第7章 霍尔传感器

1、1,第7章 霍尔传感器的原理及其应用,7. 1 概述 7. 2 霍尔传感器的测量电路和误差分析 7. 3 霍尔传感器的应用,2,7. 1 概述,1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。 随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。 霍尔传感器是基于霍尔效应将被测量(如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等)转换成电动势输出的一种传感器。 不足：转换率较低、温度影响大、要求转换精度较高时必须进行温度补偿 优势：结构简单、体积小、坚固、频率响应宽(从直流到微波)、动态范围(输出电动势的变化)大

2、、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化等优点,下一页,返回,3,7. 1 概述,7.1.1 霍尔元件的结构 霍尔元件由霍尔片、4根引线和壳体组成。 霍尔片：一块矩形半导体单晶薄片，在长度方向两端面焊有a、b两根控制电流端引线，通常用红色导线。其焊接处称为控制电流极(或称激励电流)，要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触。 薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线。其焊接处称为霍尔电极，要求欧姆接触，且电极宽度与基片长度之比小于0.1，否则影响输出。 壳体：用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。,上一页,下一页,返回,4,7. 1 概述,上

3、一页,下一页,返回,目前，最常用的霍尔元件材料是锗(Ge ,硅(Si)、锑化锢(InSb) ,砷化锢(InAs）和不同比例亚砷酸锢和磷酸锢组成的In型固熔体等半导体材料。 20世纪80年代末出现了一种新型霍尔元件超晶格结构(砷化铝/砷化稼)的霍尔器件，它可以用来测10-11T的微磁场。超晶格霍尔元件是霍尔元件的一个质的跃。,5,7. 1 概述,7.1.2 霍尔传感器的命名 H：霍尔元件；Z/S/T：材料；#：序号,6,7. 1 概述,7.1.3 霍尔传感器的工作原理 通有电流的半导体薄片置于磁场中，当电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上垂直于电流和磁场的方向上产生洛伦兹力，使得平行于电流x

4、磁场面的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。,上一页,下一页,返回,电动势：单位正电荷移动到高电位端的本领；电压升 电压：单位正电荷移动到低点位所做的功；电压降 例：循环水路的水泵制造水压差；水在水压差的驱使下流动,7,7. 1 概述,磁场强度B越强，霍尔电势EH也就越高。 左手定则：四指电流方向；磁力线穿过掌心，拇指即洛伦兹力方向（负电荷移动方向）,上一页,下一页,返回,8,7. 1 概述,霍尔电势 EH 可用下式表示。 EH=KHIB (7-1) 式中 KH 霍尔元件的灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小

5、。 KH=1/nde (7-2) 式中n电子浓度; 单位体积中电子的数量 d薄片厚度; e电子的电荷量。e=1.6x10-19C,上一页,下一页,返回,9,7. 1 概述,7.1.4霍尔传感器的特性参数 磁场一定时，霍尔电势 EH 与控制电流I成正比。 控制电流一定时，霍尔电势EH与磁感应强度B成正比。 只有磁感应强度小于0. 5 T时，上述的线性关系才较好。 磁场和电流方向不垂直怎么办？ 答：计算等效磁场强度(垂直分量)： EH=KHIBsin EH=KHIBcos,上一页,下一页,返回,EH=KHIB,I,B,10,7. 1 概述,KH=1/nde 金属材料的电子浓度（n）很高 绝缘材料电

6、阻率极高，电子迁移率很小 半导体材料的载流子浓度和电阻率适中 元件厚度d越小，灵敏度越高。因此元件一般在1m左右 因为薄，击穿电压低，因此控制电流要低,载流子：电流载体。 金属：电子 半导体：电子，及电子缺失留下的空穴 电解液：正负离子,11,7. 1 概述,霍尔元件的主要特性参数如下： 1.额定控制电流 IC 与最大控制电流 ICM 霍尔元件在空气中产生10 oC 的温升时所施加的控制电流值称为额定控制电流 IC。 在相同的磁场感应强度下，IC 值较大则霍尔效应更明显，可获得较大的输出电压。 但增大控制电流，霍尔元件的功耗加大，温度升高，温漂增大。限制 IC 的主要因素是散热条件。一般锗元件

7、最大的允许温升为 Tm ,14,7. 1 概述,4.不等位电势 EM 和不等位电阻 RM 当 I 0而B = 0时，理论上应有 EH = 0。 实际使用中由于 (a)两个霍尔电极安装不对称或不在同一等电位面上 (b)半导体材料的电阻率或几何尺寸不均匀 (c)控制地电路接触不良等原因 使得当 I 0，B=0时，EH 0。此时，EH 值定义为不等位电势 EM 。 不等位电势 EM 与额定控制电流 IC 之比，称为不等位电阻 RM : (7-4),上一页,返回,15,7. 1 概述,不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额定值，元件所处位置的磁感应强度为零时，测得的空载霍尔电势。 下图不等位电势是由霍尔

