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1、高等教育高等教育电气工程与自动化系列规划教材电气工程与自动化系列规划教材传感器与检测技术传感器与检测技术高等教育教材编审委员会高等教育教材编审委员会高等教育教材编审委员会高等教育教材编审委员会 组编组编组编组编主编主编主编主编 邓长辉邓长辉邓长辉邓长辉主审主审主审主审 王福利王福利王福利王福利传感器与检测技术传感器与检测技术第九章第九章 霍尔式传感器霍尔式传感器传感器与检测技术传感器与检测技术第九章第九章 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器是利用霍尔效应原理将被测量霍尔式传感器是利用霍尔效应原理将被测量( (如电流、磁场、如电流、磁场、位移及压力等位移及压力等) )转换成电动势的一种传感器。
2、霍尔元件是其核心，转换成电动势的一种传感器。霍尔元件是其核心，因而霍尔式传感器是由霍尔元件及相关测量电路共同构成的一种因而霍尔式传感器是由霍尔元件及相关测量电路共同构成的一种测量装置。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液测量装置。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位高低、压力大小等工业生产过程参数。位高低、压力大小等工业生产过程参数。传感器与检测技术传感器与检测技术9.1 霍尔式传感器的工作原理霍尔式传感器的工作原理若若将将某某载载流流体体垂垂直直置置于于磁磁场场中中，当当垂垂直直磁磁场场方方向向上上有有电电流流流流过过时时，在在垂垂直直于于电电流流和和磁磁场场的的方方向
3、向将将产产生生电电场场，这这一一物物理理现现象象称称为为霍霍尔尔效效应应，所所产产生生的的电势称为霍尔电势。电势称为霍尔电势。如如下下图图所所示示，一一块块长长为为l l、宽宽为为W W、厚厚为为d d的的N N型型半半导导体体薄薄片片，位位于于磁磁感感应应强强度度为为B B的的磁磁场场中中，B B垂垂直直于于平平面面，沿沿l l通通电电流流I I，N N型型半半导导体体的的载载流流子子将将受受到到B B产生的洛伦兹力产生的洛伦兹力F FB B的作用。的作用。 ；霍尔效应原理霍尔效应原理传感器与检测技术传感器与检测技术在在力力FB的的作作用用下下，电电子子向向半半导导体体片片的的一一个个侧侧面
4、面偏偏转转，在在该该侧侧面面上上形形成成电电子子的的积积累累，而而在在相相对对的的另另一一侧侧面面上上因因缺缺少少电电子子而而出出现现等等量量的的正正电电荷荷。因因此此在在前前后后端端面面间间形形成成霍霍尔尔电电场场EH，积积累累越越多多，此此电电场场越越强强。该该电电场场产产生生的的电电场场力力FH会会阻阻止止形形成成电电流流的的其其他他电电子子继继续续偏偏转转而而积积累累。因因此此，当当电电子子所所受受电电场场力力和和洛洛伦伦兹兹力力相相等等时时，电电荷荷的的积积累累达达到动态平衡，即：到动态平衡，即：9.1 霍尔式传感器的工作原理霍尔式传感器的工作原理洛伦兹力洛伦兹力：电场力：电场力：由
5、于存在由于存在，半导体两侧面间出现电位差，半导体两侧面间出现电位差：传感器与检测技术传感器与检测技术9.1 霍尔式传感器的工作原理霍尔式传感器的工作原理将上面三个式子代入第一个式子中得将上面三个式子代入第一个式子中得：流经载流体的电流流经载流体的电流I与载流体中电子的速度与载流体中电子的速度v有如下关系有如下关系：将其带入上式得：将其带入上式得：霍尔电势霍尔电势UH对磁感应强度对磁感应强度B敏感，可通过测量敏感，可通过测量UH而得到而得到B。通常，改写成。通常，改写成：式式中中，称称为为灵灵敏敏度度系系数数，它它与与材材料料的的掺掺杂杂浓浓度度和和几几何何尺尺寸寸有有关，表示在单位磁感应强度和
