52霍尔传感器ppt课件

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1、4.5 4.5 霍尔传感器霍尔传感器五邑大学五邑大学信息工程学院信息工程学院5.2 5.2 霍尔传感器霍尔传感器5.2.1霍尔传感器工作原理霍尔传感器工作原理5.2.2霍尔元件的结构和基本电路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霍尔元件的主要特性参数5.2.4霍尔元件误差及补偿霍尔元件误差及补偿5.2.5霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用5.2.1 5.2.1 霍尔传感器工作原理霍尔传感器工作原理霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。来来源源：1879年年美美国国物物理理学学家家霍霍尔尔首首先先在在金金属属材材料料中中发发现现了了霍霍

2、尔尔效效应应,但但由由于于金金属属材材料料的的霍霍尔尔效效应应太太弱弱而而没没有得到应用。有得到应用。开开展展：随随着着半半导导体体技技术术的的发发展展,开开始始用用半半导导体体材材料料制制成成霍霍尔尔元元件件,由由于于它它的的霍霍尔尔效效应应显显著著而而得得到到应应用用和和发发展。展。运运用用：霍霍尔尔传传感感器器广广泛泛用用于于电电磁磁测测量量、压压力力、加加速速度度、振动等方面的测量。振动等方面的测量。霍霍尔尔效效应应：半半导导体体薄薄片片置置于于磁磁场场中中，当当它它的的电电流流方方向向与与磁磁场场方方向向不不一一致致时时，半半导导体体薄薄片片上上平平行行于于电电流流和和磁磁场场方方向

3、向的的两个面之间产生电动势。两个面之间产生电动势。产生的电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。产生的电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。什么是霍尔效应？什么是霍尔效应？p在在垂垂直直于于外外磁磁场场B的的方方向向上上放放置置一一半半导导体体薄薄片片，半半导导体体薄薄片片通通以以电电流流I，方方向向如如图所示。图所示。p半半导导体体薄薄片片中中的的电电流流是是载载流流子子自自由由电电子子在在电电场场作作用用下的定向运动。下的定向运动。p在在半半导导体体导导电电板板垂垂直直电电流流方方向向上上作作用用一一个个磁磁感感应应强强度度为为B的的均均匀匀磁磁场场，则则载载流流子又受洛伦兹力作用。子又

4、受洛伦兹力作用。载流子受载流子受洛仑兹力洛仑兹力霍尔电场强度霍尔电场强度e电子电荷；电子电荷；v电子运动平均速度；电子运动平均速度；B磁场的磁感应强度。磁场的磁感应强度。在匀强电场中，沿电场强度方向，两点之间的电势在匀强电场中，沿电场强度方向，两点之间的电势差等于电场强度跟这两点之间距离的乘积。差等于电场强度跟这两点之间距离的乘积。 平衡状态：洛伦兹力平衡状态：洛伦兹力fH=电场力电场力EH电场力电场力因此霍尔电势因此霍尔电势所以电子运动平均速度所以电子运动平均速度又根据电流的定义：单位时间内通过导线某一截面的电荷量。又根据电流的定义：单位时间内通过导线某一截面的电荷量。讨论讨论: :1、霍尔

5、常数大小取决于导体的载流子密度：、霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：分分析析：金金属属的的自自由由电电子子密密度度太太大大，因因而而霍霍尔尔常常数数小小，霍霍尔尔电电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。2、霍霍尔尔元元件件灵灵敏敏度度灵灵敏敏系系数数）KH意意义义：表表示示霍霍尔尔元元件件在在单位激励电流和单位磁感强度时产生的霍尔电势的大小。单位激励电流和单位磁感强度时产生的霍尔电势的大小。补充：补充：1、霍霍尔尔电电势势与与导导体体厚厚度度d成成反反比比：为为了了提提高高霍霍尔尔电电势势值值，霍霍尔元件制成薄片形状。尔元件制成薄片形状。2、半半导导体

