自动检测技术及应用霍尔传感器及应用.pptx

2024/4/6 周六1霍尔传感器是基于霍尔传感器是基于霍尔效应霍尔效应的一种传感器。的一种传感器。属属半半导体磁敏传感器导体磁敏传感器。18791879年，美国物理学家霍尔首先在金属材料中发年，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。术发展开始的。基于霍尔效应的霍尔传感器是将基于霍尔效应的霍尔传感器是将被测量被测量（如电流、（如电流、磁场、位移、压力、转速等）转换成磁场、位移、压力、转速等）转换成电动势电动势输出。输出。2024/4/6 周六27.1 7.1 霍尔元件的结构及工作原理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金属或半导体薄片置于磁感应强度为B B 的磁场的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I I 流过薄片流过薄片时，在时，在垂直垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势于电流和磁场的方向上将产生电动势E EH H，这种现象称为，这种现象称为霍尔效应霍尔效应。一、霍尔效应一、霍尔效应2024/4/6 周六3霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，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，在半导体薄片向内侧偏移，在半导体薄片c c、d d方向的端面之间方向的端面之间产生霍尔电势。产生霍尔电势。c cd da ab b2024/4/6 周六4二、霍尔效应的二、霍尔效应的工作原理工作原理 作作用用在在半半导导体体薄薄片片上上的的磁磁场场强强度度B B 越越强强，输输入入电电流流越越大大，霍霍尔尔电电势势也也就就越越高高。霍霍尔尔电电势势E EH H可可用用下下式式表表示：示：E EH H=K KH H IBIB(K KH H称为霍尔元件的灵敏度）称为霍尔元件的灵敏度）2024/4/6 周六5磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若若磁磁感感应应强强度度B B不不垂垂直直于于霍霍尔尔元元件件，而而是是与与其其法法线线成成某某一一角角度度 时时，实实际际上上作作用用于于霍霍尔尔元元件件上上的的有有效效磁磁感感应应强强度度是是其其法法线线方方向向（与与薄薄片片垂垂直直的的方方向向）的的分分量量，即即B Bcoscos，这时的霍尔电势为，这时的霍尔电势为 E EH H=K KH HIBIBcoscos 结论：霍尔电势与输入电流结论：霍尔电势与输入电流I I、磁感应强度、磁感应强度B B成正比，成正比，且当且当B B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果果和和的方向同时改变时霍尔电动势极性不变。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因此霍尔传感器可用来探测磁场磁场和和电流电流，由此还可测，由此还可测量压力、震动等。量压力、震动等。2024/4/6 周六6K KH H称为霍尔元件灵敏度称为霍尔元件灵敏度，它表示霍尔元件在单，它表示霍尔元件在单位磁感应强度位磁感应强度B B和单位控制电流和单位控制电流I I之下的霍尔电势之下的霍尔电势的大小。的大小。一般均要求一般均要求K KH H越大越好，越大越好，K KH H与组件材料的性质与组件材料的性质和几何尺寸有关和几何尺寸有关 。由于半导体（特别是型半导体）的霍尔常数由于半导体（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，一般都要比金属的大得多，所以在实际应用中，一般都采用采用N N型半导体型半导体材料做霍尔元件。材料做霍尔元件。2024/4/6 周六7三、霍尔元件的结构三、霍尔元件的结构 在长边的两个端面上焊有在长边的两个端面上焊有两根控制电流端引线两根控制电流端引线（图中（图中1 1，11），在元件短边的中间以点的形式焊有），在元件短边的中间以点的形式焊有两根霍尔两根霍尔电压输出端引线电压输出端引线（图中（图中2 2，22）。）。要求焊接处接触电要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触（无阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触（无PNPN结）。结）。2024/4/6 周六8霍尔元件结构很简单，由霍尔元件结构很简单，由霍尔片霍尔片、四根引线四根引线和和壳体壳体组成。组成。