6、单位控制电流时的霍尔电势的大小。关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的大小。 传感器与检测技术传感器与检测技术9.1 霍尔式传感器的工作原理霍尔式传感器的工作原理式式中中的的单单位位为为A，B的的单单位位为为T，的的单单位位为为V，的的单单位位 为为或或 。 根据欧姆定律，霍尔元件激励电极间的电阻根据欧姆定律，霍尔元件激励电极间的电阻R可表示为可表示为：式中，式中，、W、d分别为载流体的电阻率、宽度和厚度分别为载流体的电阻率、宽度和厚度 。由由欧欧姆姆定定律律R=U/I、电电场场强强度度公公式式E=v/u（式式中中为为载载流流子子迁迁移移率率，即即单单位位电电场场作作用用下，载流
7、子的平均速度值），可得下，载流子的平均速度值），可得 ：由上面两个式子可得由上面两个式子可得 ：传感器与检测技术传感器与检测技术9.1 霍尔式传感器的工作原理霍尔式传感器的工作原理由以上分析可以看出由以上分析可以看出：材材料料的的、u越越大大，RH就就大大。金金属属u虽虽然然很很大大，但但很很小小，故故不不能能用用来来制制作作霍霍尔尔元元件件。对对于于绝绝缘缘材材料料，虽虽然然电电阻阻率率很很大大，但但迁迁移移率率很很小小，也也不不宜宜作作霍霍尔尔元元件件；因因此此霍霍尔尔元元件件都都是是由由半半导导体体材材料料制制成成的的。在在半半导导体体材材料料中中，一一般般电电子子迁迁移移率率大大于于空
8、空穴穴迁迁移移率率，因因而而霍霍尔尔元元件件多多用用N型型半导体材料。半导体材料。传感器与检测技术传感器与检测技术9.1 霍尔式传感器的工作原理霍尔式传感器的工作原理根根据据公公上上式式，d越越小小，KH越越大大，所所以以霍霍尔尔元元件件的的厚厚度度都都比比较较薄薄。但但d太太小小，会使元件的输入、输出电阻增加。会使元件的输入、输出电阻增加。元元件件的的长长宽宽比比l/w对对UH也也有有影影响响。前前面面的的公公式式推推导导，都都是是以以半半导导体体内内各各处处载载流流子子作作平平行行直直线线运运动动为为前前提提的的。这这种种情情况况只只有有在在l远远大大于于w时时，即即控控制制电电极极对对霍
9、霍尔尔电电极极无无影影响响时时才才成成立立，但但实实际际上上这这是是做做不不到到的的。由由于于控控制制电电极极的的接接触触面面积积与与其其所所在在侧侧面面的的面面积积相相比比较较大大时时，对对霍霍尔尔电电势势有有短短路路作作用用，使使因因洛洛仑仑兹兹力力积积累累的的部部分分电电荷荷与与其其对对面面感感应应的的部部分分相相反反电电荷荷中中和和，霍霍尔尔电电势势下下降降，离离控控制制电电极极很很近近的的地地方方，接接近近于于零零。为为减减少少短短路路影影响响，l/w要要大大一一些些，一一般般l/w=2 。但但如如果果l/w过过大大，反反而而使使输输入入功功耗耗增加，降低元件的输出。增加，降低元件的
10、输出。 传感器与检测技术传感器与检测技术9.1 霍尔式传感器的工作原理霍尔式传感器的工作原理霍霍尔尔电电势势UH与与控控制制电电流流及及磁磁场场强强度度有有关关。UH正正比比于于I及及B。于于是是霍霍尔尔元元件件在在I恒恒定定时时可可用用来来测测量量磁磁场场，恒恒定定时时可可以以检检测测电电流流。当当磁磁场场改改变变方方向向时时，UH也也改改变变方方向向，但但当当电电流流与与磁磁场场同同时时改改变变方方向向时时，霍霍尔尔电电势势方方向向不不变变。同同样样，当当霍霍尔尔系数系数RH及磁感应强度及磁感应强度B为恒定值时，增加控制电流，就可以提高霍尔电势的输出。为恒定值时，增加控制电流，就可以提高霍
