《自动检测与转换技术》教案 梁森 第八章 霍尔传感器

第八章霍尔传感器

课题：霍尔传感器的原理及应用课时安排：2课次编号：12

难点开关型霍尔集成电路的特性

教材分析-----------------------------------------

重点霍尔传感器的应用

教学目的和要求1.了解霍尔传感器的工作原理；

2.了解霍尔集成电路的分类；

3.掌握线性型和开关型霍尔集成电路的特性;

4.掌握霍尔传感器的应用；

5.掌握霍尔式电流传感器的计算。

教具：各种霍尔元

采用教学方法和实施步骤讲授、课堂互动、分析

件、霍尔传感器

各

演示1:

教

购买霍尔接近开关。

学

将小型蜂鸣器的负极接到霍尔接近开关的0C门输出端，正极接&端。在没有

环

磁铁靠近时，0C门截止，蜂鸣器不响。

节

当磁铁靠近到一定距离（例如3mm）时，0C门导通，蜂鸣器响。将磁铁逐渐远

和

离霍尔接近开关到一定距离（例如5mm）时，0C门再次截止，蜂鸣器停响。

内

提示：

容

需要分辨磁铁的S极和N极。其中的一个磁极对霍尔式接近开关是不起作用的。

演示2：

购买IOA霍尔式钳形电流表。

将一根导线穿过10A霍尔式钳形电流表的铁芯，将一个1号电池短暂短路一下，

使得导线中，有1A左右的短路电流，观察霍尔式钳形电流表的输出电压（见液晶屏的

示值）的变化c

一号电池的短路电流与导线的长度、粗细有关。

导线的长度越长，越细，输入电流就越小，液晶屏的示值也越小。

测;、时㈤门

用霍尔式钳形电流表或霍尔电流传感器测量1.5V•号电池的短路电流示意图

从以上演示，引入第一节霍尔效应、霍尔元件的工作原理。

第一节霍尔元件的工作原理及特性

一、工作原理

金属或半导体薄片置于磁感应强度为8的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电

流/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，该电动势称为霍尔电动势，上述半导体薄片称为霍尔元件。用霍尔元件做成的

传感器称为霍尔传感器（HallTransducer）o

图8-1霍尔元件示意图

a）霍尔效应原理图b）薄膜型霍尔元件结构示意图c）图形符号d）外形

霍尔属于四端元件：

其中一对（即&〃端）称为激励电流端，另外一对（即c、"端）称为霍尔电动

势输出端，c、d端一•般应处于侧面的中点。

由实验可知，流入激励电流端的电流/越大、作用在薄片上的磁场强度B越强，

霍尔电动势也就越高。霍尔电动势£H可用下式表示

EH=KHIB（8-1）

式中KH----霍尔元件的灵敏度。

若磁感应强度〃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BcosO,

这时的霍尔电动势为

EH=KH/BCOS。（8-2）

从式（8-2）可知，霍尔电动势与输入电流/、磁感应强度8成正比，且当8的方

向改变时，霍尔电动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

动势为同频率的交变电动势。

目前常用的霍尔元件材料是N型硅，霍尔元件的壳体可用塑料、环氧树脂等制造。

二、主要特性参数

（1）输入电阻发恒流源作为激励源的原因：霍尔元件两激励电流端的直流电阻

称为输入电阻。它的数值从几卜欧到几百欧，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/岫变大，最终引起霍尔电动势变大。使用恒流源可以稳

定霍尔原件的激励电流。

（2）输出电阻小

两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻，它的数值与输入电阻同一数量级。

它也随温度改变而改变。选择适当的负教电阻RL与之匹配，可以使由温度引起的霍尔

电势的漂移减至最小。

（3）最大激励电流八激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，

从而引起霍尔电动势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流,

它的数值从儿亳安至十儿亳安.