霍尔片一般是矩形半导体单晶薄片，国产霍尔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片的尺寸一般为4mm2mm0.1mm4mm2mm0.1mm。近年来采用外延及离子注入工艺或采用溅射工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。艺制造的产品，尺寸小，性能好，并且生产成本低。2024/4/6 周六9一、霍尔元件的主要特性参数一、霍尔元件的主要特性参数）输入电阻）输入电阻i i：霍尔元件两控制电流端的直流电阻。：霍尔元件两控制电流端的直流电阻。）输出电阻）输出电阻o o：两个霍尔电动势输出端之间的电阻。：两个霍尔电动势输出端之间的电阻。）灵敏度）灵敏度：指元件在单位磁感应强度和单位控制：指元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所产生的霍尔电动势。电流下所产生的霍尔电动势。）不等位电动势）不等位电动势o o：在额定控制电流作用下，无外：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。加磁场时，两霍尔输出端之间的开路电压。）不等位电阻）不等位电阻roro：不等位电动势与额定控制电流之：不等位电动势与额定控制电流之比。比。7.27.2 霍尔元件的特性参数及其误差霍尔元件的特性参数及其误差 2024/4/6 周六106 6）额定控制电流）额定控制电流IcIc：额定控制电流是使霍尔元件在：额定控制电流是使霍尔元件在空气中产生空气中产生1010温升的控制电流。大小与霍尔芯片温升的控制电流。大小与霍尔芯片的尺寸有关：尺寸越小，的尺寸有关：尺寸越小，IcIc越小。越小。7 7）寄生直流电势）寄生直流电势vgvg：在不加外磁场时，交流控制电：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。流通过霍尔元件而在霍尔电极之间产生的直流电势。8 8）霍尔电动势温度系数）霍尔电动势温度系数：霍尔电动势变化的百分：霍尔电动势变化的百分数称为霍尔电动势温度系数。数称为霍尔电动势温度系数。9 9）电阻温度系数）电阻温度系数：电阻温度系数：电阻温度系数为温度每变化为温度每变化11霍尔元件材料的电阻变化率。霍尔元件材料的电阻变化率。2024/4/6 周六11二、霍尔元件的误差二、霍尔元件的误差）零位误差）零位误差不等位电动势不等位电动势寄生直流电动势寄生直流电动势感应零电动势感应零电动势自激场零电动势自激场零电动势）温度误差）温度误差注意注意：不等位电动势不等位电动势是霍尔零位误差是霍尔零位误差中最主要中最主要的一种。的一种。2024/4/6 周六12一、霍尔元件的符号及常用电路一、霍尔元件的符号及常用电路 国产器件常用国产器件常用H H代表霍尔元件代表霍尔元件，后面的字母代表元件的材料后面的字母代表元件的材料，数字代表产品的序号。如数字代表产品的序号。如HZ-1HZ-1元件，说明是用元件，说明是用锗材料锗材料制成的霍制成的霍尔元件；尔元件；HT-1HT-1元件，说明是用锑化铟材料制成的元件。元件，说明是用锑化铟材料制成的元件。7.37.3 霍尔集成电路霍尔集成电路霍尔元件的符号霍尔元件的符号2024/4/6 周六132024/4/6 周六14在在磁场与控制电流磁场与控制电流的的作用下，负载上就有电压作用下，负载上就有电压输出。建立霍尔效应的所输出。建立霍尔效应的所需的时间很短（约需的时间很短（约1010-12-121010-14-14s s）,因此控制电流因此控制电流用交流时，控制电流的频用交流时，控制电流的频率也可以很高。率也可以很高。、基本电路、基本电路 R RL L可以是一般电阻，也可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电可以是放大器的输入电阻或指示器内阻阻或指示器内阻控制电流由电源供控制电流由电源供给，其大小可以通过调给，其大小可以通过调节电阻来实现节电阻来实现2024/4/6 周六15、恒流工作电路、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。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。温度变化温度变化引起霍尔元件引起霍尔元件的输入电阻变化，从而使的输入电阻变化，从而使控制电流发生变化带来误控制电流发生变化带来误差，为了减少这种误差，差，为了减少这种误差，常采用常采用恒流源恒流源供电。供电。2024/4/6 周六16、恒压工作电路、恒压工作电路 恒压工作比恒恒压工作比恒流工作的性能流工作的性能要差些，只适要差些，只适用于用于精度要求精度要求不太高不太高的地方。的地方。2024/4/6 周六17、差分放大电路、差分放大电路 霍尔元件的输出霍尔元件的输出电压一般较小，需电压一般较小，需要用要用放大电路放大电路放大放大其输出电压。为了其输出电压。