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1、5.3.1 霍尔传感器的工作原理5.3.2 霍尔元件的基本结构5.3.3 霍尔元件的基本测量电路5.3.4 霍尔传感器的应用,5.3 霍尔传感器,5.3.1 霍尔传感器的工作原理,霍尔效应：半导体薄片置于磁场中（磁场方向垂直于薄片），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，这种现象称为霍尔效应。产生的电动势称为霍尔电势。,设图中的材料是型半导体，导电的载流子是电子。在轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿x轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。它的大小为：FB=evB,电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大
2、小为,式中EH为霍尔电场，e为电子电量，UH为霍尔电势。当FB=FE时，电子的积累达到动态平衡，即,所以：,设流过霍尔元件的电流为 I 时,所以：,所以：,导体的电流密度为：,若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度，则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为B cos，因此 UH=KHIBcos,霍尔系数由材料的物理性质决定，反映霍尔效应的强弱。由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。,灵敏度 单位磁感应强度和单位控制电流作用时，所产生的霍尔电势。它不仅与霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越高越好，由霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元
3、件的灵敏度与厚度成反比。,通过以上分析可知：,1）霍尔电压UH与材料的性质有关 n 愈大，UH 愈小，n 愈小，UH 愈大，但n太小，需施加极高的电压才能产生很小的电流。因此霍尔元件一般采用N型半导体材料,2）霍尔电压UH与元件的尺寸有关。d 愈小，UH 愈大，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。,3）P型半导体，其多数载流子是空穴，也存在霍尔效应，但极性和N型半导体的相反。4）霍尔电压UH与磁场B和电流I成正比，如果其中一个为常数，另一个为待测量，只要测出UH，就可求出待测量。,5.3.2 霍尔元件基本结构,霍尔元件由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半
4、导体单晶薄片,引出四个引线。1、1引线称为激励电极；2、2引线称为霍尔电极。在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图(c)所示。,(a)外形,(b)霍尔片,(c)符号,国产霍尔元件型号的命名方法：,国产霍尔元件型号的命名方法,常见的国产霍尔元件型号有HZ-1、HZ-2、HZ-3、HT-1、HS-1等,5.3.3 霍尔元件的基本测量电路 霍尔元件的基本测量电路如图所示。激励电流由电压源E供给，其大小由可变电阻来调节。霍尔元件输出接负载电阻RL，RL可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。,基本测量电路,5.3.4 霍尔传感器的应用,1.测量磁场和电流 特斯拉计 霍尔式钳形电流表,2.测量位移 霍尔式位移传感器的工作原理如图所示。磁场强度相同的磁铁,极性相反地放置,霍尔元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0,因此霍尔元件输出的霍尔电也等于零。,若霍尔元件在x轴方向移动,霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变，在其工作范围内，BKBx，其中斜率KB为常数；这时UH不为零,UH的大小反映出霍尔元件的位移。,3.测量转速,几种不同结构的霍尔式转速传感器如图所示。小磁铁固定在转盘上，转盘与被测转轴相连,当被测转轴转动时,转盘随之转动,小磁铁通过霍尔传感器时，霍尔传感器便产生一个相应的脉冲,检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。,
