《自动检测电子》课件-第七章 霍尔传感器及应用

第七章霍尔传感器及应用霍尔元件的结构及工作原理霍尔元件的特性参数及误差霍尔集成电路本章内容霍尔传感器的应用§1§3§2§4§1霍尔元件的结构及工作原理金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场（磁场方向垂直于薄片）中，如图7-1所示。当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH，这种物理现象称为霍尔效应。当|FL|＝|FE|时,电子的积累达到平衡。这时在半导体薄片的前后端面之间建立的电势就是霍尔电动势UH，其大小可用下式表示:由于外磁场B的存在，将使电子受到洛仑兹力FL

后端面带负电，前端面带正电

一、霍尔效应的工作原理

霍尔电动势的大小正比于输入电流I和磁感应强度B

。KH与组件材料的性质和几何尺寸有关,在实际应用中，一般都采用N型半导体材料做霍尔元件。

当磁感应强度B和霍尔元件平面法线成一角度θ时，作用在霍尔元件上的有效磁场是其法线方向的分量（即Bcosθ）。RH——霍尔常数（m3/C）

I——控制电流（A）B——磁感应强度（B)d—霍尔元件的厚度（m）二、霍尔元件的结构

在长边的两个端面上焊有两根控制电流端引线（见图中1，1′），在元件短边的中间以点的形式焊有两根霍尔电压输出端引线（见图中2，2′）。要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触（无PN结）。一、霍尔元件的主要特性参数

１.输入电阻Ｒi：霍尔元件两控制电流端之间的等效电阻。２.输出电阻Ｒo：两个霍尔电动势输出端之间的等效电阻。３.灵敏度ＫＨ：指元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所产生的霍尔电动势。４.不等位电动势Ｕo：在额定控制电流作用下，无外加磁场时，两霍尔输出端之间的开路电压。５.不等位电阻ro：不等位电动势与额定控制电流之比。§2

霍尔元件的特性参数及其误差二、霍尔元件的误差１）零位误差

不等位电动势寄生直流电动势感应零电动势自激场零电动势２）温度误差注意：不等位电动势是霍尔零位误差中最主要的一种。§3霍尔集成电路一、霍尔元件的常用电路

国产器件常用H代表霍尔元件，后面的字母代表元件的材料，数字代表产品的序号。如HZ-1元件，说明是用锗材料制成的霍尔元件；HT-1元件，说明是用锑化铟材料制成的元件。

霍尔元件的基本电路RL可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示器内阻。在磁场与控制电流的作用下，负载上就有电压输出。建立霍尔效应的所需的时间很短（约10-12～10-14s）,因此控制电流用交流时，控制电流的频率也可以很高。

1．恒流工作电路在恒流工作条件下，没有霍尔元件输入电阻和磁阻效应的影响。

温度变化引起霍尔元件的输入电阻变化，从而使控制电流发生变化带来误差，为了减少这种误差，常采用恒流源供电。

2．恒压工作电路恒压工作比恒流工作的性能要差些，只适用于精度要求不太高的地方。

3．差分放大电路

霍尔元件的输出电压一般较小，需要用放大电路放大其输出电压。为了获得较好的放大效果，需采用差分放大电路。

使用一个运算放大器时，霍尔元件的输出电阻可能会大于运算放大器的输入电阻，从而产生误差，而采用右图所示的电路，则不存在这个问题。二、霍尔集成电路

（一）霍尔开关集成传感器

它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关形式输出。

它主要由稳压电源、霍尔组件、放大器、整形电路、输出电路五部分组成。图中的BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。当外加磁感应强度高于BOp时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感应强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。

从工作曲线上看，工作特性有一定的磁滞，这对开关动作的可靠性是非常有利的。（二）霍尔线形传感器

霍尔线形传感器的输出电压与外加磁场强度呈线形比例关系。这类传感器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比例变化关系的霍尔电压,经放大器放大后输出。

霍尔线性传感器有单端输出和双端输出两种。UGN-3501T

是一种塑料扁平封装的三端元件，它有T、U两种型号，T型与U型的区别仅是厚度的不同，T型厚度为2.03mm，U型厚度为1.54mm。

单端输出UGN-3501M

双端输出线形集成电路UGN-3501M采用8脚封装。1、8两脚为输出，5、6、7三脚之间接一个电位器，对不等位电动势进行补偿。

双端输出§4霍尔传感器的应用一、磁场测量

磁场测量的方法很多，其中应用比较普遍的是以霍尔元件作为探头的特斯拉计（或称高斯计、磁强计）。锗和砷化镓器件的霍尔电动势温度系数小，线性范围大，适合于用作测量磁场的探头。把探头放在待测磁场中，探头的磁敏感面与磁场方向垂直，控制电流恒定，则输出霍尔电动势UH正比于磁场B，故可以利用它来测量磁场。二、霍尔压力传感器

当输入压力增加时，弹簧伸长，使处于恒定梯度磁场中的霍尔元件产生相应的位移，从霍尔元件输出的电压的大小即可反映出压力的大小。

图中作为压力敏感元件的弹簧片，其一端固定，另一端安装着霍尔元件。三、霍尔电流传感器

用一环形导磁材料作成磁芯，套在被测电流流过的导线上，将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它输出的霍尔电压得出导线中流通电流的大小。零磁通式将霍尔器件的输出电压进行放大，再经电流放大后，让这个电流通过补偿线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反。当达到磁平衡时，即可由IS及匝数比N2/N1得到IO。若满足条件ION1=ISN2，则磁芯中的磁通为0，这时下式成立：四、霍尔传感器用于角度检测

将霍尔元件置于永久磁铁的磁场中。其霍尔元件的输出与成正比，即：霍尔元件的输出由A1放大，在反馈回路中采用2500PPM的热敏电阻作温度补偿，用来补偿霍尔元件及磁钢的温度系数所引起的误差。输出的信号可以采用S/D（同步/数字）转换器，将模拟信号转换成BCD码输出

五、转速测量

利用霍尔元件的开关特性可对转速进行测量。

霍尔元件粘贴在永久磁铁表面，即安放在齿轮与永久磁铁中间，并通以恒定的电流。随着齿轮的转动，磁通量发生周期性变化，霍尔元件输出一系列脉冲信号。旋转一周的脉冲数，等于齿轮的齿数，因此通过对脉冲信号的频率即可测得旋转齿轮的转速。六、霍尔无刷电机

1．由于无电刷，没有磨损问题，寿命长