《霍尔传感器》PPT课件.ppt

第5章 霍尔传感器 本章主要学习霍尔传感器 的工作原理、霍尔 元件的主要技术指标、霍尔集成电路的特性、霍尔 传感器在检测技术中的应用。 5.1 霍尔元件的结构及工作原理 5.2 霍尔元件的主要技术指标 5.3 霍尔传感器集成电路 5.4 霍尔传感器的应用 霍尔元件 *1 5.1 霍尔元件的结构及工作原理 5.1.1 霍尔效应: 霍尔发现，如果对位于磁场(B)中的导体施加 一个电压(V)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么 则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另 一个电压(EH)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象 被称为霍尔效应。 Date2 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EH。 C A B 霍尔效应演示 5.1 霍尔元件的结构及工作原理 D Date3 5.1.2 霍尔传感器原理： 产生霍尔效应原因是根据电磁感应定律，电子在磁场中以速度 v运动时，受到洛伦兹力fL； fL与电子的电菏量e、运动速度v 及磁场强度B成正比； fL=evB；电荷在fL的作用下向一侧偏移 ，在半导体薄片C、D端面间形成感应电动势EH . 5.1 霍尔元件的结构及工作原理 C D EH Date4 5.1.2 霍尔传感器原理： 感应电动势EH在半导体膜片上形成一电场，根据电磁感应定律 ，电荷在电场中要受到电场力fE ， fE 与电荷电量的多少、 EH 大小及两电极间距有关。 fE =e EH /b 5.1 霍尔元件的结构及工作原理 C D EH Date5 5.1.2 霍尔传感器原理： 随着感应电动势EH的增加， fE不断增加，最终fL与fE半达到某 一平衡值，即： fL +fE =0 设通过半导体的电流I为: I=-envbd 5.1 霍尔元件的结构及工作原理（视频） C D EH （n为单位体积的载流子数量） EH=IB/end=SHIBSH灵敏度系数 Date6 5.1 霍尔元件的结构及工作原理 5.1.3 霍尔元件材料: 霍尔元件是 一种四端元件 因：EH=IB/end 1锗(Ge)，N型及P型均可。 2硅(Si)N型及P型均可。 3砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两 种材料的特性很相似。 霍尔元件材料为什么必须用半导体材料？ 用金属材料可以么？ 霍尔元件材料为什么必须用薄片？ 用厚片可以么？ Date7 5.1 霍尔元件的结构及工作原理 5.1.3 霍尔元件材料 : 霍尔元件Date8 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。EH=SH IB 5.1 霍尔元件的结构及工作原理 5.1.4、影响霍尔电动势的因素 Date9 5.1 霍尔元件的结构及工作原理 磁感应强度B为零时的情况 C D A B 磁感应强度B较小时的情况,作用在半导体薄片上的磁场强 度B越小，霍尔电势也就越低。EH=SHIB Date10 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（与薄片垂直的方向）的分量 ，即Bcos，这时的霍尔电势为: 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。 EH=SHIBcos 5.1 霍尔元件的结构及工作原理 5.1.4、影响霍尔电动势的因素 Date11 5.2 霍尔元件的主要技术指标 5.2.1 最大磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯？ 线性区 Date12 5.2.2 额定激励电流IH : 使霍尔元件温升10所施加的控制电流值称为额 定激励电流。通常用IH表示。由于霍尔电势随激励电 流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电 流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的 温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种 型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值 从几毫安至十几毫安。 以下哪一个激励电流的数值较为妥当？ A、5A B、0.1mA C、2mA D、80mA 5.2霍尔元件的主要技术指标 Date13 5.2.3 输入电阻Ri : 它是指控制电流极间的电阻值。它规定要在室 温(205)的环境温度中测取。 5.2霍尔元件的主要技术指标 5.2.4 输出电阻RL ： 它是指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在 (205)的条件下测取。 当霍尔元件通以控制电流IH而不加外磁场时，它的 霍尔输出端之间仍有空载电势存在，称为不等位电势。 5.2.5 不等位电势E0 Date14 5.2.6 寄生直流电势 V0: 5.2霍尔元件的主要技术指标 当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时， 霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和。其中 的交流霍尔电势与前述零位电势相对应，而直流霍尔 电势是个寄生量，称为寄生直流电势V。 5.2.7 热阻RQ: 它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上 输入lmW的电功率时产生的温升，单位为/mW。所 以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定条件下 与电阻有关。Date15 5.3 霍尔传感器集成电路 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。 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。 线性型三端 霍尔集成电路 5.3.1 线性型霍尔传感器特性 Date16 5.3.1 线性型霍尔传感器特性 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。 请画出线性范围 Date17 5.3.2、开关型霍尔传感器集成电路 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。较典型的开关型 霍尔器件如UGN3020等。 5.3 霍尔传感器集成电路 Date18 Vcc OC门 施密特 触发电路 双端输入 单端输出运放 霍尔 元件 . 5.3 霍尔传感器集成电路 开关型霍尔集成电路的外形及内部电路 5.3.2、开关型霍尔传感器集成电路 Date19 请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来. 5.3 霍尔传感器集成电路 开关型霍尔集成电路（OC门输出）的接线 5.3.2、开关型霍尔传感器集成电路 Date20 开关型霍尔集成电路 与继电器的接线 ? Date21 开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越 大，抗振动 干扰能力就 越强。 当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉时输出 翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多少特斯拉时输出 再次翻转？回差为多少特斯拉？相当于多少高斯（Gs）？ 5.3.2、开关型霍尔传感器集成电路 Date22 5.4 霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函数，即 EH=SHIBcos 。利用这个关系可以使其中两个量不变， 将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两 个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。 霍尔传感器优点：磁场敏感、结构简单、体积小、频率 响应宽、 输出电压变化大和使用寿命长等优点，因 此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到 广泛的应用。 