《传感器技术及应用》-7.项目七 霍尔传感器

知识目标：1.掌握霍尔传感器的工作原理；2.理解霍尔传感器的基本特性

；3.理解霍尔传感器的应用

；4.熟悉霍尔元件和集成霍尔传感器

。能力目标：1.能根据应用场合选择合适的霍尔传感器

；2.针对所测速度范围选择合适的测量方法

；项目要求电流检测有很多方法，最通用的方法可以是采用霍尔传感器。它既可以检测交流，也可以检测直流，甚至可以检测瞬态峰值。它能缩小系统体积，并具有良好的隔离作用和较高的测量精度。电流检测在电动汽车的控制、保护、检测等方面有重要作用。

知识连接一.霍尔效应与工作原理

当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。动态演示知识连接

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。知识连接作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：EH=KHIB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

，这时的霍尔电势为：EH=KHIBcos

结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当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，则霍尔电势为同频率的交变电势。

二.霍尔元件的结构和符号

霍尔片是矩形半导体单晶薄片，一般为4×2×0.1mm3

霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块半导体（多用N型半导体）矩形薄片，见图（a）。在短边的两个端面上焊上两根控制电流端（称控制电极或激励电极）引线a和b，在元件长边的中间以点的形式焊上两根霍尔输入端（称霍尔电极）引线c和d。在焊接处要求接触电阻小，而且呈纯电阻性质（欧姆接触）。二.霍尔元件特性参数

1、输入电阻Ri

（1）霍尔元件两激励电流端的直流电阻；（2）型号不同，阻值不等；（3）受温度影响：温度升高电阻变小，从而会引起霍尔电动势的增大；（4）采用恒流源作为激励源，以减小温度影响。2、输出电阻Ro

（1）霍尔电动势两输出端的直流电阻；（2）型号不同，阻值不等（与输入电阻同一数量级）；（3）受温度影响；（4）选择合适的负载电阻与之匹配，以减小温度影响。3、最大激励电流IM

（1）霍尔电势随激励电流增大而增大；（2）激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高；4、灵敏度KH5、最大磁感应强度BM

（1）磁感应强度超过BM时，霍尔电动势的非线性误差明显增大；（2）BM一般在零点几特斯拉；（3）1T=10000GS；6、不等位电动势（1）额定激励电流下，当外加磁场为零时两输出端的开路电压；（2）由于电极的几何尺寸不对称引起；（3）通常用电桥法来补偿；7、霍尔电动势温度系数知识拓展一.霍尔集成电路

霍尔集成电路又称霍尔IC，是将霍尔元件、转换电路做在同一个芯片上，可分为：线性型与开关型两类。特点：体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小。

二.线性型霍尔元件

右图给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。

线性区三端霍尔元件应用拓展

EH=KHIBcos

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。这使得霍尔传感器有许多用途。

一、测量

EH=KHIBcos

应用：（1）角位移测量仪；（2）转速表；（3）计数器；测转速：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。SN线性霍尔磁铁测转速：霍尔元件磁铁只要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。测转速应用场合：霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用带有微型磁铁的霍尔传感器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车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。二、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，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、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，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电动行车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之间产生连续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。光驱无刷电机与控制器三、霍尔电流（直流）传感器将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。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。霍尔电流传感器演示铁心

线性霍尔IC

EH=KHIB

II四、霍尔接近开关

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。）用霍尔I