霍爾式傳感器及應用

1、2020/8/11,1,第7章 霍爾式傳感器及應用,2020/8/11,2,引言,霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。 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，但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。 隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，開始用半導體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應顯著而得到應用和發(fā)展。 霍爾傳感器廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。,2020/8/11,3,主要章節(jié),7.1霍爾效應及霍爾元件 7.2霍爾傳感器實用電路,2020/8/11,4,7.1霍爾效應及霍爾元件,金屬或半導體薄片置于磁感應強度B的磁場（磁場方向垂直與薄片）中，當有電流I通過時，在

2、垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢UH，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。該電勢UH 稱霍爾電勢。,7.1.1 霍 爾 效 應,2020/8/11,5,霍爾效應原理,一塊長為L、寬為W、厚為d的N型半導體薄片，位于磁感應強度為B的磁場中，B垂直于L-W平面，沿L通電流I，N型半導體的載流體-電子將受到B產(chǎn)生的洛侖茲力FB的作用,2020/8/11,6,在力FB的作用下，電子向半導體片的一個側(cè)面偏轉(zhuǎn)，在該側(cè)面上形成電子的積累，而在相對的另一側(cè)面上因缺少電子而出現(xiàn)等量的正電荷。在這兩個側(cè)面上產(chǎn)生霍爾電場EH。該電場使運動電子受有電場力FE,2020/8/11,7,電場力阻止電子繼續(xù)向原側(cè)面積累，當電子所

3、受電場力和洛侖茲力相等時，電荷的積累達到動態(tài)平衡，由于存在EH，半導體片兩側(cè)面間出現(xiàn)電位差UH ，稱為霍爾電勢,2020/8/11,8,磁場與薄片法線夾角為,2020/8/11,9,常用的霍爾元件材料,鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導體材料。其中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度好。,2020/8/11,10,常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù),2020/8/11,11,7.1.2 霍爾元件基本結(jié)構(gòu),霍爾片

4、、引線和殼體組成,1霍爾元件的結(jié)構(gòu),2020/8/11,12,2.霍爾元件的連接,（1）當控制電流為直流輸入時，為了得到較大的霍爾輸出，可將幾塊霍爾元件的輸出串聯(lián)。但控制電流必須并聯(lián)，決不能串聯(lián)。因為串聯(lián)起來將有大部分控制電流被相連的霍爾電勢極短接。,2020/8/11,13,（2）當控制電流為交流輸入時，可采用如圖連接方式，這樣可以增加霍爾輸出電勢及功率。,2020/8/11,14,7.1.3 霍爾元件主要參數(shù)及其誤差,（1）乘積靈敏度KH （2）額定控制電流Icm （3）磁靈敏度KB （4）輸入電阻Ri、輸出電阻R。 （5）不等位電勢Uo和不等位電阻Ro （6）寄生直流電勢UOD （7）霍

5、爾電勢溫度系數(shù) （8）工作溫度范圍,1主要特性參數(shù),2020/8/11,15,2.霍爾元件的誤差及補償,（1）不等位電勢的補償 不等位電勢的大小和極性與控制電流的大小和方向有關(guān) 不等位電勢的大小和相位隨交流控制電流而變 不等位電勢與控制電流之間并非線性關(guān)系，而且U 0還隨溫度而變,2020/8/11,16,常用的不等位電勢的補償電路,2020/8/11,17,（2）溫度補償, 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,輸入端并聯(lián)電阻補償,輸入端串聯(lián)電阻補償,2020/8/11,18, 合理選擇負載電阻,霍爾電勢的負載通常是放大器、顯示器或記錄儀的輸入電阻，其值一定，可用串、并聯(lián)

6、電阻的方法使輸出負載電壓不變，但此時，靈敏度將相應有所降低。,2020/8/11,19, 采用熱敏元件,最常采用的補償方法,2020/8/11,20,幾種補償電路,采用熱敏元件的溫度誤差補償電路,2020/8/11,21,7.2霍爾傳感器實用電路,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，為用戶提供了一種簡化的和較完善的磁敏傳感器 其輸出信號快，傳送過程中無抖動現(xiàn)象，且功耗低，對溫度的變化是穩(wěn)定的，靈敏度與磁場移動速度無關(guān)。 霍爾集成傳感器分為線性集成電路和開關(guān)集成電路。,7.2.1 霍爾集成傳感器,2020/8/11,22,1.線性集成傳感器,線性霍爾集成傳感器的特點是

