霍耳传感器及实际它磁传感器

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1、第6章 霍耳传感器及其它磁传感器 v6.1 霍耳传感器工作原理 v6.2 霍耳传感器 v6.3 其它磁传感器 v6.4 霍耳传感器及其它磁传感器应用实例 v6.5 实训 6.1 霍耳传感器工作原理 v6.1 霍耳传感器工作原理 v6.1.1霍耳效应 v 在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若 电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向 上会出现一个电势差，这种现象称为霍耳效应。 v 如图6-1所示，长、寛、高分别为L、W、H的N 型半导体薄片的相对两侧a、b通以控制电流，在薄 片垂直方向加以磁场B。 v 在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由c 側指向d側方向力的作用，这个力就是洛仑兹力

2、， 大小为： 图 6-1 霍耳效应与霍耳元件 （a）霍耳效应（b）霍耳元件结构（c）图形符号（d）外形 FL = qvB c、d两端面因电荷积累而建立了一个电场EH ， 称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的 方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑 兹力相等时，达到动态平衡。这时有： qEH = qvB 霍耳电场的强度为 ： EH = vB 在c与d两側面间建立的电势差称为霍耳电压： UH = EHW或 UH = vBW 当材料中的电子浓度为n时， ， 电子速度为： 得： 设： 得霍耳电压： 设： 得： v 式中RH为霍耳系数，它反映材料霍耳效 应的强弱; v KH为霍耳灵敏度

3、，它表示一个霍耳元件 在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的 霍耳电压的大小。 v 可以看出： v（1）霍耳电压UH大小与材料的性质有关。 v（2）霍耳电压UH大小与元件的尺寸有关。 v（3）霍耳电压UH大小与控制电流及磁场强 度有关。 v6.1.2 霍耳元件的主要技术参数 v 利用霍耳效应制成的磁电转换元件称为 霍耳元件也叫霍耳传感器。 v 霍耳元件由霍耳片、 引线和壳体组成, 如图6-1-1 (a)所示。 v 霍耳片是矩形半导体单晶薄片， 引出四 个引线。1、1两根引线加激励电流，称为 激励电极；2、2引线为霍耳电压输出引线 ，称为霍耳电极。 v 霍耳元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环 氧树脂

4、封装而成。 图6-1-1 霍耳元件 v 在电路中霍耳元件可用两种符号表示，如 图6-1-1(b)所示。 v 霍耳元件主要技术参数为： v 1.输入电阻RIN和输出电阻ROUT； v 2.额定控制电流IC； v 3.不等位电势U0，即未加磁场时的输出电 压，一般小于1mV； v 4.霍耳电压UH； v 5.霍耳电压的温度特性。 6.2 霍耳传感器 v6.2 霍耳传感器 v6.2.1霍耳开关集成传感器 v 霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与 集成电路技术制成的一种磁敏传感器，它能 感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关 信号形式输出。 v 图6-2所示为内部组成框图。 v 当有磁场作用在霍耳开关集

5、成传感器上 时，霍耳元件输出霍耳电压UH，一次磁场 强度变化，使传感器完成一次开关动作。 图6-2 霍耳开关集成传感器内部框图 v 霍耳开关集成传感器具有使用寿命长，无 触点磨损，无火花干扰，无转换抖动，工作 频率高，温度特性好，能适应恶劣环境等优 点。 v 常见霍耳开关集成传感器型号有UGN- 3020, UGN-3030, UGN-3075。 v 霍耳开关集成传感器常用于： v 点火系统、保安系统、转速测量、 v 里程测量、机械设备限位开关、 v 按钮开关、电流的测量和控制、 v 位置及角度的检测，等等。 v6.2.2 霍耳线性集成传感器 v 霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场强 度呈

6、线性比例关系。 v 这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成，当 外加磁场时，霍耳元件产生与磁场成线性比例变化 的霍耳电压，经放大器放大后输出。 v 霍耳线性集成传感器有单端输出型和双端输出 型两种，典型产品分别为SL3501T和SL3501M两种 。如图6-3和图6-4所示。 v 霍耳线性集成传感器常用于： v 位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等 的测量和控制。 图6-3 单端输出型传感器的电路结构 图6-4 双端输出型传感器的电路结构 6.3 其它磁传感器 v6.3 其它磁传感器 v6.3.1磁阻元件 v 当霍耳元件受到与电流方向垂直的磁场作用时 ，不仅会出现霍耳效应，而且还会出现半导体

