霍爾傳感器培訓(xùn)課件

第5章霍爾傳感器

本章主要學(xué)習(xí)霍爾傳感器的工作原理、霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)、霍爾集成電路的特性、霍爾傳感器在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用。5.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理5.2霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)5.3霍爾傳感器集成電路5.4霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾元件1/7/202515.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

5.1.1

霍爾效應(yīng):

霍爾發(fā)現(xiàn)，如果對(duì)位于磁場(chǎng)(B)中的導(dǎo)體施加一個(gè)電壓(V)，該磁場(chǎng)的方向垂直于所施加電壓的方向，那么則在既與磁場(chǎng)垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)電壓(EH)，人們將這個(gè)電壓叫做霍爾電壓，產(chǎn)生這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。1/7/202525.1.2

霍爾傳感器原理：產(chǎn)生霍爾效應(yīng)原因是根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電子在磁場(chǎng)中以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到洛倫茲力fL；fL與電子的電菏量e、運(yùn)動(dòng)速度v及磁場(chǎng)強(qiáng)度B成正比；

fL=evB；電荷在fL的作用下向一側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片C、D端面間形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EH.5.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

CDEH1/7/202545.1.2

霍爾傳感器原理：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EH在半導(dǎo)體膜片上形成一電場(chǎng)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電荷在電場(chǎng)中要受到電場(chǎng)力fE，fE與電荷電量的多少、EH大小及兩電極間距有關(guān)。

fE=eEH/b5.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

CDEH1/7/202555.1.2

霍爾傳感器原理：隨著感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EH的增加，fE不斷增加，最終fL與fE半達(dá)到某一平衡值，即：fL+fE=0設(shè)通過半導(dǎo)體的電流I為:

I=-envbd

5.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理（視頻）

CDEH（n為單位體積的載流子數(shù)量）EH=IB/end=SHIBSH靈敏度系數(shù)1/7/202565.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

5.1.3霍爾元件材料:霍爾元件是一種四端元件因：EH=IB/end1．鍺(Ge)，N型及P型均可。2．硅(Si)．N型及P型均可。3．砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)，這兩種材料的特性很相似?；魻栐牧蠟槭裁幢仨氂冒雽?dǎo)體材料？用金屬材料可以么？霍爾元件材料為什么必須用薄片？用厚片可以么？1/7/202575.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

5.1.3霍爾元件材料:霍爾元件1/7/20258

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。EH=SHIB

5.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

5.1.4、影響霍爾電動(dòng)勢(shì)的因素1/7/202595.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況CDAB

磁感應(yīng)強(qiáng)度B較小時(shí)的情況,作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越小，霍爾電勢(shì)也就越低。EH=SHIB1/7/202510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:

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)。

EH=SHIBcos

5.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

5.1.4、影響霍爾電動(dòng)勢(shì)的因素1/7/2025115.2霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)

5.2.1最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM

上圖所示霍爾元件的線性范圍是負(fù)的多少高斯至正的多少高斯？線性區(qū)1/7/2025125.2.2額定激勵(lì)電流IH

:使霍爾元件溫升10℃所施加的控制電流值稱為額定激勵(lì)電流。通常用IH表示。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，因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)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)？A、5μAB、0.1mAC、2mAD、80mA

5.2霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)

1/7/2025135.2.3

輸入電阻Ri:它是指控制電流極間的電阻值。它規(guī)定要在室溫(20±5℃)的環(huán)境溫度中測(cè)取。5.2霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)

5.2.4

輸出電阻RL：它是指霍爾電極間的電阻值。規(guī)定中要求在(20±5℃)的條件下測(cè)取。當(dāng)霍爾元件通以控制電流IH而不加外磁場(chǎng)時(shí)，它的霍爾輸出端之間仍有空載電勢(shì)存在，稱為不等位電勢(shì)。5.2.5不等位電勢(shì)E01/7/2025145.2.6

寄生直流電勢(shì)V0:5.2霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)

當(dāng)不加外磁場(chǎng)，控制電流改用額定交流電流時(shí)，霍爾電極間的空載電勢(shì)為直流與交流電勢(shì)之和。其中的交流霍爾電勢(shì)與前述零位電勢(shì)相對(duì)應(yīng)，而直流霍爾電勢(shì)是個(gè)寄生量，稱為寄生直流電勢(shì)V。

5.2.7

熱阻RQ:它表示在霍爾電極開路情況下，在霍爾元件上輸入lmW的電功率時(shí)產(chǎn)生的溫升，單位為℃/mW。所以稱它為熱阻是因?yàn)檫@個(gè)溫升的大小在一定條件下與電阻有關(guān)。1/7/2025155.3霍爾傳感器集成電路霍爾集成電路可分為線性型和開關(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。線性型三端霍爾集成電路5.3.1線性型霍爾傳感器特性1/7/2025165.3.1

