霍爾傳感器及其他磁傳感器說課講解

霍爾傳感器及其他磁傳感器6.1霍爾傳感器工作原理6.1.1霍爾效應(yīng)在置于磁場中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)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出現(xiàn)一個電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

如圖6-1所示，長、寛、高分別為L、W、H的N型半導(dǎo)體薄片的相對兩側(cè)a、b通以控制電流，在薄片垂直方向加以磁場B。在圖示方向磁場的作用下，電子將受到一個由c側(cè)指向d側(cè)方向力的作用，這個力就是洛侖茲力，大小為FL=qvB

圖6-1霍爾效應(yīng)與霍爾元件（a）霍爾效應(yīng)（b）霍爾元件結(jié)構(gòu)（c）圖形符號（d）外形

c、d兩端面因電荷積累而建立了一個電場EH

，稱為霍爾電場。該電場對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，達到動態(tài)平衡。這時有qEH

=qvB

霍爾電場的強度為EH=vB

在c與d兩側(cè)面間建立的電勢差稱為霍爾電壓：UH=EHW或UH=vBW

當(dāng)材料中的電子濃度為n時，，

電子速度為得：設(shè)：得霍爾電壓：設(shè)：得：

式中RH為霍爾系數(shù)，它反映材料霍爾效應(yīng)的強弱;KH為霍爾靈敏度，它表示一個霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強度時產(chǎn)生的霍爾電壓的大小?？梢钥闯觯海?）霍爾電壓UH大小與材料的性質(zhì)有關(guān)。（2）霍爾電壓UH大小與元件的尺寸有關(guān)。（3）霍爾電壓UH大小與控制電流及磁場強度有關(guān)。6.1.2霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)利用霍爾效應(yīng)制成的磁電轉(zhuǎn)換元件稱為霍爾元件?；魻栐苫魻柶?、引線和殼體組成,如圖6-1-1(a)所示?；魻柶蔷匦伟雽?dǎo)體單晶薄片，引出四個引線。1、1′兩根引線加激勵電流，稱為激勵電極；2、2′引線為霍爾電壓輸出引線，稱為霍爾電極?；魻栐んw由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。

圖6-1-1霍爾元件（a）外型結(jié)構(gòu)示意圖（b）圖形符號

在電路中霍爾元件可用兩種符號表示，如圖6-1-1(b)所示?；魻栐饕夹g(shù)參數(shù)為：

1.輸入電阻RIN和輸出電阻ROUT；

2.額定控制電流IC；

3.不等位電勢U0，即未加磁場時的輸出電壓，一般小于1mV；

4.霍爾電壓UH；

5.霍爾電壓的溫度特性。6.2霍爾傳感器6.2霍爾傳感器6.2.1霍爾開關(guān)集成傳感器霍爾開關(guān)集成傳感器是利用霍爾元件與集成電路技術(shù)制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號形式輸出。圖6-2所示為內(nèi)部組成框圖。當(dāng)有磁場作用在霍爾開關(guān)集成傳感器上時，霍爾元件輸出霍爾電壓UH，一次磁場強度變化，使傳感器完成一次開關(guān)動作。

圖6-2霍爾開關(guān)集成傳感器內(nèi)部框圖

具有使用壽命長，無觸點磨損，無火花干擾，無轉(zhuǎn)換抖動，工作頻率高，溫度特性好，能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點。常見霍爾開關(guān)集成傳感器型號有UGN-3020,UGN-3030,UGN-3075。工作電壓為4.5～25V，輸出低電平<0.04mV。常用于：點火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速測量、里程測量、機械設(shè)備限位開關(guān)、按鈕開關(guān)、電流的測量和控制、位置及角度的檢測，等等。6.2.2霍爾線性集成傳感器霍爾線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場強度呈線性比例關(guān)系。一般由霍爾元件和放大器組成，

當(dāng)外加磁場時，霍爾元件產(chǎn)生與磁場成線性的霍爾電壓，經(jīng)放大器放大后輸出?；魻柧€性集成傳感器有單端輸出型和雙端輸出型兩種，

典型產(chǎn)品分別為SL3501T和SL3501M兩種。

圖6-3為SL3501T，單端輸出型，工作電壓8～12V，輸出電壓2.5～5V，靈敏度3500～7000mV/mA·T。

圖6-3單端輸出型傳感器的電路結(jié)構(gòu)

