5[1]2霍尔传感器教学提纲

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1、,5.2 霍尔传感器（Hall effect sensor）,5.2.1 霍尔传感器工作原理 5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路 5.2.3 霍尔元件的主要特性参数 5.2.4 霍尔元件误差及补偿 5.2.5 霍尔式传感器的应用,霍尔元件的工作原理,半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。,磁感应强度B 较大时的情况,作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示： UH=RH IB/d=KH IB,霍尔常数,1.霍尔常数大小取决于导体的载流子密度n：

2、 金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。 2.霍尔电势与导体厚度d成反比： 为了提高霍尔电势值， 霍尔元件制成薄片形状。,霍尔元件灵敏度（灵敏系数）,3.N型半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件,霍尔效应演示,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。,c,d,a,b,磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电势,若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直

3、的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为 EH=KHIBcos,结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。,5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路,霍尔元件常用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成.,霍尔片是一半导体单晶薄片(4mm2mm0.1mm)，它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最

4、常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。,1.霍尔元件的结构与其制造工艺有关。 体型霍尔元件是将半导体单晶材料定向切片，研磨抛光，用蒸发合金法或其它方法制作欧姆接触电极，焊上引线封装。薄膜霍尔元件则是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片，再制作欧姆接触电极，焊引线最后封装。相对来说，薄膜霍尔元件的厚度比体型霍尔元件小一、二个数量级，可以与放大电路一起集成在一块很小的晶片上，便于微型化。 2.元件的长(l)宽(b)度比对UH有影响。 由于控制电极对霍尔电压有局部短路作用，在两控制电极中间处测得的霍尔电压最大，离控制电极很近的地方，

5、霍尔电压下降到接近于零。为了减少短路影响l/b要大，一般l/b=2。但如果l/b过大，反而使输入功耗增加降低元件输出。,5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路,5.2.3 霍尔元件的主要特性参数,(1) 输入电阻和输出电阻 输入电阻：控制电极间的电阻 输出电阻：霍尔电极之间的电阻 (2) 额定控制电流和最大允许控制电流 额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在空气中 产生10温升时，对应的控制电流值 最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对 应的控制电流值 （3）不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍 尔电势。不等位电势是由

6、霍 尔电极2和2之间的电阻决定， r 0称不等位电阻,(4) 寄生直流电势（ 霍尔元件零位误差的一部分） 当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍 尔电极的输出有一个直流电势控制电极和霍尔电极与 基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。 两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产 生温差电势。 (5) 霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1度 时，霍尔电势变化的百分率。,5.2.3 霍尔元件的主要特性参数,霍尔元件的主要技术参数,5.3.4 霍尔元件误差及补偿,1. 不等位电势误差的补偿 2. 温度误差及其补偿,1. 不等位电势误差的补偿,理想状况下UH=0

7、，但由于霍尔元件的某种结构（引出电极不再同一等位线上或制造霍尔片的材料不均匀）原因造成UH0，则电桥处于不平衡状态，即四个分布电阻的阻值不等； 可采用几种不等位电势补偿线路.,电势的补偿电路 对称电路,对称电路，当温度变化时，补偿的稳定性要好些,2. 温度误差及其补偿,温度误差产生原因： 霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。 霍尔片与引出电极材料性质不同，各接点温度不同时，产生热电势。实际使用中，由于接触电阻不同、材料不均匀、散热条件不同等都可能造成霍尔元件温度场不均匀。,减小霍尔元件的温度误差,选用温度系数小的元件

8、采用恒温措施 采用恒流源供电,控制电流I相应地减小，能保持KHI不变，就抵消了灵敏系数值增加的影响。当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流。,恒流源温度补偿,当霍尔元件选定后，它的输入电阻 和温度系数 及霍尔电势温度系数 可以从元件参数表中查到（ 可以测量出来），用上式即可计算出分流电阻 及所需分流电阻温度系数 值。,恒流源温度补偿,1.按功能分:霍尔线性器件和霍尔开关器件。 前者输出模拟量，其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例，精度高、线性度好，适用于各种磁场检测；后者输出数字量，无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置