7、电阻 率增大的现象，这种现象称为磁阻效应。 v 利用磁阻效应做成的电路元件，叫做磁阻元件 。 v1.基本工作原理 v 在没有外加磁场时，磁阻元件的电流密度矢量 ，如图5-5(a)所示。 v 当磁场垂直作用在磁阻元件表面上时，由于霍 耳效应，使得电流密度矢量偏移电场方向某个霍耳 角，如图5-5(b)所示。 6-5(a) 在无磁场时 5-5(b) 有磁场作用时 图5-5 磁阻元件工作原理示意图 v 这使电流流通的途径变长，导致元件两端 金属电极间的电阻值增大。 v2.磁阻元件的基本特性 v1）B-R特性 v 磁阻元件的B-R特性，用无磁场时的电阻 R0和磁感应强度为B时的电阻RB来表示。 v2）灵

8、敏度K v 磁阻元件的灵敏度K，可由下式表示，即 K=R3 / R0 一般来说，磁阻元件的灵敏度K2.7。 v 3）温度系数 v 磁阻元件的温度系数约为2%/ ，是比 较大的。 v 可以采用两个磁敏元件串联起来，采用分 压输出，可以大大改善元件的温度特性。 v 3.磁阻元件的应用 v 磁阻元件阻抗低、阻值随磁场变化率大、 可以非接触式测量、频率响应好、动态范围 广及噪声小，可广泛应用于： v 无触点开关、压力开关、旋转编码器、角 度传感器、转速传感器等场合。 v6.3.2 磁敏二极管 v 可以将磁信息转换成电信号，具有体积小 、灵敏度高、响应快、无触点、输出功率大 及性能稳定等特点。 v 它可

9、广泛应用于磁场的检测、磁力探伤、 转速测量、位移测量、电流测量、无触点开 关、无刷直流电机等许多领域。 v 1、磁敏二极管的基本结构及工作原理 v 如图6-6所示。它是平面P+-i-N+型结构的二极管 。 v 在高纯度半导体锗的两端掺高杂P型区和N型区 。i区是高纯空间电荷区，i区的长度远远大于载流子 扩散的长度。在i区的一个侧面上，再做一个高复合 区r，在r区域载流子的复合速率较大。 v 在电路连接时，P+区接正电压，N+区接负电压 。在没有外加磁场情况下，大部分的空穴和电子分 别流入N区和P 区而产生电流，只有很少部分载流 子在r区复合，如图6-7(a)所示。 图6-6 磁敏二极管的结构

10、v 若给磁敏二极管外加一个磁场B，在正向 磁场的作用下，空穴和电子受洛仑兹力的作 用偏向r区，如图6-7(b)所示。 v 由于空穴和电子在r区的复合速率大，此 时磁敏二极管正向电流减小，电阻增大。 v 当在磁敏二极管上加一个反向磁场B时， 载流子在洛仑磁力的作用下，均偏离复合区r ，见图6-7(c)所示。 v 此时磁敏二极管正向电流增大，电阻减小 。 图6-7 磁敏二极管的工作原理 v2. 磁敏二极管的主要技术参数和特性 v(1)灵敏度 v 当外加磁感应强度B为0.1T时，输出端 电压增量与电流增量之比称为灵敏度。 v(2)工作电压U0和工作电流I0 v 在零磁场时加在磁敏二极管两端的电压、

11、电流值。 v(3)磁电特性 v 在弱磁场及一定的工作电流下，输出电压 与磁感应强度的关系为线性关系。在强磁场 下则成非线性关系。 v(4)伏安特性 v 在负向磁场作用下， 磁敏二极管电阻小， 电流大；在正向磁场作用下，磁敏二极管电 阻大，电流小。如图6-8所示。 图6-8 磁敏二极管的伏安特性 v6.3.3 磁敏三极管 v 磁敏三极管是一种新型的磁电转换器件, 该器件的灵敏度比霍耳元件高得多.同样具有 无触点、输出功率大、响应快、成本低等优 点。 v 其在磁力探测、无损探伤、位移测量、转 速测量等领域有广泛的应用。 v1.磁敏三极管的基本结构及工作原理 v 图6-9是磁敏三极管工作原理图。 v