圖6-4為SL3501M，雙端輸出型，兩個輸出端輸出正、負(fù)差分信號，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。工作電壓8～16V，輸出電壓0～3.6V，靈敏度700～1400mV/mA·T?；魻柧€性集成傳感器常用于：位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量和控制。圖6-4雙端輸出型傳感器的電路結(jié)構(gòu)

6.3其他磁傳感器6.3其他磁傳感器6.3.1磁阻元件當(dāng)霍爾元件受到與電流方向垂直的磁場作用時，不僅會出現(xiàn)霍爾效應(yīng)，而且還會出現(xiàn)半導(dǎo)體電阻率增大的現(xiàn)象，稱為磁阻效應(yīng)。利用磁阻效應(yīng)做成的電路元件，叫磁阻元件。1.基本工作原理在沒有外加磁場時，磁阻元件的電流密度矢量，如圖6-5(a)所示。當(dāng)磁場垂直作用在磁阻元件表面上時，由于霍爾效應(yīng)，使得電流密度矢量偏移電場方向某個霍爾角θ，如圖6-5(b)所示。這使電流流通的途徑變長，導(dǎo)致元件兩端金屬電極間的電阻值增大。

(a)在無磁場時

(b)有磁場作用時圖6-5磁阻元件工作原理示意圖

2.磁阻元件的基本特性1）B-R特性磁阻元件的B-R特性，用無磁場時的電阻R0和磁感應(yīng)強度為B時的電阻RB來表示。2）靈敏度K

磁阻元件的靈敏度K，可由下式表示，即

K=R3/R0一般來說，磁阻元件的靈敏度

K≥2.7

3）溫度系數(shù)磁阻元件的溫度系數(shù)約為‐2%/℃，是比較大的?？梢杂脙蓚€磁敏元件串聯(lián)起來，采取分壓輸出，可以大大改善元件的溫度特性。3.磁阻元件的應(yīng)用磁阻元件阻抗低、阻值隨磁場變化率大、可以非接觸式測量、頻率響應(yīng)好、動態(tài)范圍廣及噪聲小，可廣泛應(yīng)用于：無觸點開關(guān)、壓力開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器、角度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等場合。6.3.2磁敏二極管可以將磁信息轉(zhuǎn)換成電信號，具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)快、無觸點、輸出功率大及性能穩(wěn)定等特點。它可廣泛應(yīng)用于磁場的檢測、磁力探傷、轉(zhuǎn)速測量、位移測量、電流測量、無觸點開關(guān)、無刷直流電機等許多領(lǐng)域。1、磁敏二極管的基本結(jié)構(gòu)及工作原理如圖6-6所示。它是平面P+-i-N+型結(jié)構(gòu)的二極管。在高純度半導(dǎo)體鍺的兩端摻高雜P型區(qū)和N型區(qū)。

i區(qū)是高純空間電荷區(qū)，i區(qū)的長度遠遠大于載流子擴散的長度。在i區(qū)的一個側(cè)面上，再做一個高復(fù)合區(qū)r，在r區(qū)域，載流子的復(fù)合速率較大。圖6-6磁敏二極管的結(jié)構(gòu)

在電路連接時，P+區(qū)接正電壓，N+區(qū)接負(fù)電壓。在沒有外加磁場情況下，大部分的空穴和電子分別流入N區(qū)和P區(qū)而產(chǎn)生電流，只有很少部分載流子在r區(qū)復(fù)合，如圖6-7(a)所示。若給磁敏二極管外加一個磁場B，在正向磁場的作用下，空穴和電子受洛侖茲力的作用偏向r區(qū)，如圖6-7(b)所示。圖6-7磁敏二極管的工作原理

由于空穴和電子在r區(qū)的復(fù)合速率大，此時磁敏二極管正向電流減小，電阻增大。當(dāng)在磁敏二極管上加一個反向磁場B時，載流子在洛侖磁力的作用下，均偏離復(fù)合區(qū)r，見圖6-7(c)所示。此時磁敏二極管正向電流增大，電阻減小。2.磁敏二極管的主要技術(shù)參數(shù)和特性(1)靈敏度當(dāng)外加磁感應(yīng)強度B為±0.1T時，輸出端電壓增量與電流增量之比稱為靈敏度。(2)工作電壓U0和工作電流I0

