传感器技术与应用 第5版 课件 第6章 霍尔传感器及其他磁传感器

第6章霍尔传感器及其他磁传感器

6.1霍尔传感器工作原理

6.2霍尔传感器

6.3其他磁传感器

6.4霍尔传感器及其他磁传感器应用实例

6.5实训6.1霍尔传感器工作原理6.1.1霍尔效应在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象称为霍尔效应。

如图6-1所示，长、寛、高分别为L、W、H的N型半导体薄片的相对两侧a、b通以控制电流，在薄片垂直方向加以磁场B。在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由c側指向d側方向力的作用，这个力就是洛仑兹力，大小为FL=qvB

图6-1霍尔效应与霍尔元件（a）霍尔效应（b）霍尔元件结构（c）图形符号（d）外形

c、d两端面因电荷积累而建立了一个电场EH

，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡。这时有qEH

=qvB

霍尔电场的强度为EH=vB

在c与d两側面间建立的电势差称为霍尔电压：UH=EHW或UH=vBW

当材料中的电子浓度为n时，，

电子速度为得：设：得霍尔电压：设：得：

式中RH为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱;KH为霍尔灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小。可以看出，霍尔电压UH大小（1）与材料的性质有关。（2）与元件的尺寸有关。（3）与控制电流及磁场强度有关。6.1.2霍尔元器件的主要技术参数利用霍尔效应制成的磁电转换元件称为霍尔元件。霍尔元件由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1′两根引线加激励电流，称为激励电极；2、2′引线为霍尔电压输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。霍尔元件（c）外型结构示意图（d）图形符号霍尔元件主要技术参数为：

1.输入电阻RIN和输出电阻ROUT；

2.额定控制电流IC；

3.不等位电势U0，即未加磁场时的输出电压，一般小于1mV；

4.霍尔电压UH；

5.霍尔电压的温度特性。6.2霍尔传感器6.2.1霍尔开关集成传感器霍尔开关集成传感器是利用霍尔元件与集成电路技术制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。图6-2所示为内部组成框图。当有磁场作用在霍尔开关集成传感器上时，霍尔元件输出霍尔电压UH。一次磁场强度变化，使传感器完成一次开关动作。

图6-2霍尔开关集成传感器内部框图

具有使用寿命长，无触点磨损，无火花干扰，无转换抖动，工作频率高，温度特性好，能适应恶劣环境等优点。常见型号有UGN-3020,UGN-3030,UGN-3075。工作电压为4.5～25V，输出低电平<0.04mV。常用于：点火系统、保安系统、转速测量、里程测量、机械设备限位开关、按钮开关、电流的测量和控制、位置及角度的检测，等等。6.2.2霍尔线性集成传感器霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系。一般由霍尔元件和放大器组成，

当外加磁场时，霍尔元件产生与磁场成线性的霍尔电压，经放大器放大后输出。霍尔线性集成传感器有单端输出型和双端输出型两种，

典型产品分别为SL3501T和SL3501M两种。

图6-3为SL3501T，单端输出型，工作电压8～12V，输出电压2.5～5V，灵敏度3500～7000mV/mA·T。

图6-3单端输出型传感器的电路结构

图6-4为SL3501M，双端输出型，两个输出端输出正、负差分信号，还可提供输出失调调零。工作电压8～16V，输出电压0～3.6V，灵敏度700～1400mV/mA·T。霍尔线性集成传感器常用于：位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量和控制。图6-4双端输出型传感器的电路结构

6.3其他磁传感器6.3.1磁阻元器件当霍尔元件受到与电流方向垂直的磁场作用时，不仅会出现霍尔效应，而且还会出现半导体电阻率增大的现象，称为磁阻效应。利用磁阻效应做成的电路元件，叫磁阻元器件。1.基本工作原理在没有外加磁场时，磁阻元件的电流密度矢量，如图6-5(a)所示。当磁场垂直作用在磁阻元件表面上时，由于霍尔效应，使得电流密度矢量偏移电场方向某个霍尔角θ，如图6-5(b)所示。这使电流流通的途径变长，导致元件两端金属电极间的电阻值增大。

