第5章 霍尔式传感器(西理工传感器原理及应用)

1、.,第五章 磁电式传感器,本章要点: 1.磁电感应式传感器的原理和应用 2.霍尔传感器(特别是集成霍尔器件)的原理、设计方法和正确使用,.,第一节 磁电感应式传感器,简称感应式传感器，也称电动式传感器。 建立在电磁感应基础上，利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势 e=BNlv 。 应用于测振动速度、转速、扭矩等。 以磁电式速度传感器为例，一种是绕组与壳体连接，磁钢用弹性元件支承，另一种是磁钢与壳体连接，绕组用弹性元件支承。,.,第二节 霍尔式传感器,霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。 目前，该类传感器主要

2、是霍尔集成电路，所用的核心单元基于霍尔效应，利用集成电路技术制成。 所以它既是一种集成电路，又是一种磁敏传感器。,.,一、霍尔效应,实验证明：霍尔电势,RH霍尔系数，与薄片的材料有关； kH灵敏度系数，kH=RH/d，d越薄，kH越大。（薄1m）,B与薄片法线成角，则,金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。,.,霍尔效应演示,.,二、霍尔元件及应用,1.霍尔元件：基于霍尔效应原理工作的半导体器件。 a.霍尔元件为矩形半导体单晶片（420.1mm3),常用材料有锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、 砷化铟（InAs）

3、等半导体材料。,电路符号：,c.壳体：非导磁金属、陶瓷和环氧树脂封装。,b.四根引线,.,2.电磁特性 a.UH-I特性：磁场B恒定，控制电流I与霍尔输出电势UH之间呈线性关系。 b.UH-B特性：控制电流I恒定，霍尔元件的开路霍尔电势随磁感应强度增加并不完全呈线性关系。 c.R-B特性：磁阻效应：霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而增加的现象（增大）。 3.霍尔元件的零位误差(不等位电势和寄生直流电势)、温度误差及补偿,.,4.应用,（一）霍尔式位移传感器 （二）霍尔式加速度传感器,（三）霍尔式压力传感器,.,测量铁心 气隙的B值,霍尔元件,霍尔传感器用于测量磁场强度,.,三、霍尔集成电路的分

4、类和结构,金属的霍尔系数远远小于半导体材料，但就是比较大的霍尔电势材料如砷化铟，其数值一般也只能达到几十毫伏，为此用集成电路技术将霍尔元件、放大电路或开关电路等集成在一个半导体基片上，做成线性或开关型电路。 按输出功能可分开关型和线性霍尔电路。,.,1.霍尔开关集成电路,它是利用集成电路技术在同一硅基片上集成稳压电路、霍尔元件、放大电路、整形电路和开关电路。 其基本功能是将磁输入信号转换成开关信号形式输出。,工作过程：当磁场作用在传感器上时，霍尔元件输出霍尔电压UH，经放大器放大后，送至施密特（触发器）整形电路，实现开关两种状态。,一次磁场强度的变化，就使传感器完成一次开关动作。,.,实际的霍

5、尔开关输出与输入磁场的关系有两种情况： 单向磁场工作型（也叫单稳开关型）：当外加磁感应强度达到器件的导通磁场时，开关接通，磁场消失后，器件关断。 双向磁场工作型（也叫双稳态开关型、锁键型）：当外加磁场使其导通后，去掉磁场仍然保持导通态，只有当施加反极性磁场达到一定数值后才能关断。 其主要是由内部施密特触发器是单稳型还是双稳型决定的。,.,2.霍尔线性集成电路,其输出电压随外加磁场的变化而连续地、线性地变化。 霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。,单端输出的传感器是一个三端器件，它的

6、输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。,.,3.封装外形 以封装材料分为塑料封装和陶瓷封装两种。 以外形分为扁平单列式和双列直插式两种。,双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。,.,4.霍尔集成电路特性,(1)开关型的工作特性 BOP为导通点（或工作点）， BRP为释放点， BH=BOP - BRP为磁滞。 BOP越小，则灵敏度越高。 BH越大，抗干扰愈强。 上限频率通常为100kHz。,(2)线性霍尔电路的磁电特性为一斜线，磁场绝对值过大时，曲线趋于平坦，表明此时，

7、霍尔电路已脱离线性区。,.,四、霍尔开关电路的应用,（一）器件介绍 1.器件型号 美国SPR公司生产的： UGN(S)3017T,3020T,3030T,3075T 上海半导体器件16厂生产的：SLN(S)3019,3020,3030,3075 日本松下公司生产的：DN835,839,6837,6839 南京半导体总厂相应的：CS835,839,6837,6839,.,2.接线形式（以3019为例）比三极管还小，还薄。 开关标志面为敏感面。即S型对着磁钢的S极面，N型对着磁钢的N极面。,.,（二）应用,做为一种新型接近开关，取代各种电子式接近开关，如机械运动限位器、无触点开关、压力开关、湿度开