为了获得较好的放大效获得较好的放大效果，需采用差分放果，需采用差分放大电路。大电路。一个运放的放大电路一个运放的放大电路2024/4/6 周六18使使用用一一个个运运算算放放大大器器时时，霍霍尔尔元元件件的的输输出出电电阻阻可可能能会会大大于于运运算算放放大大器器的的输输入入电电阻阻，从从而而产产生生误误差差，而采用上图所示的电路，则不存在这个问题。而采用上图所示的电路，则不存在这个问题。三个运放的三个运放的放大电路放大电路2024/4/6 周六19二、霍尔集成电路二、霍尔集成电路随着集成技术的发展，用集成电路把随着集成技术的发展，用集成电路把霍尔元件霍尔元件和相关的和相关的信号处理部件信号处理部件集成在一个单片上制成集成在一个单片上制成单片集成霍尔元件单片集成霍尔元件。按输出信号的类型，霍尔集成电路可分为按输出信号的类型，霍尔集成电路可分为线性型和开关型线性型和开关型两大类。两大类。2024/4/6 周六201 1、霍尔线性传感器、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霍尔线形传感器的输出电压与外加磁场强度呈线性比例线性比例关系关系。这类传感器一般由这类传感器一般由霍尔元件霍尔元件和和放大器放大器组成，当组成，当外加磁场时外加磁场时,霍尔元件产生与磁场成线性比例变霍尔元件产生与磁场成线性比例变化关系的霍尔电压化关系的霍尔电压,经放大器放大后输出。经放大器放大后输出。霍尔线性传感器有霍尔线性传感器有单端输出和双端输出单端输出和双端输出两种。两种。2024/4/6 周六21UGN-3501TUGN-3501T 单端输出的传感器单端输出的传感器是一种塑料扁平封装的三端元是一种塑料扁平封装的三端元件，它有件，它有T T、U U两种型号，两种型号，T T型与型与U U型的区别仅是厚度型的区别仅是厚度的不同，的不同，T T型厚度为型厚度为2.03mm2.03mm，U U型厚度为型厚度为1.54mm1.54mm。2024/4/6 周六22较典型的线性型三端霍尔器件较典型的线性型三端霍尔器件UGN-3501 线性型三端线性型三端 霍尔集成电路霍尔集成电路2024/4/6 周六23 双端输出线性集成电路双端输出线性集成电路UGN-3501MUGN-3501M采用采用8 8脚封装。脚封装。1 1、8 8两脚为输出，两脚为输出，5 5、6 6、7 7三脚之间接一个电位三脚之间接一个电位器，对不等位电动势进行补偿。器，对不等位电动势进行补偿。UGN-3501MUGN-3501M 2024/4/6 周六242 2、霍尔开关集成传感器、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，并以它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关开关形式输出。形式输出。它它主主要要由由稳稳压压电电源源、霍霍尔尔组组件件、放放大大器器、整整形形电路、输出电路电路、输出电路五部分组成。五部分组成。2024/4/6 周六25 当放大后的当放大后的U UO O电压大于施密特触发器电压大于施密特触发器“开启开启”阈值电压时，输阈值电压时，输出高电平，使出高电平，使V V导通，这种状态我们称之为导通，这种状态我们称之为开状态开状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的当磁场减弱时，霍尔元件输出的U UO O很小，经放大器放大后其值很小，经放大器放大后其值仍然小于施密特整形电路的仍然小于施密特整形电路的“关闭关闭”阈值电压，输出低电平，阈值电压，输出低电平，使使V V截止，这种状态我们称为截止，这种状态我们称为关状态。关状态。结构框图结构框图2024/4/6 周六26 从工作曲线上看，工作特性有一定的磁滞，这对开关动作的从工作曲线上看，工作特性有一定的磁滞，这对开关动作的可靠性可靠性是非常有利的。图中的是非常有利的。图中的B BOPOP为工作点为工作点“开开”的磁感应强度，的磁感应强度，B BRPRP为释放点为释放点“关关”的磁感应强度。的磁感应强度。当外加磁感应强度高于当外加磁感应强度高于B BOpOp时，输出电平由高变低，传感器处时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感应强度低于于开状态。当外加磁感应强度低于B BRPRP时，输出电平由低变高，时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。传感器处于关状态。工作特工作特性曲线性曲线2024/4/6 周六277.47.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I I、B B、三个变量的函数，三个变量的函数，即：即：E EH H=K KH HIBIBcoscos 利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三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。