(a)在无磁场时

(b)有磁场作用时图6-5磁阻元器件工作原理示意图

2.磁阻元器件的基本特性1）B-R特性磁阻元器件的B-R特性，用无磁场时的电阻R0和磁感应强度为B时的电阻RB来表示。2）灵敏度K

磁阻元器件的灵敏度K，可由下式表示，即

K=R3/R0一般来说，磁阻元件的灵敏度

K≥2.7

3）温度系数磁阻元器件的温度系数约为‐2%/℃，是比较大的。可以用两个磁敏元件串联起来，采取分压输出，可以大大改善元件的温度特性。3.磁阻元器件的应用磁阻元器件阻抗低、阻值随磁场变化率大、可以非接触式测量、频率响应好、动态范围广及噪声小，可广泛应用于：无触点开关、压力开关、旋转编码器、角度传感器、转速传感器等场合。6.3.2磁敏二极管可以将磁信息转换成电信号，具有体积小、灵敏度高、响应快、无触点、输出功率大及性能稳定等特点。它可广泛应用于磁场的检测、磁力探伤、转速测量、位移测量、电流测量、无触点开关、无刷直流电机等许多领域。1、磁敏二极管的基本结构及工作原理如图6-6所示。它是平面P+-i-N+型结构的二极管。在高纯度半导体锗的两端掺高杂P型区和N型区。

i区是高纯空间电荷区，i区的长度远远大于载流子扩散的长度。在i区的一个侧面上，再做一个高复合区r，在r区域，载流子的复合速率较大。图6-6磁敏二极管的结构

在电路连接时，P+区接正电压，N+区接负电压。在没有外加磁场情况下，大部分空穴和电子分别流入N区和P

区而产生电流，只有很少部分载流子在r区复合，如图6-7(a)所示。若给磁敏二极管外加一个磁场B，在正向磁场的作用下，空穴和电子受洛仑兹力的作用偏向r区，如图6-7(b)所示。图6-7磁敏二极管的工作原理

由于空穴和电子在r区的复合速率大，此时磁敏二极管正向电流减小，电阻增大。当在磁敏二极管上加一个反向磁场B时，载流子在洛仑磁力的作用下，均偏离复合区r，见图6-7(c)所示。此时磁敏二极管正向电流增大，电阻减小。2.磁敏二极管的主要技术参数和特性(1)灵敏度当外加磁感应强度B为±0.1T时，输出端电压增量与电流增量之比称为灵敏度。(2)工作电压U0和工作电流I0

在零磁场时加在磁敏二极管两端的电压、电流值。(3)磁电特性在弱磁场及一定的工作电流下，输出电压与磁感应强度的关系为线性关系。在强磁场下则成非线性关系。(4)伏安特性在负向磁场作用下，磁敏二极管电阻小，电流大；在正向磁场作用下，磁敏二极管电阻大，电流小。如图6-8所示。图6-8磁敏二极管的伏安特性

6.3.3磁敏晶体管磁敏晶体管是一种新型的磁电转换器件,该器件的灵敏度比霍尔元件高得多，同样具有无触点、输出功率大、响应快、成本低等优点。其在磁力探测、无损探伤、位移测量、转速测量等领域有广泛的应用。1.磁敏晶体管的基本结构及工作原理图6-9（a）是无外磁场作用情况。

由于i区较长，在横向电场作用下，发射极电流大部分形成基极电流，小部分形成集电极电流。图6-9（b）是有外部正向磁场B+作用的情况，电子向复合区偏转。图6-9磁敏晶体管工作原理示意图

图6-9（c）是有外部反向磁场B-作用的情况，电子偏离复合区。会引起集电极电流的减少或增加。因此，可以用磁场方向控制集电极电流的增加或减少，

用磁场的强弱控制集电极电流增加或减少的变化量。2.磁敏晶体管的主要技术特性1）磁灵敏度h±

指当基极电流恒定，外加磁感应强度B=0时的集电极电流ICO与外加磁感应强度B=±0.1T时的集电极电流IC±相对变化值，即：2）磁电特性在基极电流恒定时，集电极电流与外加磁场的关系。在弱磁场作用下，特性接近线性。3）温度特性集电极电流的温度特性具有负的温度系数。对温度较敏感，实际使用时应进行温度补偿。

6.4霍尔传感器及

其他磁传感器应用实例6.4.1霍尔汽车无触点点火器

如图6-10所示，磁轮鼓代替了传统的凸轮及白金触点。发动机主轴带动磁轮鼓转动时，霍尔器件感受的磁场极性交替改变，输出一连串与汽缸活塞运动同步的脉冲信号去触发晶体管功率开关，点火线圈两端产生很高的感应电压，使火花塞产生火花放电，完成汽缸点火过程。