8、关、转速表、远传压力表、智能电机、键盘等。,1.霍尔电路转速表低转速或每分钟5万转的情况下均可使用,.,(a)径向磁极 (b)轴向磁极 (c)遮断式,由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等.,.,软铁分流翼片,开关型霍尔IC,转速测量演示,.,2、霍尔式接近开关,在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔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

9、（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。,.,2.霍尔汽车点火器(上海桑塔纳轿车) 3.无触点开关 4.阀位传感器 它是安装在各种电动或气动阀门上的传感器，用来测量各种阀门的开关状态，是目前一些大中型化工企业急需的电子产品。 5.位置传感器或行程开关 广泛应用于无刷直流电机，活塞位置，齿轮位置，齿轮转速，阀门位置，磁盘速度，磁带转速，流速感应，速度感应等领域 6.机械运动方向传感器（即辩向电路） 只不过用霍尔开关取信号。 7.机械运动时间传感器（或叫快慢传感器） 8.新型机器人,.,(三)注意事项,1.为了保证霍尔开关可靠工作，外加磁场应足够强。在考虑到温度变化和器件参数离散性等因素的影响，磁感

10、应强度应比BOP的最大值再增加20%30%。 2.施加磁场的方式有两种。可用靠近式。也可霍尔元件和磁场都固定，在被测物上固定一块小铁片，当铁片运动到磁钢与霍尔电路之间时，将磁力线短路。 3.安装霍尔器件时，应把其敏感面（即有型号的面）对着磁钢的相对极。即S型对着磁钢的S极面，N型对着磁钢的N极面。 4.安装时以免损坏，焊接温度也不要太高。,.,五、线性霍尔电路的应用,CS853，CS6835，CS131是南京半导体器件总厂生产的三种线性霍尔效应集成电路，其磁电转换灵敏度在10mV/GS左右，输出电压动态范围在0.5V3.2V之间，工作磁场范围350GS，CS853是两端共轭输出方式，而CS68

11、35和CS131则是单端输出，CS131电路具有输出电位调节功能，而CS853输出线性好，可广泛用于位置传感器、非接触测距、无刷马达、功率电为器、互感器、高斯计等。,.,1.直流功率测量仪,如果在霍尔元件控制电 流端通入的电流为 Ic=K1I，K1为一比例系 数，I为通过负载RL的 电流。而用一比例于负 载RL电压降V的电压Vm 来激励磁场，即 B=K2Vm=K2V，则 霍尔元件的输出电压为 指示仪表一般采用有功率刻度的伏特表。,.,2.测电流,在现代工程技术中，往往要测量大直流电流，有时直流电流值高达10kA以上。 用霍尔元件测量电流，都是通过霍尔元件检测通电导线周围的磁场来实现的。 a.导

12、线旁路法,.,b.导线贯串磁芯法 c.磁芯绕线法,.,铁心,线性霍尔IC,霍尔电流传感器,.,霍尔钳形电流表,70.9A,.,3.霍尔元件在磁性材料研究上的应用,在磁性材料特性研究中，往往需要复杂的过程才能得到 BH曲线或磁场分布图。而使用霍尔元件来研究磁性材料 的特性则是极为方便的。,.,测量铁心 气隙的B值,霍尔元件,霍尔传感器用于测量磁场强度,.,*4.海洋用霍尔罗盘,地球上每个地方的地磁场都有固定的方向和大小。线性霍尔元件可以检测地磁场的大小和方向。因此，线性霍尔元件可用来制作电子罗盘，也可根据实际需要制作指南针或指北针。,.,*5.超低频正弦（或余弦）发生器,在自动控制仪表中应用超低

13、频信号发生器。常见的RC或 LC振荡器虽然也能产生正弦波，但频率越低越难获得。 例如，对于低于10-4 Hz的频率，是不可能用RC或LC振荡 器获得。但利用霍尔器件和磁敏二、三极管输出电压正 比于Bcos的关系，就能方便地制造出超低频信号发生器。 霍尔器件放在可旋转的马 蹄形磁钢中间，其磁钢间 隙为4mm，在空隙中可得 到0.2T左右的磁感应强度。,.,a. sin2及 cos2 发生器 两霍尔器件互成直角地放在一个可旋转的恒定磁场中，其中 之一通以控制电流I，输出电压为VH1=kHI cos，如果把该输 出电压放大后加至另一个霍尔器件的控制电流端，则第二 个霍尔输出电压为VH2 sincos，因此VH2 sin2 。 如果两个霍尔器件互相平