在零磁場時加在磁敏二極管兩端的電壓、電流值。(3)磁電特性在弱磁場及一定的工作電流下，輸出電壓與磁感應(yīng)強度的關(guān)系為線性關(guān)系。在強磁場下則成非線性關(guān)系。(4)伏安特性在負(fù)向磁場作用下，磁敏二極管電阻小，電流大；在正向磁場作用下，磁敏二極管電阻大，電流小。如圖6-8所示。圖6-8磁敏二極管的伏安特性

6.3.3磁敏晶體管磁敏晶體管是一種新型的磁電轉(zhuǎn)換器件,該器件的靈敏度比霍爾元件高得多.同樣具有無觸點、輸出功率大、響應(yīng)快、成本低等優(yōu)點。其在磁力探測、無損探傷、位移測量、轉(zhuǎn)速測量等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。1.磁敏晶體管的基本結(jié)構(gòu)及工作原理圖6-9（a）是無外磁場作用情況。

由于i區(qū)較長，在橫向電場作用下，發(fā)射極電流大部分形成基極電流，小部分形成集電極電流。圖6-9（b）是有外部正向磁場B+作用的情況，電子向復(fù)合區(qū)偏轉(zhuǎn)。圖6-9磁敏晶體管工作原理示意圖

圖6-9（c）是有外部反向磁場B-作用的情況，電子偏離復(fù)合區(qū)。會引起集電極電流的減少或增加。因此，可以用磁場方向控制集電極電流的增加或減少，

用磁場的強弱控制集電極電流增加或減少的變化量。2.磁敏晶體管的主要技術(shù)特性1）磁靈敏度h±

指當(dāng)基極電流恒定，外加磁感應(yīng)強度B=0時的集電極電流ICO與外加磁感應(yīng)強度B=±0.1T時的集電極電流IC±相對變化值，即：2）磁電特性在基極電流恒定時，集電極電流與外加磁場的關(guān)系。在弱磁場作用下，特性接近線性。3）溫度特性集電極電流的溫度特性具有負(fù)的溫度系數(shù)。對溫度較敏感，實際使用時應(yīng)進行溫度補償。

6.3.4磁電感應(yīng)式傳感器

磁電感應(yīng)式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。

其組成的主要部件是永久磁鐵和線圈，結(jié)構(gòu)簡單，不需要輔助電源，且輸出功率大，性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），被廣泛采用。圖6-10所示為動圈式振動速度傳感器結(jié)構(gòu)。鋼制圓形外殼，鋁支架將圓柱形永久磁鐵與外殼固定成一體，芯軸穿過永久磁鐵中心孔，架在彈簧片中央，彈簧片與外殼相連。芯軸兩端通過阻尼環(huán)固定線圈，線圈與永久磁鐵間有小間隙。1－芯軸2－外殼3－彈簧片4－鋁支架5－永久磁鐵6－線圈7－阻尼環(huán)8－引線

圖6-10動圈式振動速度傳感器結(jié)構(gòu)工作時，鋼制外殼固定在被測物體上。被測物體振動時，外殼、鋁支架和永久磁鐵隨之振動，芯軸、阻尼環(huán)和線圈由于慣性則不隨之振動。線圈切割磁力線，產(chǎn)生與振動速度成比例的感應(yīng)電動勢。將感應(yīng)電動勢輸出到顯示設(shè)備，可顯示振動速度。將該數(shù)據(jù)對時間積分可獲得位移值。將該數(shù)據(jù)對時間微分可獲得加速度值。6.4霍爾傳感器及

其他磁傳感器應(yīng)用實例6.4.1霍爾汽車無觸點點火器

如圖6-10所示，磁輪鼓代替了傳統(tǒng)的凸輪及白金觸點。發(fā)動機主軸帶動磁輪鼓轉(zhuǎn)動時，霍爾器件感受的磁場極性交替改變，輸出一連串與汽缸活塞運動同步的脈沖信號去觸發(fā)晶體管功率開關(guān)，點火線圈兩端產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，使火花塞產(chǎn)生火花放電，完成汽缸點火過程。

圖6-10霍爾點火裝置示意圖1-磁輪鼓2-開關(guān)型霍爾集成電路3-晶體管功率開關(guān)4-點火線圈5-火花塞

6.4.2霍爾無刷直流電機如圖6-11所示。電機由永久磁鐵做轉(zhuǎn)子。在定子上安有12只霍爾元件，各與前方相差90°的一個定子電樞線圈相連，線圈被安放在定子糟中。各定子線圈由霍爾元件輸出的霍爾電壓激勵，產(chǎn)生的定子磁場，與對應(yīng)的霍爾元件相差90°，即超前于轉(zhuǎn)子磁場90°。永久磁鐵的轉(zhuǎn)子被定子磁場吸引而向前轉(zhuǎn)動。

