自動檢測技術及應用霍爾傳感器及應用

2023/9/21霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。屬半導體磁敏傳感器。1879年，美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應。但真正得到應用是隨著半導體技術發(fā)展開始的?；诨魻栃幕魻杺鞲衅魇菍⒈粶y量（如電流、磁場、位移、壓力、轉速等）轉換成電動勢輸出。2023/9/22§7.1霍爾元件的結構及工作原理

金屬或半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。一、霍爾效應2023/9/23霍爾效應演示

當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內側偏移，在半導體薄片c、d方向的端面之間產生霍爾電勢。cdab2023/9/24二、霍爾效應的工作原理

作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，輸入電流越大，霍爾電勢也就越高。霍爾電勢EH可用下式表示：EH=KHIB

(KH稱為霍爾元件的靈敏度）2023/9/25磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢

若磁感應強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos

，這時的霍爾電勢為

EH=KHIBcos

結論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應強度B成正比，且當B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果Ｉ和Ｂ的方向同時改變時霍爾電動勢極性不變。

因此霍爾傳感器可用來探測磁場和電流，由此還可測量壓力、震動等。2023/9/26

KH稱為霍爾元件靈敏度，它表示霍爾元件在單位磁感應強度B和單位控制電流I之下的霍爾電勢的大小。一般均要求KH越大越好，KH與組件材料的性質和幾何尺寸有關。由于半導體（特別是Ｎ型半導體）的霍爾常數(shù)要比金屬的大得多，所以在實際應用中，一般都采用N型半導體材料做霍爾元件。2023/9/27三、霍爾元件的結構

在長邊的兩個端面上焊有兩根控制電流端引線（圖中1，1′），在元件短邊的中間以點的形式焊有兩根霍爾電壓輸出端引線（圖中2，2′）。要求焊接處接觸電阻很小，并呈純電阻，即歐姆接觸（無PN結）。

2023/9/28

霍爾元件結構很簡單，由霍爾片、四根引線和殼體組成。霍爾片一般是矩形半導體單晶薄片，國產霍爾片的尺寸一般為4mm×2mm×0.1mm。近年來采用外延及離子注入工藝或采用濺射工藝制造的產品，尺寸小，性能好，并且生產成本低。2023/9/29一、霍爾元件的主要特性參數(shù)

１）輸入電阻Ｒi：霍爾元件兩控制電流端的直流電阻。２）輸出電阻Ｒo：兩個霍爾電動勢輸出端之間的電阻。３）靈敏度ＫＨ：指元件在單位磁感應強度和單位控制電流下所產生的霍爾電動勢。４）不等位電動勢Ｕo：在額定控制電流作用下，無外加磁場時，兩霍爾輸出端之間的開路電壓。５）不等位電阻ro：不等位電動勢與額定控制電流之比?！?.2

霍爾元件的特性參數(shù)及其誤差

2023/9/2106）額定控制電流Ic：額定控制電流是使霍爾元件在空氣中產生10℃溫升的控制電流。大小與霍爾芯片的尺寸有關：尺寸越小，Ic越小。7）寄生直流電勢vg：在不加外磁場時，交流控制電流通過霍爾元件而在霍爾電極之間產生的直流電勢。8）霍爾電動勢溫度系數(shù)α：霍爾電動勢變化的百分數(shù)稱為霍爾電動勢溫度系數(shù)。9）電阻溫度系數(shù)β：電阻溫度系數(shù)β為溫度每變化1℃霍爾元件材料的電阻變化率。2023/9/211二、霍爾元件的誤差１）零位誤差不等位電動勢寄生直流電動勢感應零電動勢自激場零電動勢２）溫度誤差注意：不等位電動勢是霍爾零位誤差中最主要的一種。2023/9/212一、霍爾元件的符號及常用電路

國產器件常用H代表霍爾元件，后面的字母代表元件的材料，數(shù)字代表產品的序號。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?！?.3

霍爾集成電路霍爾元件的符號2023/9/2132023/9/214

在磁場與控制電流的作用下，負載上就有電壓輸出。建立霍爾效應的所需的時間很短（約10-12～10-14s）,因此控制電流用交流時，控制電流的頻率也可以很高。１、基本電路

RL可以是一般電阻，也可以是放大器的輸入電阻或指示器內阻控制電流由電源Ｅ供給，其大小可以通過調節(jié)電阻Ｒ來實現(xiàn)2023/9/215２、恒流工作電路

