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1、3.1霍尔传感器霍尔传感器 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。霍尔器品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。基础。 霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达轻，
2、寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 一、霍尔效应一、霍尔效应 在置于磁场的导体或半导体中通入电流，若电流与磁场垂在置于磁场的导体或半导体中通入电流，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，直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差， 这种现象就是霍尔效应，是由美国科学家爱德文这种现象就是霍尔效应，是由美国科学家爱德文 霍尔在霍尔在1879 年发现的。产生的电势差称为霍尔电压。利用霍尔效应制成年发现的。产生的电势差称为霍尔电压。利用霍尔效应制
3、成 的元件称为霍尔传感器。的元件称为霍尔传感器。 zxyIADBCBbldUHA、B-霍尔电极 C、D-控制电极根据推导：根据推导： HHHIBURK IBd式中，式中， RH为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱 KH为霍尔灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控为霍尔灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控 制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小，制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小， 它的单位是它的单位是mV/(mA T) H HRKd霍尔效应的本质：霍尔效应的本质： 固体材料中的载流子在外磁场中运动时，受到洛仑兹力的固体材料中的载流子在外磁场中运动时
4、，受到洛仑兹力的 作用，轨迹发生偏转而产生电动势。作用，轨迹发生偏转而产生电动势。 理论上理论上 ，所有金属材料都可以产生霍尔效应。，所有金属材料都可以产生霍尔效应。 从公式可以看出从公式可以看出: 1) 霍尔电压霍尔电压UH与材料的性质有关。在半导体材料中，霍尔元与材料的性质有关。在半导体材料中，霍尔元 件一般采用件一般采用N型半导体材料。型半导体材料。 2) 霍尔电压霍尔电压UH与元件的尺寸有关。根据公式，与元件的尺寸有关。根据公式，d 愈小，愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄， 但但d太小，会使元件的输入、输出电
5、阻增加。太小，会使元件的输入、输出电阻增加。 霍尔电压霍尔电压UH与控制电流及磁场强度与控制电流及磁场强度B有关。根据式正比于有关。根据式正比于B。当控制电流恒定时愈大当控制电流恒定时愈大UH愈大。当磁场改变方向时愈大。当磁场改变方向时 ，UH也也改变方向。同样，当霍尔灵敏度及磁感应强度恒定时，增加改变方向。同样，当霍尔灵敏度及磁感应强度恒定时，增加控制电流，也可以提高霍尔电压的输出。控制电流，也可以提高霍尔电压的输出。 三、霍尔元件的主要外特性参数三、霍尔元件的主要外特性参数 1、最大磁感应强度、最大磁感应强度BH 二、霍尔元件（略）二、霍尔元件（略） 2、最大激励电流、最大激励电流BH 四
6、、集成霍尔传感器四、集成霍尔传感器 集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量 线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路 之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔 传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可 靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越 来越爱到众的重视。来越爱到众的重视。
7、集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照 输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集 成霍尔传感器两种类型。成霍尔传感器两种类型。 1、线性集成霍尔传感器、线性集成霍尔传感器 线性集成霍尔传感器外形线性集成霍尔传感器外形 线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器 特性曲线特性曲线 2、开关型集成霍尔传感器、开关型集成霍尔传感器 开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输 出一个高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍
8、尔出一个高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔 数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器 和输出级组成。和输出级组成。 五五、霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 1、一般应用、一般应用 （1） 测量磁场测量磁场 使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件做成各使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件做成各 种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔 片表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，片表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件