圖6-11霍爾無刷電機的結(jié)構(gòu)圖

1軸2外殼3電路4定子5線圈6霍爾元件7永磁轉(zhuǎn)子

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動通過霍爾元件時，永久磁鐵磁通使霍爾元件輸出電壓極性反相，相應(yīng)的電樞線圈磁場也產(chǎn)生極性轉(zhuǎn)換，使定子磁場始終超前于轉(zhuǎn)子磁場90°，吸引轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子則沿原方向繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動。6.4.2磁卡與磁卡閱讀器

磁卡（包括帶磁條的銀行存折）一般作為識別卡用。所謂識別卡，是指一種標(biāo)識其持卡人和發(fā)行者的卡。

磁條貼在磁卡的背面，可讀表面厚度0～0.038mm。磁條中有3條編碼磁道，磁道之間有間隔。

離磁卡邊最近的是1磁道。各磁道編碼信息有主帳號、國家、持卡人姓名、失效日期、服務(wù)范圍、貨幣類型、可用金額指數(shù)、允許輸錯次數(shù)、校驗碼等。一般應(yīng)用的磁卡可只使用1磁道，性能和密級高的磁卡使用3條磁道。刷卡的速度為10cm/s～120cm/s，由3個帶磁芯的自感或互感傳感器組成的磁頭，感應(yīng)磁條上磁性（磁阻）的變化來讀取數(shù)據(jù)，相當(dāng)靈敏，準(zhǔn)確度很高。

自動柜員機（ATM）的基本組成如圖6-12所示。

讀卡設(shè)備和用戶鍵盤將刷卡和按鍵輸入的用戶帳號和密碼等信息送入ATM機的專用計算機。

專用計算機通過網(wǎng)絡(luò)交換中心與發(fā)卡銀行主機聯(lián)系，檢查帳號的合法性，是否超過有效期，驗證密碼，按發(fā)卡銀行主機回答碼對用戶的操作進行響應(yīng)。

通過專用計算機接口驅(qū)動點鈔系統(tǒng)、打印系統(tǒng)進行點鈔輸出和打印輸出。圖6-12自動柜員機基本組成框圖6.4.4自動供水裝置

取水時，將鐵制的取水卡從投放口投入，沿非磁性物質(zhì)制作的滑槽向下滑行，當(dāng)滑行到磁傳感部位時，傳感器輸出信號經(jīng)控制電路驅(qū)動電磁閥打開，讓水從水龍頭流出。

自動供水裝置電路如圖6-13所示。主要由磁傳感器裝置、單穩(wěn)態(tài)電路、固態(tài)繼電器、電源電路及電磁閥等組成。當(dāng)取水者投入鐵制的取水牌時，鐵制取水牌將磁鐵的磁力線短路，SL3020傳感器受較強磁場的作用輸出為高電平脈沖，電路輸出使電磁閥Y通電工作，自動開閥放水。每次供水延時時間長短，取決于C2、R4、RP1的充電時間常數(shù)。圖6-13自動供水裝置電路原理圖

6.4.4干簧管開門播放音樂電路

干簧管是最簡單的磁控機械開關(guān)，由帶磁性和不帶磁性的兩個觸點構(gòu)成。

在沒有強磁場作用時，這兩個觸點通常是斷開的（常開型干簧管），或接通的（常閉型干簧管）。

在強磁場作用下，干簧管的兩個開關(guān)觸點閉合（常開型干簧管），或斷開（常閉型干簧管）。圖6-14所示為房門打開播放音樂電路。常閉型干簧管及其電路安裝在門框上，磁鐵安裝在門上。拉開房門，磁鐵磁場離開，常閉型干簧管的兩個觸點閉合，電源接通，音樂集成電路工作，輸出音樂信號。經(jīng)晶體管9013放大后，驅(qū)動揚聲器播放音樂。

圖6-14干簧管開門播放音樂電路6.5實訓(xùn)

磁感應(yīng)強度測量儀裝調(diào)1.磁感應(yīng)強度測量儀采用SL3051M霍爾線性集成傳感器，電路如圖6-15所示。使用時，只要使傳感器的正面面對磁場，便可測得磁場的磁感應(yīng)強度。裝調(diào)該磁感應(yīng)強度測量儀電路,并用該磁感應(yīng)強度測量儀測量