在恒流工作條件下，沒有霍爾元件輸入電阻和磁阻效應的影響。

溫度變化引起霍爾元件的輸入電阻變化，從而使控制電流發(fā)生變化帶來誤差，為了減少這種誤差，常采用恒流源供電。2023/9/216３、恒壓工作電路

恒壓工作比恒流工作的性能要差些，只適用于精度要求不太高的地方。2023/9/217４、差分放大電路霍爾元件的輸出電壓一般較小，需要用放大電路放大其輸出電壓。為了獲得較好的放大效果，需采用差分放大電路。一個運放的放大電路2023/9/218使用一個運算放大器時，霍爾元件的輸出電阻可能會大于運算放大器的輸入電阻，從而產生誤差，而采用上圖所示的電路，則不存在這個問題。三個運放的放大電路2023/9/219二、霍爾集成電路隨著集成技術的發(fā)展，用集成電路把霍爾元件和相關的信號處理部件集成在一個單片上制成單片集成霍爾元件。按輸出信號的類型，霍爾集成電路可分為

線性型和開關型兩大類。2023/9/2201、霍爾線性傳感器

霍爾線形傳感器的輸出電壓與外加磁場強度呈線性比例關系。這類傳感器一般由霍爾元件和放大器組成，當外加磁場時,霍爾元件產生與磁場成線性比例變化關系的霍爾電壓,經放大器放大后輸出?；魻柧€性傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種。2023/9/221UGN-3501T

單端輸出的傳感器是一種塑料扁平封裝的三端元件，它有T、U兩種型號，T型與U型的區(qū)別僅是厚度的不同，T型厚度為2.03mm，U型厚度為1.54mm。

2023/9/222較典型的線性型三端霍爾器件UGN-3501

線性型三端霍爾集成電路2023/9/223

雙端輸出線性集成電路UGN-3501M采用8腳封裝。1、8兩腳為輸出，5、6、7三腳之間接一個電位器，對不等位電動勢進行補償。

UGN-3501M

2023/9/2242、霍爾開關集成傳感器

它能感知一切與磁信息有關的物理量，并以開關形式輸出。

它主要由穩(wěn)壓電源、霍爾組件、放大器、整形電路、輸出電路五部分組成。2023/9/225

當放大后的UO電壓大于施密特觸發(fā)器“開啟”閾值電壓時，輸出高電平，使V導通，這種狀態(tài)我們稱之為開狀態(tài)。當磁場減弱時，霍爾元件輸出的UO很小，經放大器放大后其值仍然小于施密特整形電路的“關閉”閾值電壓，輸出低電平，使V截止，這種狀態(tài)我們稱為關狀態(tài)。

結構框圖2023/9/226

從工作曲線上看，工作特性有一定的磁滯，這對開關動作的可靠性是非常有利的。圖中的BOP為工作點“開”的磁感應強度，BRP為釋放點“關”的磁感應強度。當外加磁感應強度高于BOp時，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當外加磁感應強度低于BRP時，輸出電平由低變高，傳感器處于關狀態(tài)。工作特性曲線2023/9/227§7.4

霍爾傳感器的應用

霍爾電勢是關于I、B、

三個變量的函數(shù)，即：EH=KHIBcos

利用這個關系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。2023/9/228一、霍爾壓力傳感器

敏感元件彈簧片一端固定，另一端安裝著霍爾元件。當輸入壓力增加時，彈簧伸長，使處于恒定梯度磁場中的霍爾元件產生相應的位移，從霍爾元件輸出的電壓的大小即可反映出壓力的大小。2023/9/229二、霍爾電流傳感器

在磁芯上開一氣隙，內置一個霍爾線性器件，器件通電后，便可由它輸出的霍爾電壓得出導線中流通電流的大小。2023/9/230霍爾電流傳感器演示鐵心線性霍爾IC

EH=KHIB

II2023/9/2311）直接測量式霍爾電流傳感器

由霍爾輸出電壓的數(shù)值直接得出被測電流值。在這種應用中，霍爾器件是磁場檢測器，它檢測的是磁芯氣隙中的磁感應強度。電流增大后，磁芯可能達到飽和；隨著頻率升高，磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗等也會隨之升高。這些都會對測量精度產生影響。2023/9/2322023/9/2332）零磁通式（磁平衡式）

將霍爾器件的輸出電流放大后，通過補償線圈，并令補償線圈產生的磁場和被測電流產生的磁場方向相反，若滿足條件ION1=ISN2，則磁芯中的磁通為0，這時下式成立:當達到磁平衡時，即可由IS及匝數(shù)比N2/N1得到IO。2023/9/234三、霍爾傳感器用于角度檢測

將霍爾元件置于永久磁鐵的磁場中。其霍爾元件的輸出與角度成正比，即2023/9/235四、霍爾開關按鍵

霍爾電路用磁體作為觸發(fā)媒介，當磁體接近霍爾電路時，霍爾電路產生一個電信號，當磁體離開時電信號消失，霍爾按鍵就是按照這個原理來工作的。霍爾開關按鍵開關是一個無觸點的按鍵開關。

2023/9/236五、霍爾無刷電機

1、由于無電刷，沒有磨損問題，壽命長、可靠性高2、具有良好的旋轉特性，可以取得很寬的轉速特性、噪音低、起動轉矩為額定轉矩的2～3倍、穩(wěn)定性好。2023/9/2372023/9/238

霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉子和定子之間