08第八章 霍尔传感器.ppt

2020 2 19 1 第八章霍尔传感器 本章主要学习霍尔传感器的工作原理 霍尔集成电路的特性及其在检测技术中的应用 还涉及磁场测量技术 霍尔元件是一种四端元件 2020 2 19 2 第一节霍尔元件的结构及工作原理 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 c d a b 2020 2 19 3 1 霍尔效应置于磁场中的静止载流导体 当它的电流方向与磁场方向不一致时 载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势 这种现象称霍尔效应 该电势称霍尔电势 如图所示 在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板 导电板通以电流I 方向如图所示 导电板中的电流使金属中自由电子在电场作用下做定向运动 此时 每个电子受洛伦兹力fl的作用 fl的大小为 fl eBv 式中 e 电子电荷 v 电子运动平均速度 B 磁场的磁感应强度 2020 2 19 4 霍尔效应原理图 2020 2 19 5 fl的方向在图中是向内的 此时电子除了沿电流反方向作定向运动外 还在fl的作用下漂移 结果使金属导电板内侧面积累电子 而外侧面积累正电荷 从而形成了附加内电场EH 称霍尔电场 该电场强度为 式中 UH为电位差 2020 2 19 6 霍尔电场的出现 使定向运动的电子除了受洛伦兹力作用外 还受到霍尔电场力的作用 其力的大小为eEH 此力阻止电荷继续积累 随着内 外侧面积累电荷的增加 霍尔电场增大 电子受到的霍尔电场力也增大 当电子所受洛伦磁力与霍尔电场作用力大小相等方向相反 即 eEH eBv 时 则 EH vB 此时电荷不再向两侧面积累 达到平衡状态 2020 2 19 7 若金属导电板单位体积内电子数为n 电子定向运动平均速度为v 则激励电流I nevbd 即 式中令RH 1 ne 称之为霍尔常数 其大小取决于导体载流子密度 则 式中 KH RH d称为霍尔片的灵敏度 由上式可见 霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度 其灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比 为了提高灵敏度 霍尔元件常制成薄片形状 2020 2 19 8 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 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EH KHIBcos 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 2020 2 19 9 霍尔元件激励极间电阻R l bd 同时R U I El I vl nevbd 因为 v E 为电子迁移率 则 解得 RH 半导体 材料性能好 1 霍尔元件的材料 2020 2 19 10 从式可知 霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率 的乘积 若要霍尔效应强 则希望有较大的霍尔系数RH 因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率 一般金属材料载流子迁移率很高 但电阻率很小 而绝缘材料电阻率极高 但载流子迁移率极低 故只有半导体材料才适于制造霍尔片 目前常用的霍尔元件材料有 锗 硅 砷化铟 锑化铟等半导体材料 其中N型锗容易加工制造 其霍尔系数 温度性能和线性度都较好 N型硅的线性度最好 其霍尔系数 温度性能同N型锗 锑化铟对温度最敏感 尤其在低温范围内温度系数大 但在室温时其霍尔系数较大 砷化铟的霍尔系数较小 温度系数也较小 输出特性线性度好 表7 1为常用国产霍尔元件的技术参数 2020 2 19 11 2 霍尔元件基本结构霍尔元件的结构很简单 它是由霍尔片 四根引线和壳体组成的 如图 a 所示 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片 引出四根引线 1 1 两根引线加激励电压或电流 称激励电极 控制电极 2 2 引线为霍尔输出引线 称霍尔电极 霍尔元件的壳体是用非导磁金属 陶瓷或环氧树脂封装的 在电路中 霍尔元件一般可用两种符号表示 如图 b 所示 2020 2 19 12 霍尔元件 a 外形结构示意图 b 图形符号 2020 2 19 13 3 霍尔元件基本特性 1 额定激励电流和最大允许激励电流当霍尔元件自身温升10 时所流过的激励电流称为额定激励电流 以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流 因霍尔电势随激励电流增加而线性增加 所以使用中希望选用尽可能大的激励电流 因而需要知道元件的最大允许激励电流 改善霍尔元件的散热条件 可以使激励电流增加 2020 2 19 14 2 输入电阻和输出电阻激励电极间的电阻值称为输入电阻 霍尔电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源 其电源内阻即为输出电阻 以上电阻值是在磁感应强度为零 且环境温度在20 5 时所确定的 2020 2 19 15 3 不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的激励电流为I时 若元件所处位置磁感应强度为零 则它的霍尔电势应该为零 但实际不为零 这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势 如图7 11所示 产生这一现象的原因有 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等 2020 2 19 16 不等位电势示意图 2020 2 19 17 不等位电势也可用不等位电阻表示 即 式中 U0 不等位电势 r0 不等位电阻 I 激励电流 由上式可以看出 不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压 如上图所示 2020 2 19 18 4 寄生直流电势在外加磁场为零 霍尔元件用交流激励时 霍尔电极输出除了交流不等位电势外 还有一直流电势 称为寄生直流电势 其产生的原因有 激励电极与霍尔电极接触不良 形成非欧姆接触 造成整流效果 两个霍尔电极大小不对称 则两个电极点的热容不同 散热状态不同而形成极间温差电势 寄生直流电势一般在1mV以下 它是影响霍尔片温漂的原因之一 2020 2 19 19 5 霍尔电势温度系数在一定磁感应强度和激励电流下 温度每变化1 时 霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数 它同时也是霍尔系数的温度系数 2020 2 19 20 4 霍尔元件不等位电势补偿不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级 有时甚至超过霍尔电势 而实用中要消除不等位电势是极其困难的 