11、尔电势的输出。制制造造霍霍尔尔元元件件的的材材料料主主要要有有锗锗（Ge）、硅硅(Si)、砷砷化化铟铟（InAs）、锑锑化化铟铟（InSb）等。）等。传感器与检测技术传感器与检测技术9.2 霍尔元件的基本结构和主要技术参数霍尔元件的基本结构和主要技术参数9.2.1 霍尔元件的基本结构霍尔元件的基本结构霍霍尔尔元元件件的的外外形形、结结构构和和符符号号如如下下图图所所示示，它它由由霍霍尔尔片片，四四根根引引线线和和壳壳体体组组成成。霍霍尔尔片片是是一一块块矩矩形形半半导导体体单单品品薄薄片片(一一般般为为420.1mm3)，在在它它的的长长度度方方向向两两端端面面上上有有两两根根引引线线(图图中
12、中a、b线线)，称称为为控控制制电电流流端端引引线线，通通常常用用红红色色导导线线；在在薄薄片片的的另另两两侧侧端端面面的的中中间间以以点点的的形形式式对对称称地地焊焊有有两两根根霍霍尔尔输输出出引引线线(图图中中c、d线线)，通通常常用用绿绿色色导导线线。霍霍尔尔元元件件的的壳壳体体是是用用非非导导磁磁金金属属、陶陶瓷瓷或或环环氧氧树树脂脂封封装装。霍霍尔元件在电路中可用图尔元件在电路中可用图 (c)的两种符导表示。的两种符导表示。霍尔元件德外形、结构和符合霍尔元件德外形、结构和符合传感器与检测技术传感器与检测技术9.2.2 霍尔元件的主要技术参数霍尔元件的主要技术参数1.1.乘积灵敏度乘积
13、灵敏度K KH HKH是指是指I为单位电流，为单位电流，B为单位磁感应强度，霍尔电极为开路（为单位磁感应强度，霍尔电极为开路（RL=）时）时的霍尔电势。其反映了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希望越大越的霍尔电势。其反映了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希望越大越好。好。 . .额定控制电流额定控制电流I Icmcm在空气中，对霍尔元件通以由小到大的控制电流使其逐渐发热，当温升达在空气中，对霍尔元件通以由小到大的控制电流使其逐渐发热，当温升达到到10C时所对应的控制电流称为额定控制电流时所对应的控制电流称为额定控制电流Icm。额定控制电流。额定控制电流Icm的大小的大小与霍与霍传感
14、器与检测技术传感器与检测技术尔芯片的尺寸有关。尺寸越小，额定控制电流越小，尔芯片的尺寸有关。尺寸越小，额定控制电流越小，般为几毫安般为几毫安(尺寸大的可尺寸大的可达数百毫安达数百毫安)。当。当IIcm时，器件温漂将大于允许温漂，器件特性将变坏。时，器件温漂将大于允许温漂，器件特性将变坏。9.2.2 霍尔元件的主要技术参数霍尔元件的主要技术参数3.3.额磁灵敏度额磁灵敏度K KB B当控制电流为当控制电流为Icm时，单位磁感应强度产生的开路霍尔电势为时，单位磁感应强度产生的开路霍尔电势为，单位为，单位为V/T。4.4.输入电阻输入电阻R RI I、输出电输出电阻阻RoRo霍尔元件控制电流极间的电
15、阻为输入电阻霍尔元件控制电流极间的电阻为输入电阻R1；霍尔电势极间的电阻为输出；霍尔电势极间的电阻为输出电阻电阻R0。以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在。以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在205时所确定时所确定传感器与检测技术传感器与检测技术的，一般为几欧到几百欧。通常，输入电阻的阻值大于输出电阻，但相差不太的，一般为几欧到几百欧。通常，输入电阻的阻值大于输出电阻，但相差不太多，使用时不能搞错。多，使用时不能搞错。9.2.2 霍尔元件的主要技术参数霍尔元件的主要技术参数5.5.不等位电势不等位电势UoUo和不等位和不等位电阻电阻RoRo霍尔器件在额定控制电流下，无外磁场时，其霍
