栯娏鱾鞲衅餮菔捐F心線性霍爾IC

EH=KHIB

I所實(shí)現(xiàn)的多媒體界面：I其他霍爾電流傳感器其他霍爾電流傳感器（續(xù)）霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口霍爾鉗形電流表演示直流200A量程