因而必须采用补偿的方法 分析不等位电势时 可以把霍尔元件等效为一个电桥 用分析电桥平衡来补偿不等位电势 霍尔元件的等效电路 2020 2 19 21 其中A B为霍尔电极 C D为激励电极 电极分布电阻分别用r1 r2 r3 r4表示 把它们看作电桥的四个桥臂 理想情况下 电极A B处于同一等位面上 r1 r2 r3 r4 电桥平衡 不等位电势U0为0 实际上 由于A B电极不在同一等位面上 此四个电阻阻值不相等 电桥不平衡 不等位电势不等于零 此时可根据A B两点电位的高低 判断应在某一桥臂上并联一定的电阻 使电桥达到平衡 从而使不等位电势为零 几种补偿线路如图所示 图 a b 为常见的补偿电路 图 b c 相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻 图 d 用于交流供电的情况 2020 2 19 22 不等位电势补偿电路 2020 2 19 23 霍尔元件的主要外特性参数 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 2020 2 19 24 霍尔元件的主要外特性参数 续 最大激励电流IM 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 5 A0 1mA2mA80mA 2020 2 19 25 第二节霍尔集成电路 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 2020 2 19 26 线性型霍尔特性 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 2020 2 19 27 开关型霍尔集成电路 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 2020 2 19 28 开关型霍尔集成电路的外形及内部电路 OC门 施密特触发电路 双端输入 单端输出运放 霍尔元件 Vcc 2020 2 19 29 开关型霍尔集成电路 OC门输出 的接线 请按以下电路 将下一页中的有关元件连接起来 开关型霍尔集成电路与继电器的接线 2020 2 19 31 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 2020 2 19 32 第三节霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于I B 三个变量的函数 即EH KHIBcos 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 2020 2 19 33 1 霍尔式微位移传感器霍尔元件具有结构简单 体积小 动态特性好和寿命长的优点 它不仅用于磁感应强度 有功功率及电能参数的测量 也在位移测量中得到广泛应用 下图给出了一些霍尔式位移传感器的工作原理图 图 a 是磁场强度相同的两块永久磁铁 同极性相对地放置 霍尔元件处在两块磁铁的中间 由于磁铁中间的磁感应强度B 0 因此霍尔元件输出的霍尔电势UH也等于零 此时位移 x 0 若霍尔元件在两磁铁中产生相对位移 霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变 这时UH不为零 其量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量 这种结构的传感器 其动态范围可达5mm 分辨率为0 001mm 2020 2 19 34 霍尔式位移传感器的工作原理图 a 磁场强度相同传感器 b 简单的位移传感器 c 结构相同的位移传感器 图 b 是一种结构简单的霍尔位移传感器 是由一块永久磁铁组成磁路的传感器 在霍尔元件处于初始位置 x 0时 霍尔电势UH不等于零 图 c 是一个由两个结构相同的磁路组成的霍尔式位移传感器 为了获得较好的线性分布 在磁极端面装有极靴 霍尔元件调整好初始位置时 可以使霍尔电势UH 0 这种传感器灵敏度很高 但它所能检测的位移量较小 适合于微位移量及振动的测量 2020 2 19 35 2 霍尔式转速传感器下图是几种不同结构的霍尔式转速传感器 转盘的输入轴与被测转轴相连 当被测转轴转动时 转盘随之转动 固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲 检测出单位时间的脉冲数 便可知被测转速 根据磁性转盘上小磁铁数目多少就可确定传感器测量转速的分辨率 几种霍尔式转速传感器的结构 2020 2 19 36 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 2020 2 19 37 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 2020 2 19 38 霍尔转速表原理 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 2020 2 19 39 霍尔转速传感器在汽车防抱死装置 ABS 中的应用 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 2020 2 19 40 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 2020 2 19 41 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 2020 2 19 42 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 2020 2 19 43 霍尔式无触点汽车电子点火装置 续 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30 50kV的高电压 2020 2 19 44 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 2020 2 19 45 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 2020 2 19 46 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 2020 2 19 47 无刷电动机在电动自行车上的应用 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 2020 2 19 48 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 2020 2 19 49 光驱用的无刷电动机内部结构 2020 2 19 50 霍尔式接近开关 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 2020 2 19 51 霍尔式接近开关 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