16、尔输出极间的电势为不等霍尔器件在额定控制电流下，无外磁场时，其霍尔输出极间的电势为不等位电势位电势Uo。它主要与两个电极不在同一个等位面上及其材料电阻率不均等因素。它主要与两个电极不在同一个等位面上及其材料电阻率不均等因素有关。本来，在有关。本来，在B=0时，应有时，应有UH=0，但是在工艺制备上，使两个霍尔电极的位，但是在工艺制备上，使两个霍尔电极的位置精确对准很难，以致在置精确对准很难，以致在B=0时，这两个电极并不在同一等电位面上，而出现时，这两个电极并不在同一等电位面上，而出现电位差，显然这并不是磁场产生的霍尔电势。在电位差，显然这并不是磁场产生的霍尔电势。在B不为零时，不为零时，Uo
17、将叠加在将叠加在UH上，上，使使UH示值出现误差。示值出现误差。传感器与检测技术传感器与检测技术因此因此Uo要求越小越好，一般要求要求越小越好，一般要求Uor4)，则则有有U0输输出出。可可以以采采用用图图 (c)所所示示方方法法进进行行补补偿偿，外外接接电电阻阻R值值应应大大于于霍霍尔尔元元件件的的内内阻阻，调调整整RP可可使使U0=0。改变工作电流方向，取其霍尔电势平均值，或采用交流供电亦可以。改变工作电流方向，取其霍尔电势平均值，或采用交流供电亦可以。 传感器与检测技术传感器与检测技术9.4 霍尔元件的应用电路霍尔元件的应用电路下下图图所所示示为为霍霍尔尔元元件件的的基基本本应应用用电电
18、路路。控控制制电电流流Ic由由电电源源E供供给给，调调节节RA控控制制电电流流Ic的的大大小小，霍霍尔尔元元件件输输出出接接负负载载电电阻阻RB，RB可可以以是是放放大大器器的的输输入入电电阻阻或或测测量量仪仪表表的的内内阻阻。由由于于霍霍尔尔元元件件必必须须在在磁磁场场B与与控控制制电电流流Ic作作用用下下才才会会产产生生霍霍尔尔电电势势UH，所所以以在在实实际际应应用用中中，可可以以把把Ic和和B的的乘乘积积或或Ic或或者者B作作为为输输入入信信号号，则则霍霍尔尔元元件件的的输输出出电电势分别正比于势分别正比于IcB、Ic或或B。通过霍尔元件的电流。通过霍尔元件的电流Ic为：为：则则 ：若
19、若Ic=5mA，RH=200 ，E=12V，则可求得，则可求得 ：传感器与检测技术传感器与检测技术9.4 霍尔元件的应用电路霍尔元件的应用电路由由于于霍霍尔尔元元件件的的电电阻阻RH是是变变化化的的，由由此此会会引引起起电电流流变变化化，可可能能使使霍霍尔尔电电压压失失真真。为此，外接电阻（为此，外接电阻（RA+RB）要大于）要大于RH，这样可以抑制电流，这样可以抑制电流Ic的变化。的变化。下下图为霍尔元件的几种偏置电路：图为霍尔元件的几种偏置电路： 霍尔元件的偏置电路霍尔元件的偏置电路(1)图图(a)是是无无外外接接偏偏置置电电阻阻的的电电路路。这这种种电电路路有有如如下下特特点点：适适用用
20、于于RH较较大大的的霍霍尔元件；霍尔电流；磁阻效应尔元件；霍尔电流；磁阻效应(霍尔元件内阻随磁场的增加而增加的霍尔元件内阻随磁场的增加而增加的传感器与检测技术传感器与检测技术现象现象)影响较大；用于影响较大；用于InSb材料的霍尔片时，温度特性好。材料的霍尔片时，温度特性好。 9.4 霍尔元件的应用电路霍尔元件的应用电路 (2)图图(b)是是在在电电源源正正端端与与霍霍尔尔片片之之间间串串接接偏偏置置电电阻阻R的的电电路路。其其电电路路特特点点：适适用用 于于 RH较较 小小 的的 霍霍 尔尔 元元 件件 ； 若若 RRH， 磁磁 阻阻 效效 应应 影影 响响 小小 且且 为为 恒恒 流流 驱