6、体中中电电子子迁迁移移率率电电子子定定向向运运动动平平均均速速度度比比空空穴穴迁迁移率高，因此移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。3、当当磁磁感感应应强强度度B和和霍霍尔尔片片平平面法线成角度面法线成角度时时,霍尔电势为：霍尔电势为： 霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片( (一般为一般为一般为一般为4mm2mm0.1mm)4mm2mm0.1mm)。 其其其其长长长长度度度度方方方方向向向向两两两两端端端端面面面面上上上上焊焊焊焊有有有有a a、b b两两两两根根根根引

7、引引引线线线线，通通通通常常常常用用用用红红红红色色色色导导导导线线线线，其其其其焊焊焊焊接接接接处处处处称称称称为为为为控控控控制制制制电电电电极极极极或或或或称称称称激激激激励励励励电电电电极极极极），要要要要求求求求焊焊焊焊接接接接处处处处接接接接触触触触电电电电阻阻阻阻很很很很小小小小，并并并并呈呈呈呈纯纯纯纯电电电电阻阻阻阻，即欧姆接触无即欧姆接触无即欧姆接触无即欧姆接触无PNPN结特性）。结特性）。结特性）。结特性）。5.2.2 5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件的结构和基本电路 另另另另两两两两侧侧侧侧端端端端面面面面的的的的中中中中间间间间以以以以点点点点的的的的形形

8、形形式式式式对对对对称称称称地地地地焊焊焊焊有有有有c c、d d两两两两根根根根霍霍霍霍尔尔尔尔输输输输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。 要要要要求求求求欧欧欧欧姆姆姆姆接接接接触触触触，且且且且电电电电极极极极宽宽宽宽度度度度与与与与基基基基片片片片长长长长度度度度之之之之比比比比要要要要小小小小于于于于0.10.1，否否否否则影响输出。则影响输出。则影响输出。则影响输出。图图a中中其其中中1-1电电极极用用于于加加控控制制电电流流，称称控

9、控制制电电极极。另另一一对对2-2电电极极用用于于引引出出霍霍尔尔电势，称霍尔电势输出极。电势，称霍尔电势输出极。图图b是是霍霍尔尔元元件件通通用用的的图图形符号。形符号。图图c所所示示，霍霍尔尔电电极极在在基基片片上上的的位位置置及及它它的的宽宽度度对对霍霍尔尔电电势势数值影响很大。数值影响很大。通通常常霍霍尔尔电电极极位位于于基基片片长长度度的的中间，其宽度远小于基片的长度。中间，其宽度远小于基片的长度。图图d是基本测量电路是基本测量电路。测量电路测量电路5.2.3 5.2.3 霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数当磁场和环境温度一定时：当磁场和环境温度一定时：霍尔电势与控制电流霍

10、尔电势与控制电流I成正比；成正比；当控制电流和环境温度一定时：当控制电流和环境温度一定时：霍尔电势与磁场的磁感应强度霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比；成正比；当环境温度一定时：当环境温度一定时：输出的霍尔电势与输出的霍尔电势与I和和B的乘积成正比。的乘积成正比。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输入电阻Ri：控制电极间的电阻：控制电极间的电阻输出电阻输出电阻Ro：霍尔电极之间的电阻：霍尔电极之间的电阻注注：测测量量以以上上电电阻阻时时，应应在在没没有有外外磁磁场场和和室温变化的条件下进行。室温变化的条件下进行。Ri Ro，Ri、Ro=1002000。(2) (2) 额

11、定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流：额定控制电流：当当霍霍尔尔元元件件有有控控制制电电流流使使其其本本身身在在空空气气中中产生产生10温升时，对应的控制电流值。温升时，对应的控制电流值。控制电流控制电流Ic=(几几几十几十)mA最大允许控制电流：最大允许控制电流：以以元元件件允允许许的的最最大大温温升升限限制制所所对对应应的的控控制制电电流流值值。改改善善散散热热条条件件可可以以增增大大最最大大允允许许控制电流。控制电流。(3)不等位电势不等位电势Uo和不等位电阻和不等位电阻ro不等位电势：不等位电势：当当霍霍尔尔元元件件的的控控制制电电流流为为额额定定值值

