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1、四川航天职业技术学院 电子工程系自动检测技术教研组 项目5 位移测量霍尔传感器应用 自动检测技术 主要内容 一、霍尔传感器发展历史； 二、霍尔效应和霍尔传感器原理； 三、应用实例； 四、实训位移测量系统。 自动检测技术 概述 霍尔传感器是磁电转换的一种传感器。1879年霍尔 在金属材料中发现的，已有一百多年的历史，由于 霍尔效应在金属中非常微弱，只是在大学的教科书 中作为一种理论而存在，并未付诸实际应用。直到 60多年以后，大约到上世纪四十年代后期，半导体 工艺的成熟，科学家利用半导体工艺重新试验霍尔 效应，结果发现：半导体工艺（P或N型）都可以再 现霍尔效应现象，而且N型半导体尤其明显。使霍
2、尔 效应得到广泛的应用。我国大约到上世纪七十年代 开始研究霍尔元件，已能生产各种性能霍尔元件， 例如：普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温 测磁性和开关型等。 自动检测技术 图1 霍尔效应原理图 自动检测技术 1.2 霍尔元件结构 霍尔元件是半导体四端薄片，一般做成正方形，在 薄片的相对两侧对称的焊上两对电极引出线（一对 称激励电流端，另一对称霍尔电势输出端），如下 图所示。 自动检测技术 如下图所示。控制电流由电源E供给，R为调节 电阻，霍尔输出端接负载 ，它也可以是放大器 的输入电阻或表头电阻。 由于霍尔元件必须在磁场与控制电流的作用下， 才会输出霍尔电势，实际使用时，可把I或B作 为输
3、入信号，而输出信号正比于I和B。 由于建立霍尔效应的时间很短（ ）S，因 此，控制电流用交流时， 频率可达 Hz以上。 2 霍尔元件的基本电路 自动检测技术 自动检测技术 霍尔元件的输出信号可采用运算放大器加以放大，元 件与放大器集成在同一芯片内。如下图所示。 自动检测技术 3 霍尔元件主要参数 输入电阻 与输出电阻 ： 指控制电流极 之间的阻值； 指霍尔电压极之间的阻值。 额定激励电流(mA) ：使霍尔元件温升 所 施加的控制电流，实际使用时，控制电流的增 加受到霍尔元件最高温升限制。 霍尔温度系数：在一定磁感应强度和激励电 流下，温度每变化1度时，霍尔电势变化的百 分率称霍尔温度系数。 自
4、动检测技术 自动检测技术 4 实际应用 利用霍尔元件测量机械加工工件的凹和凸。如下 图所示。工件凸会导致霍尔元件向上位移x，导 致磁感应强度B发生变化，引起霍尔电势UH的变 化；工件凹会导致霍尔元件向下位移x，导致磁 感应强度B发生变化，引起霍尔电势UH的变化。 若测得输出量UH为正，则可判断工件为凸，再利 用转换电路和控制电路去控制车床去车掉多余的 部分。若测得输出量UH为负，则可判断工件为凹 ，再利用转换电路和控制电路判断该工件凹的程 度，以便决定是报废该工件还是留用该工件。 自动检测技术 自动检测技术 随着微电子技术的发展，目前，霍尔器件大 多已集成化。霍尔集成电路有许多优点，例 如：体
5、积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂 小、对电源稳定性要求低等。 5 霍尔集成电路 自动检测技术 霍尔集成元件是霍尔元件与集成运放一体化的结构， 是一种传感器模块。可分为线性输出型和开关输出型 两大类。 开关输出型是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密 特触发器、OC门等电路做在同一个芯片上。当外加磁 场强度超过规定的工作点时，OC门由高电阻状态变为 到通状态，输出变为低电平，当外加磁场强度低于释 放点时，OC门重新变为高电阻状态，输出高电平。较 典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。开关输出型霍 尔集成元件与微型计算机等数字电路兼容，因此，应 用相当广泛。 线性输出型是将霍尔元件和恒流源、线性放