21、驱 动动 ； ； ，较小。，较小。 (3)图图(c)是是在在电电源源负负端端与与霍霍尔尔片片之之间间串串接接电电阻阻R的的电电路路。电电路路特特点点：适适用用于于RH较较小小元元件件；若若RRH，磁磁阻阻效效应应影影响响小小且且为为恒恒流流驱驱动动； ； ，较大；用于较大；用于InSb材料的霍尔片时，温度特性变坏。材料的霍尔片时，温度特性变坏。 霍尔元件的控制电流可以采用恒流驱动或恒压驱动，如下图所示。其特点如下：霍尔元件的控制电流可以采用恒流驱动或恒压驱动，如下图所示。其特点如下： 传感器与检测技术传感器与检测技术9.4 霍尔元件的应用电路霍尔元件的应用电路霍尔元件的偏置电路霍尔元件的偏置电
22、路(1)对对GaAs或或Ge为为材材料料的的霍霍尔尔元元件件采采用用恒恒流流时时，其其温温度度影影响响小小；但但对对InSb霍霍尔元件来说，则采用恒压驱动时，温度影响小。尔元件来说，则采用恒压驱动时，温度影响小。 (2)在在电电流流恒恒定定时时，当当磁磁场场强强度度增增加加时时，元元件件的的电电阻阻也也随随之之增增加加(磁磁阻阻效效应应)。若若采用恒流驱动，元件的电阻大小与大小无关，所以线性度好；而采用恒压驱动采用恒流驱动，元件的电阻大小与大小无关，所以线性度好；而采用恒压驱动传感器与检测技术传感器与检测技术时，则随着磁场强度增加，线性度会变坏。时，则随着磁场强度增加，线性度会变坏。 9.4
23、霍尔元件的应用电路霍尔元件的应用电路(3)采用恒流驱动，其不等位电势受温度影响大。采用恒流驱动，其不等位电势受温度影响大。 (4)恒恒流流驱驱动动时时，霍霍尔尔元元件件的的灵灵敏敏度度随随工工艺艺因因素素的的影影响响，有有较较大大的的变变动动(主主要要是是对厚度的控制对厚度的控制)。采用恒压驱动时，其霍尔电压为：。采用恒压驱动时，其霍尔电压为： 霍霍尔尔元元件件的的恒恒压压驱驱动动特特性性与与恒恒流流驱驱动动特特性性正正相相反反，二二者者各各有有优优缺缺点点，这这要要根根据据工作的要求来确定驱动方式。工作的要求来确定驱动方式。 传感器与检测技术传感器与检测技术9.4 霍尔元件的应用电路霍尔元件
24、的应用电路霍霍尔尔元元件件除除了了基基本本应应用用电电路路之之外外，如如果果为为了了获获得得较较大大的的霍霍尔尔输输出出电电势势，可可以以采采用用几几片片叠叠加加的的连连接接方方式式。如如图图(a)所所示示，直直流流供供电电，输输出出电电势势UH为为单单片片的的两两倍倍。图图(b)为为交交流流供供电电情情况况，控控制制电电流流端端串串联联，各各元元件件输输出出端端接接输输出出变变压压器器B的的初初级级绕绕阻阻，变变压压器器的次级便有霍尔电势信号叠加值输出。的次级便有霍尔电势信号叠加值输出。 霍尔元件叠加连接方式霍尔元件叠加连接方式传感器与检测技术传感器与检测技术9.4 霍尔元件的应用电路霍尔元
25、件的应用电路霍霍尔尔元元件件是是一一种种四四端端器器件件，本本身身不不带带放放大大器器。霍霍尔尔电电势势一一般般在在毫毫伏伏数数量量级级，在在实实际际使使用用时时，必必须须加加差差分分放放大大器器。霍霍尔尔元元件件大大体体分分为为线线性性测测量量和和开开关关状状态态两两种种使使用用方方式式，因此，输出电路有两种结构，如下图，因此，输出电路有两种结构，如下图所示。所示。 当当霍霍尔尔元元件件作作线线性性测测量量时时，最最好好选选用用灵灵敏敏度度低低一一点点、不不等等位位电电势势小小、稳稳定定性性和和线线性度优良的霍尔元件。性度优良的霍尔元件。GaAs霍尔元件的输出电路霍尔元件的输出电路 传感器与
26、检测技术传感器与检测技术9.4 霍尔元件的应用电路霍尔元件的应用电路 例例如如，选选用用KH=5mVmAkGs，控控制制电电流流为为5mA的的霍霍尔尔元元件件作作线线性性测测量量元元件件，若要测量若要测量1Gsl0kGs的磁场，则霍尔器件输出电势的磁场，则霍尔器件输出电势UH的范围为：的范围为： 故要选择低噪声的放大器作为前级放大。故要选择低噪声的放大器作为前级放大。当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度较高的霍尔器件。当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度较高的霍尔器件。例例如如，KH=20mAmAkGs，如如果果采采用用2mm 3mm 5mm的的钐钐钴钴磁磁钢钢器器件件，控制电流为控制电流为2
