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1、2023/11/9,1,第7章 霍尔传感器及其应用,本章主要学习霍尔传感器的工作原理、霍尔元件的结构、霍尔集成电路的特性及其在检测技术中的应用。,2023/11/9,2,霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。属半导体磁敏传感器。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。但真正得到应用是随着半导体技术发展开始的。基于霍尔效应的霍尔传感器是将被测量（如电流、磁场、位移、压力、转速等）转换成电动势输出。,2023/11/9,3,7.1 霍尔元件的结构及工作原理,金属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
2、电动势EH，这种现象称为霍尔效应。,一、霍尔效应,2023/11/9,4,霍尔效应演示,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方向的端面之间产生霍尔电势。,c,d,a,b,2023/11/9,5,二、霍尔效应的工作原理,作用在半导体薄片上的磁场强度B 越强，输入电流越大，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：EH=KH IB(KH称为霍尔元件的灵敏度）,2023/11/9,6,磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势,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B
3、cos，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。如果和的方向同时改变时霍尔电动势极性不变。因此霍尔传感器可用来探测磁场和电流，由此还可测量压力、震动等。,2023/11/9,7,KH称为霍尔元件灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度B和单位控制电流I之下的霍尔电势的大小。一般均要求KH越大越好，KH与组件材料的性质和几何尺寸有关。由于半导体（特别是型半导体）的霍尔常数要比金属的大得多，所以在实际应用中，一般都采用N型半导体材料做霍尔元件。,2023/11/9,8,三、霍尔元件的结构,在长边的两个端面上
4、焊有两根控制电流端引线（图中1，1），在元件短边的中间以点的形式焊有两根霍尔电压输出端引线（图中2，2）。要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触（无PN结）。,2023/11/9,9,霍尔元件结构很简单，由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔片一般是矩形半导体单晶薄片，国产霍尔片的尺寸一般为4mm2mm0.1mm。近年来采用外延及离子注入工艺或采用溅射工艺制造的产品，尺寸小，性能好，并且生产成本低。,2023/11/9,10,一、霍尔元件的主要特性参数,）输入电阻i：霍尔元件两控制电流端的直流电阻。）输出电阻o：两个霍尔电动势输出端之间的电阻。）灵敏度：指元件在单位磁感应强度和单位控制电流
5、下所产生的霍尔电动势。）不等位电动势o：在额定控制电流作用下，无外加磁场时，两霍尔输出端之间的开路电压。）不等位电阻ro：不等位电动势与额定控制电流之比。,7.2 霍尔元件的特性参数及其误差,2023/11/9,11,6）额定控制电流Ic：额定控制电流是使霍尔元件在空气中产生10温升的控制电流。大小与霍尔芯片的尺寸有关：尺寸越小，Ic越小。7）寄生直流电势vg：在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电极之间产生的直流电势。8）霍尔电动势温度系数：霍尔电动势变化的百分数称为霍尔电动势温度系数。9）电阻温度系数：电阻温度系数为温度每变化1霍尔元件材料的电阻变化率。,2023/11/9,1
6、2,二、霍尔元件的误差,）零位误差不等位电动势寄生直流电动势感应零电动势自激场零电动势）温度误差注意：不等位电动势是霍尔零位误差中最主要的一种。,2023/11/9,13,一、霍尔元件的符号及常用电路,国产器件常用H代表霍尔元件，后面的字母代表元件的材料，数字代表产品的序号。如HZ-1元件，说明是用锗材料制成的霍尔元件；HT-1元件，说明是用锑化铟材料制成的元件。,7.3 霍尔集成电路,霍尔元件的符号,2023/11/9,14,2023/11/9,15,在磁场与控制电流的作用下，负载上就有电压输出。建立霍尔效应的所需的时间很短（约10-1210-14s）,因此控制电流用交流时，控制电流的频率也
7、可以很高。,、基本电路,RL可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示器内阻,控制电流由电源供给，其大小可以通过调节电阻来实现,2023/11/9,16,、恒流工作电路,在恒流工作条件下，没有霍尔元件输入电阻和磁阻效应的影响。,温度变化引起霍尔元件的输入电阻变化，从而使控制电流发生变化带来误差，为了减少这种误差，常采用恒流源供电。,2023/11/9,17,、恒压工作电路,恒压工作比恒流工作的性能要差些，只适用于精度要求不太高的地方。,2023/11/9,18,、差分放大电路,霍尔元件的输出电压一般较小，需要用放大电路放大其输出电压。为了获得较好的放大效果，需采用差分放大电路。,一个运放的