12、时时，若若元元件件所所处处位位置置的的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。一般磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。一般U010mV。不等位电阻不等位电阻r0：不等位电势是由霍尔电极不等位电势是由霍尔电极2和和2之间的电阻。之间的电阻。不等位电势就是控制电流不等位电势就是控制电流I经不等位电阻产生的电压。经不等位电阻产生的电压。不等位电阻不等位电阻r0=U0/I产生不等位电势的原因主要是：产生不等位电势的原因主要是：霍尔电极安装位置不正确不对称或不在霍尔电极安装位置不正确不对称或不在同一等电位面上）；同一等电位面上）；半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何

13、尺寸不均匀；是几何尺寸不均匀；控制电极接触不良造成控制电流不均匀分控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。布等。（均是制造工艺造成的）（均是制造工艺造成的）(4)寄寄生生直直流流电电势势霍霍尔尔元元件件零零位位误误差差的的一一部分部分当当没没有有外外加加磁磁场场，霍霍尔尔元元件件用用交交流流控控制制电电流流时时，霍霍尔尔电电极极的的输输出出有有一一个个直直流流电电势。势。(5)霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数在在一一定定磁磁感感应应强强度度和和控控制制电电流流下下，温温度每变化度每变化1时，霍尔电势变化的百分率。时，霍尔电势变化的百分率。5.2.4 5.2.4 霍尔元件误差及补偿霍尔元件误差

14、及补偿1.不等位电势误差的补偿不等位电势误差的补偿2.温度误差及其补偿温度误差及其补偿1.1.不等位电势误差的补偿不等位电势误差的补偿把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。就相当于电桥的初始不平衡输出电压。ABCDIR1R2R3R4补补补补偿偿偿偿原原原原理理理理：将将将将R1R1、R2R2、R3R3、R4R4其其其其视视视视为为为为电电电电桥桥桥桥的的的的四四四四个个个个臂臂臂臂，即即即即电电电电桥桥桥桥不不不不平平平平衡衡衡衡，为为为为使使使使其其其其平平平平衡衡衡衡可可可可在在在在阻阻阻阻值值值值较较较较大大

15、大大的的的的臂臂臂臂上上上上并并并并联联联联电电电电阻阻阻阻，或或或或在在在在两两两两个个个个臂上同时并联电阻。臂上同时并联电阻。臂上同时并联电阻。臂上同时并联电阻。 图中图中A、B为控制电极，为控制电极，C、D为霍尔电极。为霍尔电极。在在极极间间分分布布的的电电阻阻用用R1、R2、R3、R4表表示示，理理想想情情况况是是R1R2R3R4，即零位电势为零或零位电阻为零）。，即零位电势为零或零位电阻为零）。但实际上存在着零位电势，则说明此四个电阻不等。但实际上存在着零位电势，则说明此四个电阻不等。电势的补偿电路电势的补偿电路 对称电路对称电路 当温度变化时，补偿的稳定性要好些当温度变化时，补偿的

16、稳定性要好些几种常用补偿方法几种常用补偿方法WCDAR2R3R4R1BWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）WABCDWABCD (b)WCABD2.2.温度误差及其补偿温度误差及其补偿温度误差产生原因：温度误差产生原因：霍霍尔尔元元件件的的基基片片是是半半导导体体材材料料，因因而而对对温温度度的的变变化化很很敏敏感感。其其载载流流子子浓浓度度和和载载流流子子迁迁移移率率、电电阻阻率率和霍尔系数都是温度的函数。和霍尔系数都是温度的函数。当当温温度度变变化化时时，霍霍尔尔元元件件的的一一些些特特性性参参数数，如如霍霍尔尔电电势势、输输入入电电阻阻和和输输出出电电阻

17、阻等等都都要要发发生生变变化化，从从而使霍尔式传感器产生温度误差。而使霍尔式传感器产生温度误差。减小霍尔元件的温度误差方法减小霍尔元件的温度误差方法 选用温度系数小的元件如砷化铟）选用温度系数小的元件如砷化铟）;采用恒温措施采用恒温措施;采用恒流源供电采用恒流源供电;温温度度变变化化导导致致霍霍尔尔元元件件内内阻阻Ri、Ro)和和霍霍尔尔灵灵敏敏度度KH等等变变化化，给给测测量量带带来来一一定定误误差差，即即温温度度误差。为了减温度误差，需采取温度补偿措施：误差。为了减温度误差，需采取温度补偿措施：恒流源温度补偿恒流源温度补偿 霍霍尔尔元元件件的的灵灵敏敏系系数数随随温温度度的的变变化化引引起