12、 图（a）是无外磁场作用情况。由于i区较 长，在横向电场作用下，发射极电流大部分 形成基极电流，小部分形成集电极电流。 v 图（b）是有外部正向磁场B+作用的情况 ，图（c）是有外部反向磁场B-作用的情况， 会引起集电极电流的减少或增加。 v 因此，可以用磁场方向控制集电极电流的 增加或减少，用磁场的强弱控制集电极电流 增加或减少的变化量。 图6-9 磁敏三极管工作原理示意图 2.磁敏三极管的主要技术特性 1）磁灵敏度h 指当基极电流恒定，外加磁感应强度B=0时的集 电极电流ICO与外加磁感应强度B=0.1T时的集电极 电流IC相对变化值，即： 2）磁电特性 在基极电流恒定时，集电极电流与外加

13、磁场的关 系。在弱磁场作用下，特性接近线性。 3）温度特性 集电极电流的温度特性具有负的温度系数。对温 度较敏感，实际使用时应进行温度补偿。 6.4 霍耳传感器及其它磁传感器应 用实例 v6.4 霍耳传感器及其它磁传感器应用实例 v6.4.1 霍耳汽车无触点点火器 v 如图6-10所示，磁轮鼓代替了传统的凸轮 及白金触点。 v 发动机主轴带动磁轮鼓转动时，霍耳器件 感受的磁场极性交替改变，输出一连串与汽 缸活塞运动同步的脉冲信号去触发晶体管功 率开关，点火线圈两端产生很高的感应电压 ，使火花塞产生火花放电，完成汽缸点火过 程。 图6-10 霍耳点火装置示意图 1-磁轮鼓 2-开关型霍耳集成电路

14、 3-晶体管功率开关 4-点火线圈 5-火花塞 v6.4.2 霍耳无刷直流电机 v 如图6-11所示。电机由永久磁铁做转子。 在定子上安有12只霍耳元件，各与前方相差 90的一个定子电枢线圈相连，线圈被安放在 定子糟中。 v 各定子线圈由霍耳元件输出的霍耳电压激 励，产生的定子磁场，与对应的霍耳元件相 差90，即超前于转子磁场90 。永久磁铁的 转子被定子磁场吸引而向前转动。 v 当转子转动通过霍耳元件时，永久磁铁磁 通使霍耳元件输出电压极性反相，相应的电 枢线圈磁场也产生极性转换， v 使定子磁场始终超前于转子磁场90，吸 引转子，转子则沿原方向继续向前转动。 图6-11 霍耳无刷电机的结构

15、图 1-轴 2外壳 3电路 4定子 5线圈 6霍耳元件 7永磁转子 v6.4.3 自动供水装置 v 如图6-12所示。锅炉中的水由电磁阀控制 流出与关闭。电磁阀的打开与关闭，则受控 于控制电路。 v 打水时，需将铁制的取水卡从投放口投入 ，取水卡沿非磁性物质制作的滑槽向下滑行 ，当滑行到磁传感部位时，传感器输出信号 经控制电路驱动电磁阀打开，让水从水龙头 流出。 v 延时一定时间后，控制电路使电磁阀关闭 ，水流停止。 1锅炉 2电磁阀 3投卡口 4水龙头 5水瓶 6收卡箱 7磁铁 8磁传感器 图6-12 自动供水装置构造示意图 v 自动供水装置的电路,如图6-13所示。 v 主要由磁传感器装置、单稳态电路、固态 继电器、电源电路及电磁阀等组成。 v 磁传感装置由磁铁及SL3020霍尔开关集 成传感器构成。 v 当取水者投入铁制的取水牌时，铁制取水 牌将磁铁的磁力线短路，SL3020传感器受较 强磁场的作用输出为高电平脉冲，电路输出 使电磁阀Y通电工作自动