图6-10霍尔点火装置示意图1-磁轮鼓2-开关型霍尔集成电路3-晶体管功率开关4-点火线圈5-火花塞

6.4.2霍尔无刷直流电机

如图6-11所示，在定子上安有12只霍尔元器件，直流电流加在霍尔元器件上。

转子由永久磁铁做成，其磁场作用于霍尔元器件。

霍尔元器件输出霍尔电压激励12只电枢线圈，电枢线圈安排放置在定子槽中，使其产生的磁场超前于永久磁铁转子磁场30°。

转子受超前的磁场吸引，转到下一个霍尔元器件位置，又产生新的超前磁场和被吸引转动。如此持续不断，就产生了电动机的连续转动。

改变直流电流大小可以改变电动机转速，速度-转矩的线性度好，调速平稳，但电流不能太大。

由于不存在电刷磨损问题，使用寿命长，可靠性高。

图6-11霍尔无刷电机的结构图

1轴2外壳3电路4定子5线圈6霍尔元件7永磁转子

6.4.3磁卡及磁卡阅读器

磁卡（包括带磁条的银行存折）一般作为识别卡用。

所谓识别卡，是指一种标识其持卡人和发行者的卡，卡上载有进行该卡预期应用所要求输入的数据。

一般将磁条贴在磁卡的背面，磁条可读表面厚度0～0.038mm。

磁条上记录的信息采用调频制编码，1个时钟周期对应1个二进制数位。

在每个时钟周期的开始，磁通都要变化一次。

在时钟周期的中间另有磁通变化则表示二进制数“1”，若无变化则为二进制数“0”，如图6-12所示。图6-12磁条信息调频制编码示意图

磁条中有3条编码磁道，磁道之间有间隔。离磁卡边最近的是1磁道。

磁道1和磁道2是只读磁道，磁道3是读写磁道。

各磁道的编码信息有主帐号、国家、持卡人姓名、失效日期、服务范围、货币类型、可用金额指数、允许输错次数、校验码等。

一般应用的磁卡可只使用1磁道，性能和密级高的磁卡使用3条磁道。

刷卡的速度为10cm/s～120cm/s。

由3个带磁芯的自感或互感传感器组成的磁头，在刷卡的过程中通过感应磁条上磁性（磁阻）的变化来读取数据，相当灵敏，准确度很高。ATM机的基本组成如图6-13所示。图6-13ATM机基本组成框图

读卡设备和用户键盘将刷卡和按键输入的用户帐号和密码等信息送入ATM机专用计算机。

专用计算机通过网络交换中心与发卡银行主机联系。

检查帐号的合法性，是否超过有效期，验证密码，按银行主机回答码对用户的操作进行响应，通过专用计算机接口驱动点钞机、打印机进行点钞输出和打印输出。6.4.4地震动传感器

目前应用较多的地震动传感器如图6-14所示，由动圈磁电感应式传感器组成。

当传感器受到震动后，外壳带动线圈一起运动，由于惯性，永磁体保持静止，因此永磁体与线圈之间产生相对运动，线圈切割永磁体磁力线产生感应电动势，感应电动势的大小与地震动幅度成正比关系。图6-14小型地震动传感器6.5实训6.5.1干簧管开门播放音乐电路装配与调试

干簧管是最简单的磁控机械开关，由带磁性和不带磁性的两个触点构成。

图6-15所示为房门打开播放音乐电路。

常闭型干簧管及其电路安装在门框上，磁铁安装在门上，拉开房门，磁铁磁场离开，常闭型干簧管的两个触点闭合，电源接通，音乐集成电路输出，经放大器驱动扬声器播放音乐。图6-15干簧管开门播放音乐电路（1）备齐元器件和常闭型干簧管；

（2）在多功能电路板上装配该电路，试验电路性能。

（3）将常闭干簧管改为磁敏二极管，试验电路性能。6.5.2磁感应强度测量仪电路装配与调试

磁感应强度测量仪采用SL3501M霍尔线性集成传感器，电路如图6-16所示。使用时，只要使传感器的正面面对磁场，便可测得磁场的磁感应强度。装调该磁感应强度测量仪电路,并用该磁感应强度测量仪测量电线中流过的直流电流强度，过程如下：