量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。2024/4/6 周六28一、霍尔压力传感器一、霍尔压力传感器 敏感元件敏感元件弹簧片弹簧片一端固定，另一端安装着霍尔元件。一端固定，另一端安装着霍尔元件。当当输输入入压压力力增增加加时时，弹弹簧簧伸伸长长，使使处处于于恒恒定定梯梯度度磁磁场场中中的的霍霍尔尔元元件件产产生生相相应应的的位位移移，从从霍霍尔尔元元件件输输出出的的电电压压的的大大小小即即可可反反映出压力的大小。映出压力的大小。2024/4/6 周六29二、二、霍尔电流传感器霍尔电流传感器 在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，在磁芯上开一气隙，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。中流通电流的大小。2024/4/6 周六30霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示铁心铁心 线性霍尔线性霍尔IC EH=KH IB 2024/4/6 周六311 1）直接测量式霍尔电流传感器）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。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，霍尔器件是在这种应用中，霍尔器件是磁场检测器磁场检测器，它检，它检测的是磁芯气隙中的磁感应强度。电流增大后，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。测量精度产生影响。2024/4/6 周六322024/4/6 周六332 2）零磁通式（磁平衡式）零磁通式（磁平衡式）将霍尔器件的输出将霍尔器件的输出电流放大后，通过补偿电流放大后，通过补偿线圈，并令补偿线圈产线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，若生的磁场方向相反，若满足条件满足条件I IO ON N1 1=I IS SN N2 2，则，则磁芯中的磁通为磁芯中的磁通为0 0，这，这时下式成立时下式成立:当当达达到到磁磁平平衡衡时时，即即可可由由I IS S及及匝匝数数比比N N2 2/N N1 1得得到到I IO O。2024/4/6 周六34三、霍尔传感器用于角度检测三、霍尔传感器用于角度检测 将将霍霍尔尔元元件件置置于于永永久久磁磁铁铁的的磁磁场场中中。其其霍霍尔尔元元件件的的输出与输出与角度角度成正比，即成正比，即 2024/4/6 周六35四、霍尔开关按键四、霍尔开关按键 霍霍尔尔电电路路用用磁磁体体作作为为触触发发媒媒介介，当当磁磁体体接接近近霍霍尔尔电电路路时时，霍霍尔尔电电路路产产生生一一个个电电信信号号，当当磁磁体体离离开开时时电电信信号号消消失失，霍霍尔尔按按键键就就是是按按照照这这个个原原理理来来工工作的。作的。霍尔开关按键开关是一个霍尔开关按键开关是一个无触点无触点的按键开关。的按键开关。2024/4/6 周六36五、五、霍尔无刷电机霍尔无刷电机 1 1、由于无电刷，没、由于无电刷，没有磨损问题，寿有磨损问题，寿命长、可靠性高命长、可靠性高2 2、具有良好的旋转、具有良好的旋转特性，可以取得特性，可以取得很宽的转速特性、很宽的转速特性、噪音低、起动转噪音低、起动转矩为额定转矩的矩为额定转矩的2 23 3倍、稳定性好。倍、稳定性好。2024/4/6 周六372024/4/6 周六38 霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其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，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、所以它在录像机、CDCD唱机、光驱等家用电器中得唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。到越来越广泛的应用。2024/4/6 周六39无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车电动自行车可充电可充电电池组电池组无刷电动机无刷电动机2024/4/6 周六40六、用霍尔集成传感器进行无触点照明控制六、用霍尔集成传感器进行无触点照明控制 带有磁钢的机械带有磁钢的机械臂或其它设备接臂或其它设备接近霍尔传感器近霍尔传感器UGN3040UGN3040时，系时，系统将以无触点的统将以无触点的方式控制灯的亮、方式控制灯的亮、灭。灭。