27、mA，施加一个距离器件为，施加一个距离器件为5mm的的3kGs的磁场，则输出霍尔电势为：的磁场，则输出霍尔电势为： 这时选用一般的放大器即可满足。这时选用一般的放大器即可满足。传感器与检测技术传感器与检测技术9.4 霍尔元件的应用电路霍尔元件的应用电路如如果果霍霍尔尔电电压压信信号号仅仅为为交交流流输输出出时时，可可采采用用下下图图所所示示差差动动放放大大电电路路，用用电电容容隔隔掉掉直流信号即可。直流信号即可。 图图 (a)电电路路中中电电阻阻R2的的值值较较大大，必必须须选选择择漏漏电电流流小小的的电电容容器器。如如果果C2的的漏漏电电流流较较大大，通通过过R2形形成成回回路路，而而C1上
28、上几几乎乎没没有有漏漏电电流流，这这样样两两者者漏漏电电流流之之差差就就作作为为漂漂移移电压形式表现出来。电压形式表现出来。交流霍尔电压放大电路交流霍尔电压放大电路传感器与检测技术传感器与检测技术9.4 霍尔元件的应用电路霍尔元件的应用电路图图 (b)所所示示电电路路中中，C1和和C2漏漏电电流流相相同同，则则漏漏电电流流对对电电路路影影响响极极小小。图图 (c)所所示示电电路路的的电电容容上上几几乎乎没没有有加加直直流流电电压压，因因此此漏漏电电流流极极小小。另另外外，放放大大器器的的输输入入阻阻抗抗也也很很高，漏电流对电路工作影响小。高，漏电流对电路工作影响小。 传感器与检测技术传感器与检
29、测技术9.5 霍尔式传感器的集成霍尔式传感器的集成霍尔集成传感器是将霍尔元件、放大器、温度补偿电路、输出霍尔集成传感器是将霍尔元件、放大器、温度补偿电路、输出电路及稳压电源等集成在一块芯片上，为用户提供了一种简化的和电路及稳压电源等集成在一块芯片上，为用户提供了一种简化的和较完善的集成传感器。其输出信号响应快，传送过程中无抖动现象，较完善的集成传感器。其输出信号响应快，传送过程中无抖动现象，且功耗低，对温度的变化稳定，灵敏度与磁场移动速度无关。霍尔且功耗低，对温度的变化稳定，灵敏度与磁场移动速度无关。霍尔集成传感器分为线性型和开关型两类。集成传感器分为线性型和开关型两类。 传感器与检测技术传感
30、器与检测技术9.5 霍尔式传感器的集成霍尔式传感器的集成在在一一定定的的控控制制电电流流条条件件下下，线线性性型型霍霍尔尔传传感感器器的的输输出出电电压压与与外外加加磁磁场场强强度度呈呈线线性性关关系系。其其内内部部框框图图和和输输出出特特性性如如下下图图所所示示，由由霍霍尔尔元元件件HG、放放大大器器A、差差分分输输出出电电路路D和和稳稳压压电电源源R等等组组成成。较较典典型型的的线线性性型型霍霍尔尔器器件件如如UGN3501等等。图图（b）为为其其输输出出特特性性，在在一一定定范范围围内内输输出出特特性性为为线线性性，线线性性中中的的平平衡衡点点相相当当于于N和和S磁磁极极的的平平衡衡点点
31、。UGN系列产品参数如下表所示。系列产品参数如下表所示。 线性集成传感器的内部框图和输出特性线性集成传感器的内部框图和输出特性 传感器与检测技术传感器与检测技术 UGN3501系列线性霍尔元件传感器参数系列线性霍尔元件传感器参数 9.5 霍尔式传感器的集成霍尔式传感器的集成常常见见的的霍霍尔尔开开关关集集成成电电路路有有UGN3000系系列列，内内部部由由霍霍尔尔元元件件HG 、放放大大器器A、输输出出晶晶体体管管VT、施施密密特特电电路路C和和稳稳压压电电源源R等等组组成成，如如下下图图 (a)所所示示。开开关关集集成成传传感感器器与与线线性性集集成成传传感感器器不不同同之之处处是是增增设设