18、起霍霍尔尔电电势势的的变变化化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系：霍尔元件的灵敏系数与温度的关系：式中式中:KH0为温度为温度T0时的时的KH值；值；温度变化量；温度变化量；霍尔电势的温度系数。霍尔电势的温度系数。的定义为的定义为大胆假设：大胆假设：由由于于大大多多数数霍霍尔尔元元件件的的温温度度系系数数是是正正值值时时，它它们们的的霍霍尔尔电电势势随随温温度度的的升升高高而增加而增加1+T倍。倍。让让控控制制电电流流I相相应应地地减减小小，能能保保持持KHI不变就抵消了灵敏系数值增加的影响。不变就抵消了灵敏系数值增加的影响。恒流源温度补偿电路 补补偿偿原原理理：当当霍霍尔尔元元件件的的输输入入

19、电电阻阻随随温温度度升升高高而而增增加加时时，旁旁路路分分流流电电阻阻R自自动动地地加加强强分分流流，减减少少了了霍霍尔尔元元件的控制电流。件的控制电流。温度升到温度升到T时，电路中各参数变为时，电路中各参数变为控制电流控制电流温度为温度为T0时，时，霍尔元件输入电阻温度系数；霍尔元件输入电阻温度系数；分流电阻温度系数。分流电阻温度系数。为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足:升温前、后的霍尔电势不变，升温前、后的霍尔电势不变，当当霍霍尔尔元元件件选选定定后后，它它的的输输入入电电阻阻和和温温度度系系数数及及霍霍尔尔电电势势温温度度系系数数可可以以从从元元件件参参

20、数数表表中中查查到到（可可以以测测量量出出来来），用用上上式式即即可可计计算算出出分分流流电电阻阻及及所所需需的的分分流流电电阻阻温温度度系系数数值。值。经整理，忽略经整理，忽略高次项后得高次项后得利用补偿电桥进行补偿利用补偿电桥进行补偿 电电电电桥桥桥桥由由由由温温温温度度度度系系系系数数数数低低低低的的的的电电电电阻阻阻阻构构构构成成成成，在在在在某某某某一一一一桥桥桥桥臂臂臂臂电电电电阻阻阻阻上上上上并并并并联一热敏电阻。联一热敏电阻。联一热敏电阻。联一热敏电阻。 当当当当温温温温度度度度变变变变化化化化时时时时，热热热热敏敏敏敏电电电电阻阻阻阻将将将将随随随随温温温温度度度度变变变变化

21、化化化而而而而变变变变化化化化，使使使使电电电电桥桥桥桥的的的的输输输输出出出出电电电电压压压压相相相相应应应应变变变变化化化化，仔仔仔仔细细细细调调调调节节节节，即即即即可可可可补补补补偿偿偿偿霍霍霍霍尔尔尔尔电电电电势势势势的的的的变变变变化化化化，使使使使其其其其输输输输出出出出电电电电压压压压与与与与温温温温度基本无关。度基本无关。度基本无关。度基本无关。w1w1w2w2E1E1w3w3R2R2R3R3R4R4R1R1E2E2RtRtUHtUHt调节电位器调节电位器调节电位器调节电位器W1W1W1W1消除不等位电势。消除不等位电势。消除不等位电势。消除不等位电势。对于温度系数大的半导体

22、材料常使用。对于温度系数大的半导体材料常使用。对于温度系数大的半导体材料常使用。对于温度系数大的半导体材料常使用。霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。电