Date23 讫今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有 ： 分电器上作信号传感器; ABS系统中的速度传感器; 汽车速度表和里程表; 液体物理量检测器; 各种用电负载的电流检测及工作状态诊断; 发动机转速及曲轴角度传感器; 各种开关，等等; 5.4 霍尔传感器的应用 Date24 n霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出， 可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。例 如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将 这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位 、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元 接口，可实现自动检测。目前的霍尔器件都可承受 一定的振动，可在零下40摄氏度到零上150摄氏度 范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适 应汽车的恶劣工作环境。 5.4 霍尔传感器的应用 Date25 5.4 霍尔传感器的应用 1、霍尔接近开关 2、霍尔特斯拉计（高斯计） 3、霍尔转速表 4、霍尔式无触点汽车电子点火装置 5、霍尔式无刷电动机 6、霍尔式电流传感器 7、霍尔钳形电流表 8、霍尔式位移传感器 9、霍尔式压力传感器 Date26 n1、霍尔接近开关 霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成 的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关 时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使 开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性 物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关 的检测对象必须是磁性物体。 5.4 霍尔传感器的应用 Date27 1、霍尔接式近开关 当磁铁的有效磁极接 近、并达到动作距离时， 霍尔式接近开关动作。霍 尔接近开关一般还配一块 钕铁硼磁铁。 Date28 用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能 用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭 合磁场。 在右图中，当磁铁随运 动部件移动到距霍尔接近开 关几毫米时，霍尔IC的输出 由高电平变为低电平，经驱 动电路使继电器吸合或释放 ，控制运动部件停止移动（ 否则将撞坏霍尔IC）起到限 位的作用。 1、霍尔接式近开关 Date29 霍尔式接近开关用于转速测量演示 n= 60 f 4 (r/min) 软铁分流翼片 开关型霍尔IC T 1、霍尔接式近开关 Date30 2、霍尔特斯拉计（高斯计） 霍尔元件 Date31 霍尔高斯计（特斯拉计）的使用 霍尔元件 磁铁 2、霍尔特斯拉计（高斯计） Date32 霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件 测量铁心 气隙的B值 2、霍尔特斯拉计（高斯计） Date33 3、霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机 械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统 靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而 周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直 、放大、整形后可以确定被测物的转速。 S N 线性霍尔 磁铁 Date34 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔 元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后 输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件 时，输出为低电平。 霍尔转速表原理 3、霍尔转速表 Date35 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。 用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于 控制刹车力的大小。 带有微 型磁铁 的霍尔 传感器 钢质 霍尔 霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用 3、霍尔转速表 Date36 霍尔转速表的其他安装方法 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突 起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电 势的变化，产生转速信号。 霍尔元件 磁铁 3、霍尔转速表 Date37 4、霍尔式无触点汽车电子点火装置 采用霍尔式无 触点电子点火装置能 较好地克服汽车合金 触点点火时间不准确 、触点易烧坏、高速 时动力不足等缺点。 汽车点火线圈 高压输出接头 12V低压电源输入接头 Date38 4、霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理 采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火 时间准确、高速时动力足。 桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图 1-触发器叶片 2-槽口 3-分电器转轴 4-永久磁铁 5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC） a）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成 电路之间的安装关系 c）叶片位置与点火正时的关系 Date39 当叶片遮挡在霍尔IC面前时，PNP型霍尔IC的输出为低电平，晶体管 功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的 形式储存在点火线圈的铁心中。 汽车电子点火电路及波形 1点火开关 2达林顿晶体管功率开关 3点火线圈低压侧 4点火线圈铁心 5点火线圈高压侧 6分火头 7火花塞 a）电路 b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形 当叶片槽口转到 霍尔IC面前时，霍尔 IC输出跳变为高电平 ，经反相变为低电平 ，达林顿管截止，切 断点火线圈的低压侧 电流。由于没有续流 元件，所以存储在点 火线圈铁心中的磁场 能量在高压侧感应出 3050kV的高电压。 4、霍尔式无触点汽车电子点火装置 Date40 汽车电子点火装置使用的 点火控制器、霍尔传感器及点火总成 磁铁 点火总成 4、霍尔式无触点汽车电子点火装置 Date41 5、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 Date42 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 5、霍尔式无刷电动机 Date43 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 ；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 内定子线圈与外转子 之间产生连续转矩， 具有效率高、无火花 、可靠性强等特点。 无刷电动机在电动自行车上的应用 5、霍尔式无刷电动机 Date44 电动自行车的无刷电动机及控制电路 去速度 控制器 利用 PWM 调速 5、霍尔式无刷电动机 Date45 光驱用的无刷电动机内部结构 5、霍尔式无刷电动机 Date46 霍尔电流传感器 将被测电流的 导线穿过霍尔电流 传感器的检测孔。 当有电流通过导线 时，在导线周围将 产生磁场，磁力线 集中在铁心内，并 在铁心的缺口处穿 过霍尔元件，从而 产生与电流成正比 的霍尔电压。 6、霍尔式电流传感器 Date47 霍尔电流传感器演示 铁心 线性霍尔IC EH=SH IB 所实现的多媒体界面： Date48 其他霍尔 电流传感器 6、霍尔式电流传感器 Date49 其他霍尔电流 传感器 6、霍尔式电流传感器 Date50 压舌 豁口 霍