32、了了施施密密特特电电路路C，通通过过晶晶体体管管T的的集集电电极极输输出。图（出。图（b）为输出特性，它是一种开关特性。开关集成传感器的输出只有一）为输出特性，它是一种开关特性。开关集成传感器的输出只有一传感器与检测技术传感器与检测技术端端，是是以以一一定定磁磁场场电电平平值值进进行行开开关关工工作作的的，由由于于内内设设有有施施密密特特电电路路，开开关关特特性性具具有有时时滞滞，因因此此有有较较好好的的抗抗噪噪声声效效果果。霍霍尔尔集集成成传传感感器器一一般般内内有有稳稳压压电电源源，工工作作电电源源的的电电压压范范围围较较宽宽。UGN3000系系列列霍霍尔尔开开关关集集成成器器件件的的极极
33、限限参参数数及及电电参参数数如如表表1和和表表2所示。所示。9.5 霍尔式传感器的集成霍尔式传感器的集成表表1 UGN3000系列霍尔开关集成器件的极限参数系列霍尔开关集成器件的极限参数 传感器与检测技术传感器与检测技术9.5 霍尔式传感器的集成霍尔式传感器的集成表表2 UGN3000系列霍尔开关集成器件的电参数系列霍尔开关集成器件的电参数 传感器与检测技术传感器与检测技术9.6 霍尔式传感器应用简介霍尔式传感器应用简介如如下下图图（a）所所示示的的两两块块永永久久磁磁铁铁相相同同极极性性相相对对放放置置，将将线线性性霍霍尔尔元元件件或或集集成成霍霍尔尔器器件件置置于于中中间间，其其磁磁感感应
34、应强强度度为为零零，这这个个位位置置可可以以作作为为位位移移的的零零点点。当当霍霍尔尔器器件件在在Z轴轴方方向向位位移移z时时，霍霍尔尔器器件件有有一一电电压压UH输输出出，其其输输出出特特性性如如图图（b）所所示示。只要测出值，即可得到位移的数值。只要测出值，即可得到位移的数值。 霍尔位移测量霍尔位移测量传感器与检测技术传感器与检测技术9.6 霍尔式传感器应用简介霍尔式传感器应用简介霍霍尔尔转转速速传传感感器器的的结结构构原原理理如如下下图图所所示示。它它是是利利用用开开关关型型霍霍尔尔集集成成电电路路测测量量转转速速，在在被被测测物物体体上上粘粘贴贴一一对对或或数数对对小小磁磁钢钢，霍霍尔
35、尔开开关关型型集集成成电电路路安安装装在在小小磁磁钢钢附附近近。待待测测物物以以角角速速度度旋旋转转时时，霍霍尔尔传传感感器器便便可可在在每每一一个个小小磁磁铁铁通通过过时时产产生生一一个个相相应应的的脉脉冲冲。检检测测出出单单位位时时间间的的脉脉冲冲数数，便便可可知知被被测测转转速速。磁磁性性转转盘盘上上小小磁磁钢钢数数目目的的多多少少决决定了传感器测量转速的分辨率。定了传感器测量转速的分辨率。 霍尔转速传感器的结构原理霍尔转速传感器的结构原理传感器与检测技术传感器与检测技术9.6 霍尔式传感器应用简介霍尔式传感器应用简介传传统统的的汽汽车车点点火火装装置置是是利利用用机机械械装装置置使使触
36、触点点闭闭合合和和打打开开，在在点点火火线线圈圈断断开开的的瞬瞬间间感感应应出出高高电电压压供供火火花花塞塞点点火火。这这种种方方法法容容易易造造成成开开关关的的触触点点产产生生磨磨损损，氧氧化化，使使发发动动机机性性能能变变坏坏，也也使使发发动动机机性性能能的的提提高高受受到到限限制制。利利用用霍霍尔尔开开关关无无触触点点晶晶体体管管点点火火装装置置，可可以以克克服服上上述述缺缺点点，提提高高燃燃烧烧效效率率。汽汽车车四四汽汽缸缸点点火火装装置置示示意意图图如如下下图图所所示示。图图中中的的磁磁轮轮鼓鼓代代替替了了传传统统的的凸凸轮轮及及白白金金触触点点。发发动动机机主主轴轴带带动动磁磁轮轮