23、阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。利用热敏电阻进行补偿利用热敏电阻进行补偿（a a输入回路补偿输入回路补偿输入回路补偿输入回路补偿R RRtRt（b b b b输出回路补偿输出回路补偿输出回路补偿输出回路补偿 或或或或在在在在输输输输出出出出回回回回路路路路进进进进行行行行补补补补偿偿偿偿。负负负负载载载载RLRLRLRL上上上上的的的的霍霍霍霍尔尔尔尔电电电电势势势势随随随随温温温温度度度度上上上上升升升升而而而而下下下下降降降降的的的的量量量量被被被被热热热热敏敏敏敏电电电电阻阻阻阻阻阻阻阻值值值值减减减减小小小小所所所所补补

24、补补偿偿偿偿。实实实实际际际际使使使使用用用用时时时时，热热热热敏敏敏敏电电电电阻阻阻阻最最最最好与霍尔元件封在一起或靠近，使它们温度变化一致。好与霍尔元件封在一起或靠近，使它们温度变化一致。好与霍尔元件封在一起或靠近，使它们温度变化一致。好与霍尔元件封在一起或靠近，使它们温度变化一致。R RRLRLRtRt1 1、霍尔开关集成传感器、霍尔开关集成传感器 霍霍霍霍尔尔尔尔开开开开关关关关集集集集成成成成传传传传感感感感器器器器是是是是利利利利用用用用霍霍霍霍尔尔尔尔效效效效应应应应与与与与集集集集成成成成电电电电路路路路技技技技术术术术结结结结合合合合而而而而制制制制成成成成的的的的一一一一种

25、种种种磁磁磁磁敏敏敏敏传传传传感感感感器器器器，它它它它能能能能感感感感知知知知与与与与磁磁磁磁信信信信息息息息有有有有关关关关的的的的物物物物理理理理量量量量，并并并并以以以以开开开开关关关关信信信信号号号号形式输出。形式输出。形式输出。形式输出。 其中，其中，1为接地端，为接地端，2为电源端，为电源端，3为输出端。为输出端。5.2.5 5.2.5 霍尔传感器霍尔传感器稳压稳压整形整形VCC输出输出地地213霍尔元件霍尔元件放大放大由由由由稳稳稳稳压压压压电电电电路路路路、霍霍霍霍尔尔尔尔元元元元件件件件、放放放放大大大大器器器器、整整整整形形形形电电电电路路路路、开开开开路路路路输输输输出

26、出出出五五五五部部部部分分分分组组组组成成成成。稳稳稳稳压压压压电电电电路路路路可可可可使使使使传传传传感感感感器器器器在在在在较较较较宽宽宽宽的的的的电电电电源源源源电电电电压压压压范范范范围围围围内内内内工作，开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。工作，开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。工作，开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。工作，开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。 稳压稳压整形整形VCC输出输出地地213霍尔元件霍尔元件放大放大当当有有磁磁场场作作用用在在传传感感器器上上时时，霍霍尔尔元元件件输输出出霍霍尔尔电电压压VH，该该电电压压经经放放大大器器放

27、放大大后后，送送至至施施密密特特整整形形电电路路，当当放放大大后后的的VH电电压压大大于于“开开启启阈阈值值时时，施施密密特特整整形形电电路路翻翻转转，输输出出高电平，使半导体管导通高电平，使半导体管导通“开状态开状态”；工作原理：工作原理：当当当当磁磁磁磁场场场场减减减减弱弱弱弱时时时时，霍霍霍霍尔尔尔尔元元元元件件件件输输输输出出出出的的的的VHVHVHVH很很很很小小小小，经经经经放放放放入入入入器器器器放放放放大大大大后后后后其其其其值值值值也也也也小小小小于于于于施施施施密密密密特特特特整整整整形形形形电电电电路路路路的的的的“封封封封锁锁锁锁阈阈阈阈值值值值，施施施施密密密密特特特

28、特整整整整形形形形电电电电路路路路再再再再次次次次翻翻翻翻转转转转，输输输输出出出出低电平，使半导体管截止，这种状态为低电平，使半导体管截止，这种状态为低电平，使半导体管截止，这种状态为低电平，使半导体管截止，这种状态为“关状态关状态关状态关状态”。一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关动作。一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关动作。一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关动作。一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关动作。稳压稳压整形整形VCC输出输出地地213霍尔元件霍尔元件放大放大霍尔开关传感器的用途：霍尔开关传感器的用途：霍尔开关传感器的用途：霍尔开关传感器的用途

