第8章 霍尔传感器

2023/10/171第八章霍尔传感器

本章介绍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，还涉及交直流霍尔电流传感器、霍尔电压传感器的原理及输出信号的换算。

霍尔元件是一种四端元件現在時間是：*2023/10/172第一节霍尔元件的工作原理及特性第二节霍尔集成电路第三节霍尔传感器的应用第八章霍尔传感器目录进入进入进入有一些页面的文字较多，

请教师根据自己的专业方向做减法。2023/10/173第一节霍尔元件的结构及工作原理

一、工作原理

霍尔效应:半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中,磁场方向垂直于薄片,当有电流I流过薄片时,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH,导电薄膜越薄,灵敏度就越高。

2023/10/174影响霍尔电动势的因数

流入激励电流端（a、b）的电流Iab越大，电子和空穴的积累就越多，霍尔电动势也就越高。作用在薄片上的磁感应强度B越强，电子受到的洛仑兹力也越大，霍尔电动势也就越高。半导体材料中的电子浓度越小、薄片的厚度越薄，霍尔电动势就越大。霍尔元件的工作原理分析

半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。

磁感应强度B为零时的情况cdab磁感应强度B

较大时的情况

作用在半导体薄片上的磁感应强度B越强，洛伦兹力（左手定律，既适合于正电荷，要适合于负电荷）就越大霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：

EH=KHIBabcd磁场垂直于霍尔元件时的霍尔效应演示

当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧（d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。cdabdabc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

，这时的霍尔电动势为

EH=KHIBcos

磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势演示结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比。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，霍尔电势为同频率的交变电势。aacdb二、霍尔元件的主要特性参数

1.

输入电阻：霍尔元件两激励电流端的直流电阻。数值从几十欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高，输入电阻变小，从而使输入电流Iab变大，最终引起霍尔电势变大。为了减少这种影响，最好采用恒流源作为激励源。2．输出电阻Ro：霍尔元件两激励电压端的直流电阻，需要阻抗匹配。

恒流源：输出电流保持恒定的电流源，不受温度、电路电源电压等外界环境量的影响。霍尔元件的主要特性参数（续）

3.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？8μA

0.8mA

8mA

80mA

霍尔元件的主要特性参数（续）

4．灵敏度KH

KH=EH/(IB)，它的单位为mV/(mA·T)。5．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？（1T＝104Gs）线性区mV调零后的B/Uo曲线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。1.线性型霍尔集成电路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回目录双端输出的线性型霍尔元件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。当输出特性曲线明显不线性（例如5%以上）时，认为被测磁感应强度超出了线性区。请画出线性范围双端输出的霍尔集成电路的调零

当UGN3501M感受的磁场为零时，调节5、6、7之间的调零电位器，可使第1引脚相对于第8引脚的输出电压等于零。2.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。当外加磁感应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；当外加磁感应强度低于释放点时，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。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.开始接线开关型霍尔集成电路

与继电器的接线?接线完毕开关型霍尔集成电路的史密特输出特性

施密特触发器的输入有两个阀值VL和VH，可用作缓冲器,消除输入端的干扰。史密特的输出特性的回差越大,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）？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。这使得霍尔传感器可以有许多用途。霍尔传感器主要用于测量能够转换为磁场变化的其他物理量。回目录一、霍尔特斯拉计（高斯计）

霍尔元件什么是特斯拉计、高斯计

特斯拉计也称高斯计，是测量物体于空间上一个点的静态或动态(交变)磁感应强度的仪器。物体发出的磁力线垂直穿过霍尔传感器，从而产生与被测B成正比的输出电压,由液晶板显示出磁感应强度。单位为特斯拉(T)或高斯(Gs)。１T（特斯拉)＝1000mT（毫特斯拉）＝10000Ｇs（高斯）测量范围：+/-19999.

9Gs信噪比：0.01Gs分辨力：0.01Gs霍尔元件测量被测物剩磁霍尔高斯计（特斯拉计）的使用

霍尔元件

测量磁铁的磁极方向及剩磁数值霍尔传感器用于测量磁感应强度

霍尔元件测量电磁绕组铁心气隙的B值B二、霍尔式转速表

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，将线性形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、整形后就可以确定被测物的转速齿轮齿数为z三、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，采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号控制IGBT，完成电枢电流的换向，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霍尔式无刷电动机

采用霍尔开关来检测转子和定子之间的相对位置，经编码和逻辑换向电路，触发功率开关，从而控制电枢绕组电流的换向，维持电动机的正常运转。1－定子底座2－定子铁心3－霍尔开关4－三相绕组电枢线圈5－外转子6－转轴7－磁极无刷电动机在电动自行车上的应用