7、輸出電壓與外加磁感應強度B呈線性關(guān)系 . 由霍爾元件HG、放大器A、差動輸出電路D和穩(wěn)壓電源R等組成,2020/8/11,23,內(nèi)部框圖和輸出特性,2020/8/11,24,2.開關(guān)集成傳感器,由霍爾元件HG、放大器A、輸出晶體管VT、施密特電路C和穩(wěn)壓電源R等組成，與線性集成傳感器不同之處是增設(shè)了施密特電路C，通過晶體管VT的集電極輸出 關(guān)集成傳感器只有一個輸出端，是以一定磁場電平值進行開關(guān)工作的。由于內(nèi)設(shè)有施密特電路，開關(guān)特性具有時滯，因此有較好的抗噪聲效果。霍爾集成傳感器一般內(nèi)有穩(wěn)壓電源，工作電源的電壓范圍較寬，可為316V。,2020/8/11,25,開關(guān)集成傳感器的內(nèi)部框圖和輸出特性

8、,2020/8/11,26,7.2.2 霍爾傳感器的應用簡介,霍爾電勢是關(guān)于I、B、 3個變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos 。利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變，將第3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。 霍爾傳感器結(jié)構(gòu)簡單、工藝成熟、體積小、壽命長、線性好、頻帶寬，因而得到廣泛的應用。,2020/8/11,27,1.測量位移,將霍爾傳感器放置在呈梯度分布的磁場中，通以恒定的控制電流，當傳感器移動時，元件上感知的磁場大小隨位移發(fā)生變化，從而使得其輸出UH 也產(chǎn)生變化，且與位移成比例。從原理上來分析，磁場梯度越大，霍爾輸出UH對位移變化的靈敏度就越高，磁場梯度越均勻，則UH

9、對位移的線性度就越好。,2020/8/11,28,國產(chǎn)YSH-1型霍爾壓力變送器,2020/8/11,29,2.無觸點發(fā)信,霍爾傳感器通以恒定的控制電流，在近距離運動的磁鋼作用下，輸出UH產(chǎn)生顯著的變化，這就是霍爾無觸點發(fā)信。無觸點發(fā)信只要求傳感器輸出一個足夠大的UH信號，而對元件本身的溫度特性、線性度等參數(shù)要求不高，因此被廣泛用于精確定位、接近開關(guān)、導磁產(chǎn)品記數(shù)以及轉(zhuǎn)速測量。,2020/8/11,30,磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速檢測電路,2020/8/11,31,3.無觸點開關(guān),霍爾式無觸點開關(guān)的每個鍵上都有兩小塊永久磁鐵，當按鈕未按下，通過霍爾傳感器的磁力線是由上向下的。 當按下按鈕時，通過霍爾傳感器的

10、磁力線是由下向上的。 霍爾傳感器輸出不同的狀態(tài)，將此輸出的開關(guān)信號直接與后面的邏輯門電路連接使用。 這類鍵盤開關(guān)工作十分穩(wěn)定可靠，功耗很低，動作過程中傳感器與機械部件之間沒有機械接觸，使用壽命特別長。,2020/8/11,32,集成霍爾傳感器構(gòu)成的按鈕,1按鈕 2外殼 3導磁材料 4集成傳感器,2020/8/11,33,4.霍爾齒輪傳感器,差動霍爾電路制成的霍爾齒輪轉(zhuǎn)速傳感器廣泛用于新一代汽車智能發(fā)動機。作為點火定時用的速度傳感器，用于ABS（汽車防抱死制動系統(tǒng)）作為車速傳感器等。,2020/8/11,34,霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應用,若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險

11、。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(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,2020/8/11,35,ABS的工作原理,1車速齒輪傳感器 2壓力調(diào)節(jié)器 3控制器,2020/8/11,36,5.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器,磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動，固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少決定了傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。,2020/8/11,37,霍爾轉(zhuǎn)速表,在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，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經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。,S,N,線性霍爾,磁鐵,2020/8/11,38,幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu),1輸入