霍尔式传感器

本文格式为Word版，下载可任意编辑——霍尔式传感器第4章磁电式传感器

磁电式传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。磁电感应式传感器、霍尔式传感器都是磁电式传感器。磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电势的；霍尔式传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应(霍尔效应)而输出电势的。它们原理并不完全一致，因此各有各的特点和应用范围。

4.1霍尔式传感器本章要点

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4.1霍尔式传感器

霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量、如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。

?霍尔效应和霍尔元件材料?霍尔元件构造及测量电路?霍尔元件的主要技术指标?霍尔元件的补偿电路

?霍尔式传感器的应用举例

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4.1.1霍尔效应和霍尔元件材料

?

??

霍尔效应

现象：一个宽为b,厚为a的半导体处于磁场中，当通有电流时，其两端会产生电场——霍尔效应。

F??原因：洛仑兹力?fL?qv?B电场力??L

动态平衡

fE?qEHFE

EH是霍尔电场；UH是霍尔电势（电压）。且

??UHfL?fE?qvB?qEH?qbUH?bvB返回

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4.1.1霍尔效应和霍尔元件材料

dqII??navbe?v?利用

dtneabIBUH?代入UH得nea1RHR?KH?式中Hne是系数霍尔，是霍尔元件灵敏度。

a则

UH?KHIBIB对N型半导体UH?(?)，

neaIB对P型半导体UH?,p为空穴密度。

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4.1.1霍尔效应和霍尔元件材料

????霍尔元件材料

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像。

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4.1.2霍尔元件构造及测量电路

?霍尔元件结构:a，b为控制极（通电流），c，

d为霍尔电极（输出霍尔电压）。?霍尔片

?四极引线及电路符号：1为控制极，2为霍尔电

极?壳体

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4.1.2霍尔元件构造及测量电路

?测量电路

霍尔元件的基本测量电路如下图。鼓舞电流由电源E供给，可变电阻R用来调理鼓舞电流I的大小。RL为输出霍尔电势UH的负载电阻。寻常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。

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4.1.3霍尔元件的基本误差及其补偿

一、零位误差

?定义：不加控制电流或磁场时，出现的霍尔电势。?产生：

(1)不等位电势——不加磁场时，出现的霍尔电势（主要零位误差）。

?原因：控制电极不对称引起；

?解决方法：在1，2电极之间加电阻。

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4.1.3霍尔元件的基本误差及其补偿

(2)寄生直流电势——通交流控制电流时，除交流不等位电势外，存在直流电势分量。

?原因：（a）控制电极与霍尔电极接触不良

引起整流效应；

（b）霍尔电极焊点大小不一致引起

的温差电势。

?解决方法：（a）改善电极接触性能和元件的散热条件;

（b）均匀散热（有效措施）。

(3)感应零电势Ui0——无控制电流时，在脉动磁场作用下而产生的零位电势；

?原因：设

B?B0sinωtdBUi0??A??2?AfB0cosωtdt则

说明：它与霍尔电势极引线构成的

感应面积A成正比。

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4.1.3霍尔元件的基本误差及其补偿

?解决方法：

改变引线走向，使霍尔电势极引线围成的感应面积A所产生的感应电势相互抵消。

(4)自激场零电势——由控制电流产生的（自激）磁场的不对称所引起的零位电势。

?原因：

?当元件的左右两半场相等时，所产生的电势方向相反而抵消。

?当元件的左右两半场不（控制电流引线也产生磁场）相等时，所产生的电势方向相反而抵消。

?解决方法：适当安排控制电流引线。

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4.1.3霍尔元件的基本误差及其补偿

二、温度影响

?内阻——输入电阻Ri（控制电流两端之间的电阻）和输出电阻R0（霍尔电势两输出端的电阻）?温度影响——包含Ri(t)、R0(t)和UH(t)。

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4.1.3霍尔元件的基本误差及其补偿

?补偿方法

?输入端补偿——恒流源补偿法

当R0

4.1.6霍尔式传感器的应用举例

?应用举例（3）——各种霍尔转速传感器的结构

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。

磁铁霍尔元件

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4.1.6霍尔式传感器的应用举例

?应用举例（4）——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和保持车轮的转动，有助于控制刹车力的大小和防止侧偏。

带有微型磁铁的霍尔传感器

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4.1.6霍尔式传感器的应用举例

?应用举例(5)——霍尔传感器应用于无触点汽车电子点火(1)

采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间确凿、高速时动力足。霍尔式分电器示意图如下：

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

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汽车点火线圈

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4.1.6霍尔式传感器的应用举例

?应用举例(5)——霍尔传感器应用于无触点汽车电子点火(2)

点火原理：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。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。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

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4.1.6霍尔式传感器的应用举例

?应用举例（6）——霍尔传感器应用于无刷电动机(1)

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。直流无刷电机使用永磁转子，在定子的适当位置放置若干个(至少2个)的霍尔器件，利用测量转角的原理，判断转子的角度，在适当位置让某个霍尔