提问：霍尔原件的最大激励电流/m______为宜。

A.OmAB.±0.1mAC.±10mAD.100mA

（5）最大磁感应强度8m磁感应强度超过&1时，霍尔电动势的非线性误差将明

显增大，厮的数值一般小于零点几特斯拉。

提问：为保证测量精度，图8-3中的线性霍尔IC的磁感应强度不宜超过为宜。

A.0TB.±D.1OTC.±0.15TD.±10（iGs

最大磁感应强度"M

调零后的

BIT

线性区

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？（lT=104Gs）

第二节霍尔集成电路

霍尔集成电路（又称霍尔IC）的优点：体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小、

对电源稳定性要求低等。

霍尔集成电路的分类：

线性型和开关型两大类。

1.线性型的内部电路：

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。

图8-2线性型霍尔集成电路

a）外形尺寸b）内部电路框图

图8-3线性型霍尔集成电路输出特性

具有双端差动输出特性的线性霍尔器件UGN35O1M感受的磁场为零时，第一脚相

对于第八脚的输出电压等于零；

当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准3501M的正面）时，输出为正；

磁场为反向时，输出为负。它的第5、6、7脚外接一只微调电位器后，就可以微

调并消除不等位电势引起的差动输出零点漂移。

如果要将第1、8端输出电压转换成单端输出，就必须将1、8端接到差动减法放

大器的正负输入端上，才能消除第1、8端对地的共模干扰电压影响。

图8-4差动输出线性霍尔集成电路外形及电路框图

图8-5差动输出线性霍尔集成电路输出特性

2.开关型霍尔集成电路的内部电路

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。

>>b）

图8-6开关型霍尔集成电路

a）外形尺寸b）内部电路框图

注：1特斯拉（T）=1（产高斯（Gs）

提问：磁铁从远到近，逐渐靠近图8-5所示的开关型霍尔IC,问，多少高斯时,

输出翻转？成为什么电平？

表8-1具有史密特特性的0C门输出状态与磁感应强度变化之间的关系

-'JB/T磁感应强度B的变化方向及数值

出状态

0T0.02t0.023T0.03T0.02->0.016->0

接上拉电阻心高电平①高电平②低电平低电平低电平③高电平高电

不接上拉电阻RL高阻态高阻态低电平低电平低电平高阻态高

①：0C门输出的高电平电压由Ac决定:

②、③：OC门的迟滞区输出状态必须视8的变化方向而定.

第三节霍尔传感器的应用

霍尔电动势是关于/、以〃三个变量的函数，即EH二KH/BCOSO,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，三个变量的多

种组合等。

I）维持人。不变，则用=/出），这方面的应用有：测量磁场强度的高斯计、测量

转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔角编码器以及基于微小位移测量原理的霍

尔加速度计、微压力计等。

2）维持人8不变，则&X。），这方面的应用有角位移测量仪等。

3）维持0不变，则国=/（也），即传感器的输出品与人3的乘积成正比，这方面

的应用有模拟乘法器、霍尔功率计、电能表等。

一、霍尔式特斯拉计

特斯拉计（乂称高斯计）用于测量和显示被测量物体在空间上一个点的静态或动

杰（交变）磁感应强度。

由霍尔探头和放大器、显示器、计算机通信接口等构成。

测量结果可换算为单位面积平均磁通密度、磁能积、矫顽力、剩余磁通密度、剩

余磁化强度和气隙磁场等，能够判别磁场的方向。

在使用中，霍尔探头被放置于被测磁场中，磁力线的垂直分量穿过霍尔元件的测

量平面，从而产生与被测磁感应强度成正比的霍尔电动势，再根据设置的转换系数，

由液晶板显示出8值。

在SI单位制中，磁感应强度8的单位是特斯拉，在CGS单位制中，磁感应强度

的单位是高斯，特斯拉与高斯的换算倍数为lT=10000Gso特斯拉计的读数以“亳特斯

拉”以及“千高斯”为单位，可以相互切换v当感受的磁场为反向（磁铁的N极对准

霍尔器件的正面）时，输出为负，见图8-8所示的液晶屏。

图8-8霍尔式特斯拉计的结构与使用示意图

补充资料：角位移测量仪

霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电动

势国就反映了转角方的变化。

角位移测量仪结构示意图

1一极靴2—霍尔器件3一励磁线圈

发散性思考：

将图8-8的铁芯气隙减小到夹紧霍尔IC的厚度。则B正比于5,霍尔IC的4

正比于以可以改造为霍尔电压传感器。

与交流互感器不同的是：可以测量直流电压。

■

二、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,

计算公式见式（4-4）：n=60/

图8-9霍尔转速表

I—磁铁2—霍尔器件3一齿盘

三、霍尔式无刷电动机

传统的直流电动机使用换向器来改变转子（或定子）的电枢电流的方向，以维持

电动机的持续运转。

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、整形后触发电了•线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动

