石大传感器与检测技术课件07霍耳传感器

2026/7/191

霍耳传感器

本章主要学习霍耳传感器的工作原理、霍耳集成电路的特性及其在检测技术中的应用，还涉及磁场测量技术。

霍耳元件是一种四端元件2026/7/192第一节霍耳传感器的工作原理一、霍耳效应

导体或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，这种现象称为霍耳效应。

2026/7/193磁感应强度B为零时的情况cdab2026/7/194磁感应强度B较大时的情况

作用在导体或半导体薄片上的磁场强度B越强，霍耳电势也就越高。霍耳电势EH可用下式表示：EH=KHIB2026/7/195霍耳效应演示

当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍耳电势。cdab2026/7/196磁场不垂直于霍耳元件时的霍耳电动势

若磁感应强度B不垂直于霍耳元件，而是与其法线成某一角度

时，实际上作用于霍耳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

，这时的霍耳电势为

EH=KHIBcos

结论：霍耳电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍耳电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍耳电势为同频率的交变电势。

每个电子受洛仑磁力fm的作用，fm大小为

fm=qBv（1）式中:e——电子电荷;

v——电子运动平均速度;

B——磁场的磁感应强度。当电荷不再向两底面积累,达到动态平衡状态时,qEH=qvB则霍耳电场强度为EH=vB（2）

若金属导电板单位体积内电子数为n,电子定向运动平均速度为v,则激励电流I=nqvbd,则

v=（3）将式（3）代入式（2）得

EH=（4）

霍耳电压

UH=EHb（5）

UH=

式中令RH=1/（nq）,称之为霍耳常数,其大小取决于导体载流子密度，则

UH=RH

式中KH=RH/d称为霍耳片的灵敏度。2026/7/1991）材料：用于制造霍尔元件的材料一般采用N型锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等半导体材料制成。N型的锗、砷化铟:用于高精度测量；剃化铟：用于开关量。2）结构：霍尔元件的结构简单，它由霍尔片、引线和壳体组成，霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。除了矩形结构外，还有方形结构和对称十字形结构。这两种结构的电流电极和霍尔电极可以互换使用，因为是对称结构。3）霍尔元件的特性参数二、霍耳元件2026/7/1910二、霍耳元件

2026/7/19112026/7/1912霍耳元件的主要外特性参数（续）

1）额定激励电流和最大允许激励电流当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。

2）输入电阻和输出电阻激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源,其电源内阻即为输出电阻。2026/7/1913霍尔元件测量误差及补偿零位误差及补偿温度特性及补偿2026/7/1914零位误差及补偿1．霍尔元件的零位误差：外电场为零时，通以一定的电流，也有电势输出，即：2.产生的原因有:

①霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上;

②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀（如片厚薄不均匀等）;

③激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。这些工艺上问题都将使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电势。2026/7/1915温度特性及补偿1．温度特性2.温度补偿，方法：采用恒流源供电的方法加以补偿2026/7/1916第二节集成霍耳传感器

集成霍耳传感器是利用硅集成电路工艺将霍耳元件和测量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍耳传感器输出是经过处理的霍耳输出信号。按照输出信号的形式，集成霍耳传感器可分为线性型和开关型两大类。2026/7/1917开关型霍耳集成电路

开关型霍耳集成电路是将霍耳元件、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。较典型的开关型霍耳器件如UGN3020等。2026/7/1918开关型霍耳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、单端输出运放霍耳元件.Vcc2026/7/1919开关型集成霍耳传感器

开关型集成霍耳传感器是把霍耳元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。其典型电路见图，下面我们分析电路的工作原理。

2026/7/1920开关型霍耳集成电路（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.2026/7/1921开关型霍耳集成电路的史密特输出特性

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耳IC，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍耳IC，到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？2026/7/19222026/7/1923线性型集成霍耳传感器

线性型集成电路是将霍耳元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍耳元件方便得多。较典型的线性型霍耳器件如UGN3501等。

线性型三端霍耳集成电路2026/7/1924线性型霍耳特性

右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍耳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极对准霍耳器件的正面）时，输出为正；磁场反向时，输出为负。请画出线性范围