線性型霍爾傳感器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1/7/2025175.3.2、開關(guān)型霍爾傳感器集成電路開關(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。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。5.3霍爾傳感器集成電路1/7/202518VccOC門施密特觸發(fā)電路雙端輸入單端輸出運(yùn)放霍爾元件.5.3霍爾傳感器集成電路開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路5.3.2、開關(guān)型霍爾傳感器集成電路1/7/202519請(qǐng)按以下電路，將下一頁(yè)中的有關(guān)元件連接起來.5.3霍爾傳感器集成電路開關(guān)型霍爾集成電路（OC門輸出）的接線5.3.2、開關(guān)型霍爾傳感器集成電路1/7/202520開關(guān)型霍爾集成電路

與繼電器的接線?1/7/202521開關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性

回差越大，抗振動(dòng)干擾能力就越強(qiáng)。

當(dāng)磁鐵從遠(yuǎn)到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng)磁鐵從近到遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出再次翻轉(zhuǎn)？回差為多少特斯拉？相當(dāng)于多少高斯（Gs）？5.3.2、開關(guān)型霍爾傳感器集成電路1/7/2025225.4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=SHIBcos

。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。

霍爾傳感器優(yōu)點(diǎn)：磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、

輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1/7/202523訖今為止，已在現(xiàn)代汽車上廣泛應(yīng)用的霍爾器件有：分電器上作信號(hào)傳感器;ABS系統(tǒng)中的速度傳感器;汽車速度表和里程表;液體物理量檢測(cè)器;各種用電負(fù)載的電流檢測(cè)及工作狀態(tài)診斷;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器;各種開關(guān)，等等;

5.4霍爾傳感器的應(yīng)用

1/7/202524霍爾器件通過檢測(cè)磁場(chǎng)變化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出，可用于監(jiān)視和測(cè)量汽車各部件運(yùn)行參數(shù)的變化。例如位置、位移、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等等，并可將這些變量進(jìn)行二次變換；可測(cè)量壓力、質(zhì)量、液位、流速、流量等。霍爾器件輸出量直接與電控單元接口，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。目前的霍爾器件都可承受一定的振動(dòng)，可在零下40攝氏度到零上150攝氏度范圍內(nèi)工作，全部密封不受水油污染，完全能夠適應(yīng)汽車的惡劣工作環(huán)境。

5.4霍爾傳感器的應(yīng)用

1/7/202525

5.4霍爾傳感器的應(yīng)用

1、霍爾接近開關(guān)

2、霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）3、霍爾轉(zhuǎn)速表4、霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置5、霍爾式無刷電動(dòng)機(jī)

6、霍爾式電流傳感器7、霍爾鉗形電流表8、霍爾式位移傳感器9、霍爾式壓力傳感器1/7/2025261、霍爾接近開關(guān)

霍爾元件是一種磁敏元件。利用霍爾元件做成的開關(guān)，叫做霍爾開關(guān)。當(dāng)磁性物件移近霍爾開關(guān)時(shí)，開關(guān)檢測(cè)面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應(yīng)而使開關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識(shí)別附近有磁性物體存在，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)的檢測(cè)對(duì)象必須是磁性物體。

5.4霍爾傳感器的應(yīng)用

1/7/2025271、霍爾接式近開關(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。霍爾接近開關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。1/7/202528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?，?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。1、霍爾接式近開關(guān)1/7/202529霍爾式接近開關(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IC

T1、霍爾接式近開關(guān)1/7/2025302、霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）

霍爾元件1/7/202531霍爾高斯計(jì)（特斯拉計(jì)）的使用

霍爾元件磁鐵2、霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）1/7/202532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2、霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）1/7/2025333、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1/7/202534

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)速表原理3、霍爾轉(zhuǎn)速表1/7/202535

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)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

3、霍爾轉(zhuǎn)速表1/7/202536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F3、霍爾轉(zhuǎn)速表1/7/2025374、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1/7/2025384、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

1/7/202539

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。4、霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置1/7/202540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4、霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置1/7/2025415、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1/7/202542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)5、霍爾式無刷電動(dòng)機(jī)

1/7/202543

無刷直流電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個(gè)霍爾位置傳感器產(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)。無刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用

5、霍爾式無刷電動(dòng)機(jī)

1/7/202544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5、霍爾式無刷電動(dòng)機(jī)

1/7/202545光驅(qū)用的無刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)5、霍爾式無刷電動(dòng)機(jī)

1/7/202546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。6、霍爾式電流傳感器1/7/202547霍爾電流傳感器演示鐵心線性霍爾IC

EH=SHIB

I所實(shí)現(xiàn)的多媒體界面：I1/7/202548其他霍爾電流傳感器6、霍爾式電流傳感器