29、：霍尔开关集成传感器基本用途有：汽车点火系统、保安霍尔开关集成传感器基本用途有：汽车点火系统、保安霍尔开关集成传感器基本用途有：汽车点火系统、保安霍尔开关集成传感器基本用途有：汽车点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的检测与控制、位置及角度的检测，等等。电流的检测与控制、位置及角度的检测，等等。电流的检测与控制、位置及角度的检测，等等。电流的检测与控制、位置及角度的检测，等等。 几种不同尺寸外形的霍尔开关几

30、种不同尺寸外形的霍尔开关2 2、霍尔线性集成传感器、霍尔线性集成传感器 霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场呈线性霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场呈线性比例关系。比例关系。稳压稳压VCC输出输出地地123霍尔元件霍尔元件放大放大稳压稳压VCC输输出出地地341霍尔元件霍尔元件放大放大8单端输出传感器的电路结构单端输出传感器的电路结构双端输出的电路结构双端输出的电路结构图图所所示示为为具具有有双双端端差差动动输输出出特特性性的的线线性性霍霍尔尔器器件件UGN3501MUGN3501M的内部电路图和输出特性曲线图。的内部电路图和输出特性曲线图。当当线线性性霍霍尔尔器器件件UGN3501MU

31、GN3501M感感受受的的磁磁场场为为零零时时，第第一一脚脚相相对对于第八脚的输出电压等于零；于第八脚的输出电压等于零；当当线线性性霍霍尔尔器器件件UGN3501MUGN3501M感感受受的的磁磁场场为为正正向向磁磁钢钢的的S S极极对对准准3501M3501M的的正正面面时时，输输出出为为正正；磁磁场场为为反反方方向向时时，输输出为负，因此，使用起来更为方便。出为负，因此，使用起来更为方便。霍霍尔尔线线性性集集成成传传感感器器一一般般由由霍霍尔尔元元件件和和放放大大器器组组成成，当当外外加加磁磁场场时时，霍霍尔尔元元件件产产生生与与磁磁场场成成线线性性比例变化的霍尔电压，经放大器放大后输出。

32、比例变化的霍尔电压，经放大器放大后输出。霍霍尔尔线线性性传传感感器器广广泛泛用用于于位位置置、力力、分分量量、厚厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。度、速度、磁场、电流等的测量或控制。5.2.5 5.2.5 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用优点优点:结结构构简简单单，体体积积小小，重重量量轻轻，频频带带宽宽，动动态态特特性性好和寿命长好和寿命长运用：运用：电电磁磁测测量量：测测量量恒恒定定的的或或交交变变的的磁磁感感应应强强度度、有有功功功率、无功功率、相位、电能等参数；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。自动检测系统：多用于位移、压力的测量。1.1.

33、微位移和压力的测量微位移和压力的测量测量原理：测量原理：霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强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。反映霍尔元件的位置。运用：运用：位移测量、力、压力、应变、机械振动、加位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度速度产生梯度磁场的示意图产生梯度磁场的示意图 位移量较小，适于测量微位移和机械振动位移量较小，适于测量微位移和机械振动若若令令霍霍尔尔元元件件的的工工作作电电流流保保持持不不变变，而而使使其其在在一一个个均均匀匀梯梯度度磁磁场场中中移移动动，它它输输出

34、出的的霍霍尔尔电电压压VH值值只只由由它它在在该该磁磁场场中中的的位位移移量量Z来来决决定定。图图中中3种种产产生生梯梯度度磁磁场场的的磁磁系系统统及及其其与与霍霍尔尔器器件件组组成成的的位位移移传传感感器器的的输输出出特特性性曲曲线线，将将它它们们固固定定在在被被测测系系统统上上，可可构构成成霍霍尔尔微微位位移移传传感感器器。从从曲曲线线可可见见，构构造造b在在Z2mm时时，VH与与Z有有良良好好的的线线性性关关系系，且且分分辨辨力力可可达达1m，构构造造C的的灵灵敏敏度度高，但工作距离较小。高，但工作距离较小。几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔位移传感器的

