項目五霍爾式傳感器

2021/5/91

主要學習霍爾傳感器的工作原理、霍爾集成電路的特性及其在檢測技術中的應用，還涉及磁場測量技術。2021/5/92一、霍爾元件的結構及工作原理

半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢EH，這種現象稱為霍爾效應。

磁感應強度B為零時的情況cdab2021/5/93磁感應強度B較大時的情況

作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高。2021/5/94霍爾效應演示

當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內側偏移，在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdab2021/5/95式中RH－－霍爾常數（m3/C）

I－－控制電流（A）B－－磁感應強度（B)d－－霍爾元件的厚度（m）霍爾電勢：

2021/5/96霍爾常數

霍爾電勢與導體厚度d成反比：為了提高霍爾電勢值，霍爾元件制成薄片形狀。

霍爾常數大小取決于導體的載流子密度：金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數小，霍爾電勢也小，故金屬材料不宜制作霍爾元件

半導體中電子遷移率（電子定向運動平均速度）比空穴遷移率高，因此N型半導體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件。2021/5/97磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢

若磁感應強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos

，這時的霍爾電勢為

EH=KHIBcos

2021/5/98結論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應強度B成正比，且當B和I的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢2021/5/99

二、霍爾元件的結構和基本電路圖（a）中，從矩形薄片半導體基片上的兩個相互垂直方向側面上，引出一對電極，其中1-1電極用于加控制電流，稱控制電極。另一對2-2電極用于引出霍爾電勢，稱輸出極。在基片外面用金屬或陶瓷、環氧樹脂等封裝作為外殼。圖（b）是霍爾元件通用的圖形符號。2021/5/910圖（c）所示，霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對霍爾電勢數值影響很大。通常霍爾電極位于基片長度的中間，其寬度遠小于基片的長度。圖（d）是基本測量電路。

2021/5/911差分放大電路

霍爾元件的輸出電壓一般較小，需要用放大電路放大其輸出電壓。為了獲得較好的放大效果，需采用差分放大電路。

2021/5/912

使用一個運算放大器時，霍爾元件的輸出電阻可能會大于運算放大器的輸入電阻，從而產生誤差，采用下圖所示的電路，則不存在這個問題。2021/5/913三、霍爾元件的主要外特性參數

最大磁感應強度BM

上圖所示霍爾元件的線性范圍是負的多少高斯至正的多少高斯？(1特斯拉＝10000高斯)線性區2021/5/914最大激勵電流IM:

由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大，故在應用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大，因此每種型號的元件均規定了相應的最大激勵電流，它的數值從幾毫安至十幾毫安。

以下哪一個激勵電流的數值較為妥當？5μA0.1mA2mA80mA

2021/5/915四、霍爾集成電路

霍爾集成電路可分為（1）線性型（2）開關型2021/5/916

線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。（1）線性型單端輸出傳感器：三端器件雙端輸出傳感器：8腳雙列直插封裝元件2021/5/917UGN-3501T

是一種塑料扁平封裝的三端元件，它有T、U兩種型號，T型與U型的區別僅是厚度的不同，T型厚度為2.03mm，U型厚度為1.54mm。

2021/5/918UGN-3501M

雙端輸出線形集成電路UGN-3501M采用8腳封裝。1、8兩腳為輸出，5、6、7三腳之間接一個電位器，對不等位電動勢進行補償。

2021/5/919線性型霍爾特性

右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當磁場為零時，它的輸出電壓等于零；當感受的磁場為正向（磁鋼的S極對準霍爾器件的正面）時，輸出為正；磁場反向時，輸出為負。請畫出線性范圍2021/5/920（2）開關型

開關型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩壓電路、放大器、施密特觸發器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。當外加磁場強度超過規定的工作點時，OC門由高阻態變為導通狀態，輸出變為低電平；當外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變為高阻態，輸出高電平。較典型的開關型霍爾器件如UGN3020等。2021/5/921開關型霍爾集成電路的外形及內部電路OC門

施密特觸發電路

雙端輸入、單端輸出運放霍爾元件.Vcc2021/5/922

當放大后的電壓UO大于施密特觸發器“開啟”閾值電壓時，施密特整形電路翻轉，輸出高電平，使V導通，這種狀態我們稱之為開狀態。當磁場減弱時，霍爾元件輸出的UO很小，經放大器放大后其值仍然小于施密特整形電路的“關閉”閾值電壓，施密特整形電路再次翻轉，輸出低電平，使V截止，這種狀態稱為關狀態。

工作原理：2021/5/923開關型霍爾集成電路的史密特輸出特性

回差越大，抗振動干擾能力就越強。

當磁鐵從遠到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時輸出翻轉？當磁鐵從近到遠地遠離霍爾IC，到多少特斯拉時輸出再次翻轉？回差為多少特斯拉？相當于多少高斯（Gs）？2021/5/924

五、霍爾傳感器的應用

霍爾電勢是關于I、B、

三個變量的函數，即EH=KHIBcos

。利用這個關系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。2021/5/9251.霍爾特斯拉計（高斯計）

霍爾元件2021/5/926高斯計：接受所測物體的電磁波頻率，然后轉換成參數量顯示出來。主要用來測試高電壓環境電磁波特斯拉計：主要是檢測磁體單位面積磁通量的多少，也就是檢測磁感應強度。2021/5/927霍爾高斯計（特斯拉計）的使用

霍爾元件磁鐵2021/5/928霍爾傳感器用于測量磁場強度

霍爾元件測量鐵心氣隙的B值2021/5/9292.霍爾轉速表

在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統靠近齒盤。齒盤的轉動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。SN線性霍爾磁鐵2021/5/930霍爾轉速表原理

當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。2021/5/931霍爾轉速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應用

若汽車在剎車時車輪被抱死，將產生危險。用霍爾轉速傳感器來檢測車輪的轉動狀態有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質霍爾2021/5/932霍爾轉速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉體的表面存在缺口或突起，就可產生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產生轉速信號。霍爾元件磁鐵2021/5/9333.霍爾式無刷電動機

霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉子和定子之間的相對位置，其輸出信號經放大、整形后觸發電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉。由于無刷電動機不產生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機、CD唱機、光驅等家用電器中得到越來越廣泛的應用。普通直流電動機使用的電刷和換向器2021/5/934光驅用的無刷電動機內部結構2021/5/9351．由于無電刷，沒有磨損問題，壽命長、可靠性高。2．具有良好的旋轉特性，可以取得很寬的轉速特性、噪音低、起動轉矩為額定轉矩的2～3倍、穩定性好。2021/5/936無刷電動機在電動自行車上的應用

電動自行車可充電電池組無刷電動機2021/5/9374.霍爾式接近開關

當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關動作。霍爾接近開關一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。2021/5/938霍爾式接近開關

用霍爾IC也能完成接近開關的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強的閉合磁場。

在右圖中，當磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變為低電平，經驅動電路使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。2021/5/939霍爾式接近開關用于轉速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關型霍爾ICT2021/5/9405.霍爾電流傳感器

將被測電流的導線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當有電流通過導線時，在導線周圍將產生磁場，磁力線集中在鐵心內，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產生與電流成正比的霍爾電壓。2021/5/941霍爾電流傳感器演示鐵心線性霍爾IC

EH=KHIB

II2021/5/942其他霍爾電流傳感器2021/5/943霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口2021/5/944霍爾鉗形電流表演示直流200A量程被測電流的導線未放入鐵心時