9、表面垂直， 通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直， 则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且， 因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数 据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场 进行检测。进行检测。 直流无刷电机使用永磁转子直流无刷电机使用永磁转子，在定子的适当位置放置所在定子的适当位置放置所需数量的霍尔器件需数量的霍尔
10、器件，它们的输出和相应的定子绕组的供电它们的输出和相应的定子绕组的供电电路相连电路相连。当转子经过霍尔器件附近时当转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场永磁转子的磁场令已通电的霍尔器件输出一个电压使定子绕组供电电路导令已通电的霍尔器件输出一个电压使定子绕组供电电路导通通，给相应的定子绕组供电给相应的定子绕组供电，产生和转子磁场极性相同的产生和转子磁场极性相同的磁场磁场，推斥转子继续转动推斥转子继续转动。到下一位置到下一位置，前一位置的霍尔前一位置的霍尔器件停止工作器件停止工作，下位的霍尔器件导通下位的霍尔器件导通，使下一绕组通电使下一绕组通电，产生推斥场使转子继续转动产生推斥场使转子继续转动。
11、如此循环如此循环，维持电机的工作维持电机的工作。其工作原理示于图其工作原理示于图。 （2）霍尔开关电路用在直流无刷电机中霍尔开关电路用在直流无刷电机中 VccVcc IC1IC2H1H2V1NV1PV2NV2PV3NV4NV3PV4PSNSNSNSN在这里，霍尔器件起位置传感器的作用，检测转子磁极的在这里，霍尔器件起位置传感器的作用，检测转子磁极的位置，它的输出使定子绕组供电电路通断，又起开关作用，位置，它的输出使定子绕组供电电路通断，又起开关作用，当转子磁极离去时，令上一个霍尔器件停止工作，下一个器当转子磁极离去时，令上一个霍尔器件停止工作，下一个器件开始工作，使转子磁极总是面对推斥磁场，霍
12、尔器件又起件开始工作，使转子磁极总是面对推斥磁场，霍尔器件又起定子电流的换向作用。定子电流的换向作用。 无刷电机中的霍尔器件，既可使用霍尔元件，也可使用霍无刷电机中的霍尔器件，既可使用霍尔元件，也可使用霍尔开关电路。使用霍尔元件时，一般要外接放大电路，使用尔开关电路。使用霍尔元件时，一般要外接放大电路，使用霍尔开关电路，可直接驱动电机绕组，使线路大为简化。霍尔开关电路，可直接驱动电机绕组，使线路大为简化。 （3） 无损探伤无损探伤 铁磁材料受到磁场激励时铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高因其导磁率高，磁阻小磁阻小，磁力磁力 线都集中在材料内部线都集中在材料内部。若材料均匀若材料均匀，磁力线分
13、布也均匀磁力线分布也均匀。如如 果材料中有缺陷果材料中有缺陷，如小孔如小孔、裂纹等裂纹等，在缺陷处在缺陷处，磁力线会发磁力线会发 生弯曲生弯曲，使局部磁场发生畸变使局部磁场发生畸变。用霍尔探头检出这种畸变用霍尔探头检出这种畸变， 经过数据处理经过数据处理，可辨别出缺陷的位置可辨别出缺陷的位置，性质性质（孔或裂纹孔或裂纹）和和 大小大小（如深度如深度、宽度等宽度等），图示出两种用于无损探伤的探头图示出两种用于无损探伤的探头 结构结构。(b)检测板材用检测板材用。 (a)无损探伤的探头结构无损探伤的探头结构 (b)检测板材用检测板材用 （3） 霍尔接近传感器和接近开关霍尔接近传感器和接近开关 在霍
14、尔器件背后偏置一块永久磁在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装体，并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内，做成一个探头，将在一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来，构成如输出引线用电缆连接起来，构成如图图a所示的接近传感器。它们的功所示的接近传感器。它们的功能框见图能框见图b和图和图 c。(b)为霍尔线性为霍尔线性接近传感器，接近传感器，(c)为霍尔接近开关。为霍尔接近开关。 (c)霍尔接近开关霍尔接近开关 (a)霍尔接近传感器的外形图霍尔接近传感器的外形图 (b)霍尔线性接近传感器霍尔线性接近传感器
15、霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑黑色金属的厚度检测色金属的厚度检测、距离检测距离检测、齿轮数齿齿轮数齿、转速检测转速检测、测测速调速速调速、缺口传感缺口传感、张力检测张力检测、棉条均匀检测棉条均匀检测、电磁量检电磁量检测测、角度检测等角度检测等。 霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的完成所需的位置控制位置控制，加工尺寸控制加工尺寸控制、自动计数自动计数、各种计数各种计数、各种流各种流程的自动衔接程的自动衔接、液位控制液位控制、转速检测等等转速检测等等。 （5） 旋转传感器旋转传感器 按图所示的各种方法设置磁体按图所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器合起来可以构成各种旋转传感器。霍尔电路通电后霍尔电路通电后，磁体每磁体每经过霍尔电路一次经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲便输出一个电压脉冲。 (a)径向磁极径向磁极 (b)轴向磁极轴向磁极 (c)遮断式遮断式 （6） 实现电磁电的转换实现电磁电的转换 众所周知众所周知,在有电流流过的导线周围会感生出磁场在有电流流过的导线周围会感生出磁场,该磁场与该磁场与 流过的电流的