35、静态特性位移传感器的静态特性 霍尔线性位移传感器原理霍尔线性位移传感器原理霍尔线性位移传感器霍尔线性位移传感器霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器 1.弹簧管弹簧管2.磁铁磁铁3.霍尔片霍尔片霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如下图。（如下图。（a的弹性元件为膜盒，的弹性元件为膜盒，(b)为弹簧片，为弹簧片，(c)为波纹管。磁为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统，如系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统，如(a)、(b)，也可采用，也可采用单一磁体，如单一磁体，如c）。）。加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相

36、对位移，改变作用加上压力后，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到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压VH。由事先校准的。由事先校准的pf(VH)曲线即可得到被测压力曲线即可得到被测压力p的值。的值。加速度传感器加速度传感器 2.2.磁场的测量磁场的测量在在控控制制电电流流恒恒定定条条件件下下，霍霍尔尔电电势势大大小小与与磁磁感感应应强强度度成成正正比比，由由于于霍霍尔尔元元件件的的结结构构特特点点，它它特特别别适适用用于于微微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线

37、方向之间夹角的函数。霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线方向之间夹角的函数。运用：霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器运用：霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器3.3.转数、转速等物理量的测量转数、转速等物理量的测量按图所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开按图所示的各种方法设置磁体，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。霍尔关电路组合起来可以构成各种旋转传感器。霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。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)遮断式遮断式在在转转轴轴上上固固定

38、定一一个个叶叶轮轮和和磁磁体体，用用流流体体气气体体、液液体体去去推推动动叶叶轮轮转转动动，便便可可构构成成流流速速、流流量量传传感器。感器。在在车车轮轮转转轴轴上上装装上上磁磁体体，在在靠靠近近磁磁体体的的位位置置上上装装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等下图的壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开下图的壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开关电路，被测流体从管道一端通入，推动叶轮带动与之相关电路，被测流体从管道一端通入，推动叶轮带动与之相连的磁体转动，经过霍尔器件时，电路输出脉冲电压，由连的磁体转动，经过霍尔器件时，电路输出脉冲电压

39、，由脉冲的数目，可以得到流体的流速。若知管道的内径，可脉冲的数目，可以得到流体的流速。若知管道的内径，可由流速和管径求得流量。由流速和管径求得流量。霍尔流量计霍尔流量计 4 4、霍尔元件在电流测量上的应用、霍尔元件在电流测量上的应用用霍尔元件测量电流，都是通过霍尔元件检测通电用霍尔元件测量电流，都是通过霍尔元件检测通电导线周围的磁场来实现的。导线周围的磁场来实现的。 在在现现代代工工程程技技术术中中，往往往往要要测测量量大大直直流流电电流流，有有时直流电流值高达时直流电流值高达10KA10KA以上。以上。 过过去去，多多采采用用电电阻阻器器分分流流的的方方法法来来测测量量这这样样大大的的电电流

40、流。这这种种方方法法有有许许多多缺缺点点，如如分分流流器器结结构构复复杂杂、笨笨重重、耗电、耗铜等。耗电、耗铜等。 利利用用霍霍尔尔效效应应原原理理测测量量大大电电流流可可以以克克服服上上述述的的一一些些缺缺点点。霍霍尔尔效效应应大大电电流流计计结结构构简简单单、成成本本低低、准准确确度度高高，在在很很大大程程度度上上与与频频率率无无关关，便便于于远远距距离离测测量量，测测量时不需要断开回路。量时不需要断开回路。（1导线旁测法导线旁测法这种方法是一种最这种方法是一种最简单的方法，将霍尔简单的方法，将霍尔元件放在通电导线的元件放在通电导线的附近，给霍尔元件通附近，给霍尔元件通以恒定电流，用霍尔以