8、电极2、2和之间的电阻决定的， r0称不等位电阻,16,7. 2 霍尔传感器的测量电路 和误差分析,7. 2. 1霍尔传感器的测量电路 控制电流 I 由电压源 E 供给 R 是调节电阻，用以根据要求改变 I 的大小 输出的负载电阻 RL 一般为放大器的电阻或表头内阻。 所施加的外电场 B 一般与霍尔元件的平面垂直。 控制电流也可以是交流电。由于建立霍尔效应所需的时间短（10-1410-12s），控制电流的频率可达 109 Hz以上。,下一页,返回,17,7. 2 霍尔传感器的测量电路和误差分析,7. 2. 2霍尔传感器的误差分析 霍尔元件对温度的变化很敏感。为了减少测量中的温度误差，除了选用温

9、度系数小的霍尔元件或采取一些恒温措施外，还可使用以下温度补偿方法。,上一页,下一页,返回,18,1.恒流源供电 EH=KHIB 恒流源通过保持 I 恒定，可保持 EH 稳定 但KH也是温度的函数，随温度变化 假设 KH 的温度系数为 ，温度由 0 时刻到 t 时刻变化了t，则： KH = KH1+t 如果 0 (正温度系数)，则温度升高t使EH放大了t倍,7. 2 霍尔传感器的测量电路和误差分析,19,思考：如何在KH变化了t 倍之后还使EH保持恒定呢？ 思路：减小I 途径：并联电阻进行自动分流 目的：当霍尔元件的内阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动地加强分流，减少元件的控制电流 已知：R

10、0-元件t0时内阻值；-灵敏度温度系数； -元件内阻温度系数；-补偿电阻的温度系数 由：KH0I=KHtI 可推出：,7. 2 霍尔传感器的测量电路和误差分析,EH=KHIB,20,7. 2 霍尔传感器的测量电路和误差分析,2. 热敏元件 对于温度系数较大的霍尔元件，采用图7-6的温度补偿电路，图中Rt是热敏元件(热电阻或热敏电阻)。 输入回路进行温度补偿的电路：用 Rt 的变化来抵消霍尔元件的灵敏度 KH 和输入电阻 Ri 的变化对霍尔输出电势 EH 的影响。 输出回路进行温度补偿的电路：用 Rt 的变化来抵消霍尔电势 EH 和输出电阻 Ro 变化对负载电阻 RL 上的电压 UL 的影响。,

11、保证霍尔电势EH不变,保证测量电压UL不变,21,7. 2 霍尔传感器的测量电路和误差分析,3.不等位电势的补偿 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至会超过霍尔电势。 实用中，不等位电势极难消除，只有采用补偿的方法。 不等位电势由不等位电阻产生，因此可以用分析电阻的方法找到一个不等位电势的补偿方法。 可以把霍尔元件视为一个4臂电阻电桥,返回,R2,R3,R4,22,7. 2 霍尔传感器的测量电路和误差分析,这样不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。 理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于 R1=R2=R3=R4 所有能够使电桥达到平衡的方法均可用于补偿不等位电势，使不等

12、位电势为零。,上一页,下一页,返回,23,7. 2 霍尔传感器的测量电路和误差分析,1.基本补偿电路 霍尔元件的不等位电势补偿电路有很多形式，图7-9为两种常见电路，其中 RP 是调节电阻。 图7-9(a)是在造成电桥不平衡的电阻值较大的一个桥臂上并联 RP，通过调节RP使电桥达到平衡状态，称为不对称补偿电路； 图7-9(b)则相当于在两个电桥臂上并联电阻，称为对称补偿电路。,上一页,下一页,返回,基本补偿电路没有考虑温度的影响 温度变化时需要重新平衡不等位电势,24,7. 2 霍尔传感器的测量电路和误差分析,2.具有温度补偿的补偿电路 图7-10是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路。

13、 补偿电路本身也为桥式电路。 补偿电路工作电压由霍尔元件的控制电压提供 其中一个桥为热敏电阻 Rt ，与霍尔元件的等效电阻的温度特性相同。,上一页,下一页,返回,25,7. 2 霍尔传感器的测量电路和误差分析,在磁感应强度B为零时调节 RP1 和 RP2，使补偿电压抵消霍尔元件此时输出的不等位电势，从而使B =0时的总输出电压为零。 在霍尔元件的工作温度下限T1时，保持RP2的位置，通过调节电位器RP1来调节补偿电桥的工作电压，使补偿电压抵消此时的不等位电势。 工作温度升高时，保持RP1的位置，调节RP2使补偿电压抵消此时的不等位电势。此时补偿电压包含两个分量： 抵消原不等位电势的分量 抵消温