37、鼓鼓转转动动时时，霍霍尔尔器器件件感感受受到到的的磁磁场场极极性性交交替替改改变变，输输出出一一连连串串与与汽汽缸缸活活塞塞运运动动同同步步的的脉脉冲冲信信号号去去触触发发晶晶体体管管功功率率开开关关，点点火火线线圈圈二二次次侧侧产产生生很很高高的的感感应应电电压压，火火花花塞塞产产生生火火花花放放电，完成汽缸点火过程。电，完成汽缸点火过程。传感器与检测技术传感器与检测技术9.6 霍尔式传感器应用简介霍尔式传感器应用简介汽车四汽缸点火装置汽车四汽缸点火装置1- 磁轮鼓；磁轮鼓； 2- 开关型霍尔开关型霍尔 集成电路；集成电路； 3-功率开关；功率开关； 4- 点火线圈；点火线圈； 5- 火花塞
38、火花塞采采用用霍霍尔尔传传感感器器制制成成的的汽汽车车点点火火器器和和传传统统的的汽汽车车点点火火器器相相比比具具有有很很多多优优点点。如如无无触触点点，因因此此无无需需维维护护，使使用用寿寿命命长长；由由于于点点火火能能量量大大，汽汽缸缸中中气气体体燃燃烧烧充充分分，排排气对大气的污染明显减少；由于点火时间准确，可提高发动机的性能。气对大气的污染明显减少；由于点火时间准确，可提高发动机的性能。传感器与检测技术传感器与检测技术9.6 霍尔式传感器应用简介霍尔式传感器应用简介由由式式(9-7)知知，UH与与I和和B的的乘乘积积成成正正比比，如如果果I和和B是是两两个个独独立立变变量量，霍霍尔尔器
39、器件件就就是是一一个个简简单单实实用用的的模模拟拟乘乘法法器器；如如果果I和和B分分别别与与某某一一负负载载两两端端的的电电压压和和通通过过的的电电流流有有关关，则则霍霍尔尔器器件件便便可可用用于于负负载载功功率率测测量量。下下图图是是霍霍尔尔功功率率传传感感器器原原理理图图。负负载载ZL所所取取i电电流流流流过过铁铁芯芯线线圈圈以以产产生生交交变变磁磁感感强强度度B，电电源源电电压压U经经过过降降压压电电阻阻R得得到到的的交流电流交流电流ic流过霍尔器件，则霍尔器件输出电压流过霍尔器件，则霍尔器件输出电压UH便与电功率便与电功率P成正比，即成正比，即:则霍尔电压平均值为：则霍尔电压平均值为：
40、传感器与检测技术传感器与检测技术9.6 霍尔式传感器应用简介霍尔式传感器应用简介若若将将下下图图中中的的电电阻阻R改改用用电电容容C代代替替，使使ic移移相相90 ，则则可可测测无无功功功功率率Q，即即 ：霍霍尔尔元元件件不不仅仅可可以以用用于于功功率率测测量量(乘乘积积功功能能)，还还可可以以利利用用霍霍尔尔元元件件完完成成乘乘方方和和开开方方功功能能。乘乘方方运运算算极极为为简简单单，只只需需将将电电流流端端子子和和电电磁磁铁铁的的线线圈圈串串联联起起来来，使使输输入入电电流流I1既既形形成成磁磁感感应应强强度度B，又又给给元元件件提提供供控控制制电电流流I1，结结果果必必然然得得到到 的
41、的关关系，见下图所示。系，见下图所示。 霍霍尔尔元元件件开开方方器器是是利利用用平平方方负负反反馈馈原原理理实实现现的的。在在下下图图(a)中中，设设放放大大器器的的放放大大倍倍数数足足够够大大，则则可可认认为为放放大大器器的的输输入入信信号号00，于于是是整整个个电电路路的的输输入入电电压压U1和和负负反反馈馈电电压压UH几几乎乎相相等等，即即U1 UH。若若负负反反馈馈方方框框是是用用和和下下图图一一样样的的霍霍尔尔平平方方器器构成，即如下图构成，即如下图(b)所示，则输出电流所示，则输出电流Io必然正比于必然正比于U1的平方根，即的平方根，即 ：传感器与检测技术传感器与检测技术9.6 霍尔式传感器应用简介霍尔式传感器应用简介霍尔元件平方器霍尔元件平方器霍尔元件开方器霍尔元件开方器故得故得 ：除除此此之之外外，霍霍尔尔元元件件还还可可以以实实现现求求倒倒数数、除除法法、开开立立方方等等功功能能。实实际际上上我我国国早早期期生生产产的的DDZ系系列列单单元元组组合合仪仪表表的的运运算算单单元元中中，就就有有用用霍霍尔尔元元件件实实现现运运算算的的品品种。种。传感器与检测技术传感器与检测技术第九章第九章 霍尔式传感器霍尔式传感器