41、恒定电流，用霍尔元件测量被测电流产元件测量被测电流产生的磁场，就可以从生的磁场，就可以从元件输出的霍尔电压元件输出的霍尔电压中确定被测电流值。中确定被测电流值。这种方法虽然结构这种方法虽然结构简单，但测量精度较简单，但测量精度较差，受外界干扰也大，差，受外界干扰也大，只适用一些不重要的只适用一些不重要的场合。场合。BICI通电电流通电电流VH当当导导线线中中有有电电流流流流通通时时，导导线线周周围围产产生生磁磁场场，使使导导磁磁体体铁铁芯芯磁磁化化成成暂暂时时性性磁磁铁铁，在在环环形形气气隙隙中中就就会会形形成成一一个个磁磁场场，导导体体中中的的电电流流越越大大，气气隙隙处处的的磁磁感感应应强

42、强度度就就越越大大，霍霍尔尔元元器器件件输输出出的的霍霍尔尔电电压压VH就就越越大大。可可以以通通过过霍霍尔尔电电压压检检测测到到导导线线中中的的电电流流。这这种种方方法法可可以以提提高高电电流流测测量量的精度。的精度。导磁铁心导磁铁心霍尔元器件霍尔元器件通电导线通电导线I（2导线贯串磁芯法导线贯串磁芯法如果用铁磁材料做成磁导体的铁芯，使被测通电如果用铁磁材料做成磁导体的铁芯，使被测通电导线贯串它的中央，将霍尔元件或霍尔集成传感器放导线贯串它的中央，将霍尔元件或霍尔集成传感器放在磁导体的气隙中，这样，可以通过环形铁芯集中磁在磁导体的气隙中，这样，可以通过环形铁芯集中磁力线，如下图所示。力线，如

43、下图所示。在在实实际际应应用用中中，为为了了测测量量的的方方便便，还还可可以以把把导导磁磁铁铁芯芯做成钳式形状，或非闭合磁路的形状，如下图所示。做成钳式形状，或非闭合磁路的形状，如下图所示。I霍尔元器件霍尔元器件通电导线通电导线导磁铁心导磁铁心霍尔元器件霍尔元器件通电导线通电导线导磁铁心导磁铁心I钳式钳式非闭合磁路式非闭合磁路式（3磁芯绕线法磁芯绕线法这种方法如下图所示。它由标准环形导磁铁芯和这种方法如下图所示。它由标准环形导磁铁芯和SL3501M霍尔霍尔线性集成传感器组合而成。线性集成传感器组合而成。高斯简称高高斯简称高Gs，G），非国际通用的磁感应强度或磁通量），非国际通用的磁感应强度或磁

44、通量的单位。高斯是很小的单位，的单位。高斯是很小的单位，10000高斯等于高斯等于1特斯拉）。特斯拉）。SL3501M通电导线通电导线导磁铁心导磁铁心I被被测测通通电电导导线线绕绕在在导导磁磁铁铁芯芯上上，每每1安安1匝匝在在气气隙隙处处可可产产生生0.0056T的的磁磁感感应应强强度度。若若测测量量范范围围是是020A时时，则则导导线线绕绕制制9匝匝便便可可产产生生约约0.1T的的磁磁感感应应强强度度，SL3501M会会有有1.4V的电压输出。的电压输出。数字钳型表数字钳型表用途：用途：主要用于大电流测量，可用于机械加工车间，工主要用于大电流测量，可用于机械加工车间，工厂，及各种耗电量较大的

45、任何场合。厂，及各种耗电量较大的任何场合。5 5、霍尔元件在磁性材料研究上的应用、霍尔元件在磁性材料研究上的应用被测磁性物质被测磁性物质交流信号源交流信号源霍尔元件霍尔元件示波器示波器电流表电流表磁化磁化绕组绕组在磁性材料特性研究中，往往需要复杂的过程才能得到在磁性材料特性研究中，往往需要复杂的过程才能得到B-H曲线或磁场分布图。因为霍尔电压同铁芯磁化绕组的电流的关曲线或磁场分布图。因为霍尔电压同铁芯磁化绕组的电流的关系系VH=f(IM同样反映了磁感应强度同样反映了磁感应强度B与磁场强度与磁场强度H之间的关之间的关系系B=f(H)，所以可以直接用示波器来观察这个关系。，所以可以直接用示波器来观察这个关系。