机的正常运转。

图8-10霍尔式无刷电动机结构示意图

1一定子底座2一定子铁心3—霍尔元件4一绕组5-外转子6—转轴7—磁极

提问：

①无刷电动机是否还产生电火花？为什么？

②有无电刷磨损问题？

③可以在上面电器中得到应用？

四、霍尔接近开关

在第四章里，曾介绍过接近开关的基本概念。

霍尔接近开关只能用于铁磁材料，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。

在图8-llb中，磁极的轴线与霍尔接近开关的轴线在同一直线.匕当磁铁随运动部

件移动到距霍尔接近开关儿亳米时，霍尔接近开关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，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔接近开关）起

到限位的作用。

图8-11霍尔接近开关应用示意图

a）外形b）接近式c）滑过式d）分流翼片式

I一运动部件2—软铁分流翼片

提问：b）接近式c）滑过式哪一种不易损坏？为什么？

在图8-lld中，磁铁和霍尔接近开关保持•定的间隙、均固定不动。软铁制作的分

流翼片与运动部件联动。当它移动到磁铁与霍尔接近开关之间时，磁力线被屏蔽（分

流），无法到达霍尔接近开关，所以此时霍尔接近开关输出跳变为高电平。改变分流翼

片的宽度可以改变霍尔接近开关的高电平与低电平的占空比。

发生性思维：电梯“平层”如何利用分流翼片的原理？

霍尔传感器的其他用途：霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、霍尔电能表、霍尔

高斯计、霍尔液位计、霍尔加速度计等。

五、霍尔电流传感器

能够测量直流电流，弱电回路与主回路隔离，容易与计算机及二次仪表接口，响

应时间快、频带宽，“二次侧”不易产生过电压等。

（1）工作原理用一环形（有时也可以是方形）导磁材料做铁心，套在被测电流

流过的导线（也称电流母线）上，将导线中电流感生的磁场聚集在铁心中。在铁心上

切割出与霍尔传感器厚度相等的气隙，将霍尔线性IC紧紧地夹在气隙中央。电流母线

通电后，磁力线就集中通过铁心中的霍尔IC,霍尔IC就输出与被测电流成正比的输出

电压或电流。

图8-12磁强计式霍尔电流传感器原理及外形

a）基本原理b）外形

I一被测电流母线2—铁心3-线性甯尔IC

（2）技术指标及换算霍尔电流传感器可以测量高达20kA的电流；电流的波形

可以是高达100kHz的正弦波和电工技术较难测量的中频窄脉冲，响应时间可以达到

Ipso

一次电流和二次电流：

在工程中，霍尔电流传感器的技术指标套用交流电流互感器的技术指标：

将被测电流称为一次电流/P;

将霍尔电流传感器的输出电流称为“二次电流”Is（简单的霍尔传感器中并

不一定存在二次绕组）。霍尔电流传感器的额定电流比KN=/PN〃SN。

霍尔电流传感器中，〃一般被设置为较小的数管，4~20mA.10mA或500mA以下

的电流。又套用交流电流互感器的“匝数比”和“电流比”的概念来定义M/Ns和以人

在霍尔电流传感器中，NP被定义为“一次绕组”的匝数，一般匝；Ns为厂商所

设定的二次绕组的匝数，匝数比匚M/Ns，额定电流比为KN=/PN〃SN。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：IPN产IsNs,或

依据霍尔电流传感器的额定技术参数和输出电流/s、匝数比、额定电流比以及式

（8-3）,可以计算得到被测电流/P。

如果将•只负载电阻（有时也称为取样电阻）心串联在霍尔电流传感器二次绕组

的输出电流端和公共参考端之间，就可以在取样电阻两端得到一个与一次电流（被测

电流）成正比的、大小为几伏的电压信号（可参见图8-20或13-30）,所以可以将二

次输出电压直接接到计算机电路。

“磁平衡式霍尔电流传感器”：该电流传感器的铁心上绕有二次绕组，二次绕组与

负载电阻飞串联。霍尔电动势经放大，并转换成与被测电流/P成正比的输出电流小

人流经多匝的二次绕组后，在铁心中所产生的磁通与一次电流/P所产生的磁通相抵消，

所以铁心不易饱和。

霍尔器件在测量中的作用：起到指示零磁通的作用。

提问：磁平衡式霍尔电流传感器属门田环测量还是开环测星