8、放大电路,2023/11/9,19,使用一个运算放大器时，霍尔元件的输出电阻可能会大于运算放大器的输入电阻，从而产生误差，而采用上图所示的电路，则不存在这个问题。,三个运放的放大电路,2023/11/9,20,二、霍尔集成电路,随着集成技术的发展，用集成电路把霍尔元件和相关的信号处理部件集成在一个单片上制成单片集成霍尔元件。按输出信号的类型，霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。,2023/11/9,21,1、霍尔线性传感器,霍尔线形传感器的输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系。这类传感器一般由霍尔元件和放大器组成，当外加磁场时,霍尔元件产生与磁场成线性比例变化关系的霍尔电压,经放大器放大后
9、输出。霍尔线性传感器有单端输出和双端输出两种。,2023/11/9,22,UGN-3501T,单端输出的传感器是一种塑料扁平封装的三端元件，它有T、U两种型号，T型与U型的区别仅是厚度的不同，T型厚度为2.03mm，U型厚度为1.54mm。,2023/11/9,23,较典型的线性型三端霍尔器件UGN-3501,线性型三端 霍尔集成电路,2023/11/9,24,双端输出线性集成电路UGN-3501M采用8脚封装。1、8两脚为输出，5、6、7三脚之间接一个电位器，对不等位电动势进行补偿。,UGN-3501M,2023/11/9,25,2、霍尔开关集成传感器,它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以
10、开关形式输出。,它主要由稳压电源、霍尔组件、放大器、整形电路、输出电路五部分组成。,2023/11/9,26,当放大后的UO电压大于施密特触发器“开启”阈值电压时，输出高电平，使V导通，这种状态我们称之为开状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的UO很小，经放大器放大后其值仍然小于施密特整形电路的“关闭”阈值电压，输出低电平，使V截止，这种状态我们称为关状态。,结构框图,2023/11/9,27,从工作曲线上看，工作特性有一定的磁滞，这对开关动作的可靠性是非常有利的。图中的BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。当外加磁感应强度高于BOp时，输出电平由高变低，传感器处于开
11、状态。当外加磁感应强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。,工作特性曲线,2023/11/9,28,7.4 霍尔传感器的应用,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。,2023/11/9,29,一、霍尔压力传感器,敏感元件弹簧片一端固定，另一端安装着霍尔元件。当输入压力增加时，弹簧伸长，使处于恒定梯度磁场中的霍尔元件产生相应的位移，从霍尔元件输出的电压的大小即可反映出压力的大小。,2023/11/9,30,二、霍尔电流传感器,在磁芯上
12、开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它输出的霍尔电压得出导线中流通电流的大小。,2023/11/9,31,霍尔电流传感器演示,铁心,线性霍尔IC,EH=KH IB,I,I,2023/11/9,32,1）直接测量式霍尔电流传感器,由霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。在这种应用中，霍尔器件是磁场检测器，它检测的是磁芯气隙中的磁感应强度。电流增大后，磁芯可能达到饱和；随着频率升高，磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。这些都会对测量精度产生影响。,2023/11/9,33,2023/11/9,34,2）零磁通式（磁平衡式）,将霍尔器件的输出电流放大后，通过补偿线圈，并令补偿线圈
13、产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，若满足条件ION1=ISN2，则磁芯中的磁通为0，这时下式成立:,当达到磁平衡时，即可由IS及匝数比N2/N1得到IO。,2023/11/9,35,三、霍尔传感器用于角度检测,将霍尔元件置于永久磁铁的磁场中。其霍尔元件的输出与角度成正比，即,2023/11/9,36,四、霍尔开关按键,霍尔电路用磁体作为触发媒介，当磁体接近霍尔电路时，霍尔电路产生一个电信号，当磁体离开时电信号消失，霍尔按键就是按照这个原理来工作的。霍尔开关按键开关是一个无触点的按键开关。,2023/11/9,37,五、霍尔无刷电机,1、由于无电刷，没有磨损问题，寿命长、可靠性高2、具有良
14、好的旋转特性，可以取得很宽的转速特性、噪音低、起动转矩为额定转矩的23倍、稳定性好。,2023/11/9,38,2023/11/9,39,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。,2023/11/9,40,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,2023/11/9,41,六、用霍尔集成传感器进行无触点照明控制,带有磁钢的机械臂或其它设备接近霍尔传感器UGN3040时，系统将以无触点的方式控制灯的亮、灭。,