无刷电动机36~72V电池组内定子线圈照片无刷电动机在电动自行车上的应用（续）

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永磁磁极之间产生连续转矩。具有效率高、无火花、可靠性强等特点。电动自行车的无刷电动机及控制电路

接速度控制器PWM调速

三相无刷电动机的结构无刷电动机由定子(有内定子与外定子之分)、转子(有外转子与内转子之分)、霍尔位置传感器及换相IGBT电路组成,定子绕组多采用三相星形方式连接。外定子内定子直流无刷电机中一般安装3个霍尔传感器，间隔120度或60度按圆周分布。如果间隔120度，则3个霍尔传感器的输出波形相差120度电角度；输出信号中高、低电平各占180度电角度。如果规定输出信号高电平为“1”，低电平为“0”，则输出的三个信号可用3位二进制编码表示。霍尔直流无刷电机的主电路光驱用的

无刷电动机

内部结构外转子式无刷电动机的定子绕组四、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。霍尔式接近开关(续)

用霍尔IC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。

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，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），起限位的作用。a）外形b）接近式c）滑过式d）分流翼片式1－运动部件2－软铁分流翼片霍尔式接近开关用于

转速测量演示n=60f4(r/min)软铁分流翼片

开关型霍尔IC

T2023/10/1739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。此处应采用线性霍尔传感器。SN线性霍尔磁铁2023/10/1740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、整形后输出低电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，磁力线从上下侧通过，输出为高电平。2023/10/1741霍尔转速传感器在汽车防抱死装置

（ABS）中的应用

（具体见第十三章课件）

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。多数汽车的底盘上海安装有“地面多普勒雷达”。与ABS配合,检测汽车的直线运动速度。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔霍尔转速表的其他安装方法

只要黑色金属（导磁体）旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁感应强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速脉冲。霍尔元件磁铁五、霍尔电流传感器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。将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。霍尔电流传感器演示(续)铁心线性霍尔IC

EH=KBB=

KI

I

I导线穿过霍尔电流传感器铁心的过程I

穿过铁心的磁感应强度B与被测电流I比成正。霍尔IC的输出电动势EH与B成正比，所以也与被测电流I比成正。其他霍尔

电流传感器其他霍尔电流

传感器（续）霍尔式钳形电流表（交直流两用)

(“电流互感器”只能用于交流电流的测量）压舌豁口霍尔式钳形电流表演示直流200A量程

被测电流的导线未放入铁心时示值为零。70.9A钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示霍尔式钳形电流表演示70.9A霍尔式钳形电流表的使用（续）被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的铁心张开将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中

将空调电源的“三芯护套线”夹到钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？各种霍尔电流传感器的使用磁力线磁力线导线必须处于铁心的中央位置霍尔式钳形电流表的使用（续）叉形钳形表的漏磁稍大，但使用方便

用钳形表测量电动机的相电流霍尔式电流

谐波分析仪

被测电流的谐波频谱铁心的缝隙

铁心的杠杆压舌谐波分析仪将非正弦周期性电流信号按傅立叶级数展开，得到频率为基波频率整数倍的各正弦分量幅值。霍尔电流传感器的技术指标某型号霍尔电流传感器技术指标额定输入电流（交直流两用）：300A

额定输出电压：5V，或额定输出电流：4~20mA电源电压：±15V

失调电压：25mV

失调电压漂移：≤±1mV/℃

线性度：≤1%FS

响应时间：≤2μS

绝缘电压：50Hz，2.5kV（1min）

工作温度：-10～+70℃

匝数比：1:2000

現在時間是：*霍尔电流传感器的技术指标与计算

“匝数比”i

：根据磁场有关定律，同一个铁心中的一次绕组与二次绕组必须有相等的“安匝数”，即：

IPNP=ISNS，或IPN被定义为一次额定电流;ISN被定义为二次额定电流。通常“一次线圈”

NP=1；NSN为厂家所设定的“额定二次线圈的匝数”。下标中的“N”表示“额定”。额定电流比KN=IPN/ISN；匝数比i=NP/NS；KN=i。开环型的磁强计式霍尔电流传感器没有二次侧线圈。磁平衡式霍尔电流传感器示意图.高职资料咨询电话尔电流传感器的匝数比计算例1:设某型号霍尔电流传感器的额定匝数比NPN/NSN=1:300，标准额定电流(最大被测电流)IPN=30A，二次线圈的额定负载电阻RSN=30Ω。通电后，用电流表测得二次电流IS=75mA，求：1）输出到弱电回路的输出电压US；2）额定二次电流ISN；3）被测电流IP。解：1）US=RS×IS=30Ω×0.075A=2.25V2）根据匝数比等于电流比，额定二次电流3）根据匝数比等于电流比，被测电流IP为：

霍尔电流传感器的电流比计算（续）

电流比定义