14、度变化引起的不等位电势变化的分量,上一页,返回,26,总结：使用桥式补偿电路，可在霍尔元件的整个温度范围内对不等位电势进行良好的补偿，并且对其恒定部分和变化部分可独立调节，因此可达到相当高的补偿精度,7. 2 霍尔传感器的测量电路和误差分析,27,7. 3 霍尔传感器的应用电路,霍尔元件具有结构简单、体积小、质量轻、频带宽、动态性能好和寿命长等许多优点，因而得到广泛应用。 在电磁测量中，用它测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数; 在自动检测系统中，多用于位移、压力的测量。,下一页,返回,28,霍尔元件可制成位移传感器 霍尔元件置于两相反方向的磁场中 在a、b两端通

15、入控制电流 i 左半产生的霍尔电势VH1和右半产生的霍尔电势VH2方向相反 c，d两端输出电压是VH1-VH2，若使初始位置时VH1=VH2，则输出电压为零。 当霍尔元件相对于磁极作x方向位移时，可得到输出电压VH=VH1-VH2，且VH数值正比于位移量x，正负方向取决于位移x的方向 霍尔元件传感器既能测量位移的大小，又能鉴别位移的方向,7. 3 霍尔传感器的应用电路,29,7. 3 霍尔传感器的应用电路,1.霍尔接近开关 霍尔接近开关将磁场强度B的变化转变为输出信号，是一个无接触磁控开关。磁铁靠近时，开关接通; 磁铁离开后，开关断开。,下一页,返回,30,车门闭合警示,汽车的四个门框上各安装

16、一个开关型霍尔传感器，在车门适当位置各固定一块磁钢。 开门时磁钢远离霍尔开关，输出端为高电平。 若四个门中有一个未关好，或非门输出为低电平，红灯亮； 若四个门都关好，或非门输出为高电平，绿灯亮，表示车门关好,31,32,7. 3 霍尔传感器的应用电路,2.霍尔式压力传感器 霍尔压力传感器包括两部分:弹性元件;霍尔元件和磁路系统。 图7-13所示，当被测压力发生变化时，弹簧管端部发生位移，带动霍尔片在均匀梯度磁场中移动，作用在霍尔片的磁场发生变化，输出的霍尔电势改变，由此知道压力的变化。并且霍尔电势与位移(压力)成线性关系。,上一页,下一页,返回,33,34,7. 3 霍尔传感器的应用电路,3.

17、霍尔式转速传感器 转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁场通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知道被测转速。,上一页,下一页,返回,35,7. 3 霍尔传感器的应用电路,36,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。,S,N,线性霍尔,磁铁,37,霍尔转速表原理,当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势

18、，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。,38,霍尔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。用霍尔转速传感器来检测和保持车轮的转动，有助于控制刹车力的大小和防止侧偏。,带有微型磁铁的霍尔传感器,钢质,霍尔,39,7. 3 霍尔传感器的应用电路,无刷电动机,电刷,40,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，其输出信号控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。 无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，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。,

19、普通直流电动机使用的电刷和换向器,41,无刷电动机在电动自行车上的应用,无刷电动机,42,无刷电动机在电动自行车上的应用,三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号 控制各功率管通断 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。,43,电动自行车的无刷电动机及控制电路,44,光驱用无刷电动机,45,7. 3 霍尔传感器的应用电路,4.电动机停转报警器 电动机停转报警电路主要由霍尔检测和报警电路两个部分组成。 当电动机转动时，电动机转轴上的磁铁以一定的频率经过霍尔传感器，不断地输出脉冲信号，经 C1 藕合，二极管 VD1、VD2 整流，在 C2 上形成直流高电平，晶

20、体管 VT1 截止，音乐IC无触发信号，无声音输出。 当电动机停止转动时，霍尔式传感器无脉冲信号输出。C2 为低电平，VT1导通，音乐IC触发，扬声器BL发出声音。 VD3VD5 起降压作用(音乐IC的电源电压一般为3 V) 。,上一页,下一页,返回,46,7. 3 霍尔传感器的应用电路,5.霍尔式汽车无触点点火装置 传统的机电汽缸点火装置使用机械式的分电器，存在着点火时间不准确、触点易磨损等缺点。 霍尔开关无触点晶体管点火装置可以克服上述缺点，并提高燃烧效率。四汽缸汽车点火装置如图7-16所示，磁轮鼓代替了传统的凸轮及白金触点。 磁轮鼓与发动机主轴连接，上装有与汽缸数相应的4块磁钢。 当发动机带动磁轮鼓转动时，每当磁钢转动到霍尔传感器处时，传感器即输出一个与汽缸活塞运动同步的脉冲信号，此脉冲信号触发晶体管功率开关，使点火线圈二次侧产生很高的感应电压，火花塞产生火花放电。,下一页,返回,47,7. 3 霍尔传感器的应用电路