9、重复精度高（可达m级）。 2.按应用分:直接应用和间接应用。 前者是直接检测出被检测对象本身的磁场或磁特性,将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压;后者是检测被测对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。,5.2.5 霍尔式传感器的应用,应用注意事项： 1磁场测量。如果要求被测磁场精度较高，如优于0.5，那么通常选用砷化镓霍尔元件，其

10、灵敏度高，约为510mv/100mT.温度误差可 忽略不计，且材料性能好，可以做的体积较小。在被测磁场精度较低，体积要求不高。如精度低于0.5时，最好选用硅和锗雹尔元件。2电流测量。大部分霍尔元件可以用于电流测量，要求精度较高时选用砷化镓霍尔元件，精度不高时，可选用砷化镓、硅、锗等霍尔元件。3转速和脉冲测量。测量转速和脉冲时，通常是选用集成霍尔开关和锑化铟霍尔元件。如在录像机和摄像机中采用了锑铟霍尔元件替代电机的电刷，提高了使用寿命。4信号的运算和测量。通常利用霍尔电势与控制电流、被测磁场成正比，并与被测磁场同霍尔元件表面的夹角成正弦关系的特性，制造函数发生器。利用霍尔元件输出与控制电流和被测

11、磁场乘积成正比的特性。制造功率表、电度表等。5拉力和压力测量。选用霍尔件制成的传感器较其它材料制成的阵感器灵敏度和线性度更佳。,5.2.5 霍尔式传感器的应用,1.维持I、q 不变，则EH=f（B），这方面的应用有测量磁场强度的高斯计、测量转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔式角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔式加速度计、微压力计等;2.维持I、B不变，则EH=f（q），这方面的应用有角位移测量仪等。3.维持q 不变，则EH=f（IB），即传感器的输出EH与I、B的乘积成正比，这方面的应用有模拟乘法器、霍尔式功率计等。,霍尔集成电路,线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做

12、在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的厚度检测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。,线性型霍尔特性,右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时， 输出为正；磁场反向时，输出为负。,线性范围,开关型霍尔集成电路,开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场

13、强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。 开关型霍尔元件有单稳态和双稳态两种。较典型的单稳态开关型霍尔器件如UGN3019 、UGN3020等，双稳态有UGN3030 、 UGN3075 。双稳态特点是当外加磁场达到规定工作点时，器件导通，磁场消失后仍保持导通。只有施加反向磁场且达到规定工作点时才会到关闭状态。 霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等。,5.2.5 霍尔式传感器的应用,优点: 结构简单，体积小，

14、重量轻，频带宽，动态特 性好和寿命长 应用： 电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数； 自动检测系统：多用于位移、压力的测量。,1. 微位移和压力的测量,测量原理： 霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。 应用： 位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度,霍尔测位移,霍尔位移传感器,将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从 a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1VH2。如果霍尔元件在初始

15、位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。,霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电势VH值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。结构（b）在Z2mm时，VH与Z有良好的线性关系；结构（C）形成高梯度磁场，灵敏度高，但工作距离较小。以微位移检测为基础，可构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。,微位移和压力的测量,惯性小，响应速度快，无触点测量。,霍尔式压力传感器,加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压VH。,加速度传

16、感器,它是固定在传感器壳体上的弹性悬臂梁的中部装有一感受加速度的质量块m，梁的自由端固定安装着测量位移的霍尔元件H。在霍尔元件的上下两侧，同极性相对安装着一对永久磁铁，以形成线性磁场。当质量块感受上下方向的加速度而产生与之成比例的惯性力使梁发生弯曲变形时，自由端就产生与加速度成比例的位移，霍尔元件就输出与加速度成比例的霍尔电势UH。,霍尔式无刷电动机,霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。,普通直流电动机使 用的电刷和换向器,无刷电动机在电动自行车上的应用,电动自行车,可充电电池组,无刷电动机,无刷电动机在电动自行车上的应用,无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内