线性集成霍耳传感器是把霍耳元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出信号与磁感应强度成比例。通常由霍耳元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成，其典型线路见图8。这是HL1-1型线性集成霍耳传感器，它的电路比较简单，用于精度要求不高的一些场合。图中，霍耳元件的输出经由V1、V2、R1至R5组成的第一级差分放大器放大，放大后的信号再由V3、V6、R6、R7组成的第二级差分放大器放大。第二级放大采用达林顿对管，射极电阻R8外接，适当选取R8的阻值，可以调整该极的工作点，从而改变电路增益。在电源电压为9V，R8取2K时，全电路的增益可达1000倍左右，与分立元件霍耳传感器相比，灵敏度大为提高。

2026/7/1926第三节霍耳传感器的应用

位移传感器压力传感器转速传感器

2026/7/1927位移测量

由式可知，霍耳电势与位移量

x成线性关系，即x=0时，UH=0，这是由于在此位置元件同时受到方向相反、大小相等的磁通作用的结果。并且霍耳电势的极性反映了元件位移的方向。实践证明，磁场变化率越大，灵敏度越高；磁场变化率越小，则线性度越好。基于霍耳效应制成的位移传感器一般可用来测量

l～2mm的小位移，其特点是惯性小、响应速度快。2026/7/1928压力测量

图是霍耳式压力传感器的结构示意图。作为压力敏感元件的弹簧管，其一端固定，另一端安装霍耳元件。当输入压力增加时，弹簧管伸长，使处于恒定磁场中的霍耳元件产生相应位移，霍耳元件的输出即可反映被测压力的大小。2026/7/1929转速测量2026/7/1930霍耳转速表原理

当齿对准霍耳元件时，磁力线集中穿过霍耳元件，可产生较大的霍耳电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍耳元件时，输出为低电平。2026/7/1931霍耳转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用

若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍耳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。带有微型磁铁的霍耳传感器钢质霍耳2026/7/1932霍耳式接近开关

当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍耳式接近开关动作。霍耳接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。2026/7/1933霍耳式接近开关用于转速测量演示n=60f4(r/min)软铁分流翼片

开关型霍耳ICT2026/7/1934霍耳转速表的其他安装方法

只要黑色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，从而引起霍耳电势的变化，产生转速信号。霍耳元件磁铁2026/7/1935霍耳式接近开关

用霍耳IC也能完成接近开关的功能，但是它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。

在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍耳接近开关几毫米时，霍耳IC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（否则将撞坏霍耳IC）起到限位的作用。2026/7/1936霍耳传感器用于测量磁场强度

霍耳元件测量铁心气隙的B值2026/7/1937霍耳式无触点汽车电子点火装置

采用霍耳式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。

汽车点火线圈高压输出接头12V低压电源输入接头2026/7/1938霍耳式无触点汽车电子点火装置工作原理

采用霍耳式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足。桑塔纳汽车霍耳式分电器示意图

1-触发器叶片

2-槽口

3-分电器转轴

4-永久磁铁

5-霍耳集成电路（PNP型霍耳IC）

a）带缺口的触发器叶片

b）触发器叶片与永久磁铁及霍耳集成电路之间的安装关系c）叶片位置与点火正时的关系

霍耳式无触点汽车电子点火装置(续）

当叶片遮挡在霍耳IC面前时，PNP型霍耳IC的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。

汽车电子点火电路及波形

1—点火开关2—达林顿晶体管功率开关3—点火线圈低压侧4—点火线圈铁心5—点火线圈高压侧

6—分火头

7—火花塞

a）电路

b）霍耳IC及点火线圈高压侧输出波形

当叶片槽口转到霍耳IC面前时，霍耳IC输出跳变为高电平，经反相变为低电平，达林顿管截止，切断点火线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出30~50kV的高电压。

2026/7/1940汽车电子点火装置使用的点火控制器、霍耳传感器及点火总成磁铁点火总成2026/7/1941霍耳式无刷电动机

霍耳式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍耳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2026/7/1942无刷电动机在电动自行车上的应用

电动自行车可充电电池组无刷电动机无刷电动机在电动自行车上的应用

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；三个霍耳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。2026/7/1944电动自行车的无刷电动机及控制电路

去速度控制器

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