6、大器等做 在一个芯片上，输出电压较高，使用非常方便，已得 到广泛的应用。较典型的线性霍尔器件如UGN3501等 。 自动检测技术 5.1 开关输出型霍尔集成元件 下图为开关输出型霍尔集成元件UGN3020的封装及外 形尺寸。1为接地端，2为电源端，3为输出端。 自动检测技术 下图所示为UGN3020的内部电路图。其中，X为霍尔元件，A 为放大器，S为施密特电路，T为输出晶体管，E为稳定电源。 由于增设了施密特电路，使其具有时滞特性，提高了抗噪声的 性能。该电路主要用于接近开关。 自动检测技术 5.2 线性输出型霍尔集成元件 下图为线性霍尔器件UGN3501M的内部电路 图和输出特性曲线图。当U
7、GN3501M感受的 磁场为零时，1、8引腿之间的输出电压为零 ；感受的磁场为正向（磁钢的S极对准3501M 的正面）时，输出电压为正；磁场为反方向 时，输出电压为负。UGN3501M的第5、6、 7脚外接一只微调电位器后，就可以微调并消 除不等位电势引起的差动输出零点漂移。 自动检测技术 自动检测技术 自动检测技术 霍尔电势UH是关于I、B两个变量的函数，即 UH=KIB，人们利用这个关系可以使其中两个变 量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一 个量、其余两个量都作为变量。三个变量的多种 组合使得霍尔传感器具有非常广阔的应用领域。 霍尔传感器由于结构简单、尺寸小、无触点、动 态特性好、寿
8、命长等特点，因而得到了广泛应用 。 如磁感应强度、电流、电功率等参数的检测都可 以选用霍尔器件。它特别适合于大电流、微小气 隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。 此外，也可用于位移、加速度、转速等参数的测 量以及自动控制。 6 霍尔位移传感器应用实验 自动检测技术 如下图（a)所示。在磁场强度相同而极性 相反的两个磁铁气隙中放置一个霍尔元件 。当元件的控制电流I恒定不变时，霍尔电 势 与磁感应强度B成正比。若磁场在一定 范围内沿x方向的变化梯度 为一常数如 下图（b）所示。则当霍尔元件沿x方向移 动时， 的变化为: 式中K为位移传感器输出灵敏度。 将上式积分后得: 6.1 位移测量 自动检
9、测技术 上式说明，霍尔电势 与位移量成线性关系， 其极性反映了元件位移的方向。磁场梯度越大 ，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线型度 越好。 当元件位于磁场中间位置上时， ，这是由 于元件在此位置受到大小相等、方向相反的磁 通作用的结果。 一般用来测量12mm 的小位移，其特点是： 惯性小，响应速度快，无接触测量。利用这一 原理还可以测量其他非电量，如力、压力、压 差、液位和加速度等 自动检测技术 霍尔电势UH与磁感应强度B关系曲线 自动检测技术 6.2 霍尔元件测位移实验 霍尔元件测位移实验电路原理图见图2， 印制电路版图见图3。 当游标卡尺螺旋转动时，会带动与其连 接的磁铁前后移动，导致霍
10、尔元件所处 的磁场强度发生变，因此输出的霍尔电 压发生变化 ，输出电压通过运放后直接 在数字电压表头上显示出来。 自动检测技术 图2 霍尔元件测位移实验电路原理图 自动检测技术 图3 霍尔元件测位移实验电路板图 自动检测技术 第一步，让磁铁向前移动，记录10组位移 数据和霍尔电压数据，记录表格见表1； 第二步，让磁铁向后移动，记录10组位移 数据和霍尔电压数据； 重复第一步和第二步2次。 求得前向位移、后向位移、霍尔电压等数 据的平均值，拟合霍尔传感器的特性曲线 和公式，求得其灵敏度指标。 根据实测数据和特性公式，求得传感器量 程和精度指标。 自动检测技术 测量次数 前向位移 （mm） 前向霍尔电 压(mV) 后向位移 (mm) 后向霍尔电 压(mV) 1 2 3 4 5 6 7 8 表1 实验数据记录表
