霍尔式传感器.ppt

项目五 霍尔式传感器 主要学习霍尔传感器的工作原理、主要学习霍尔传感器的工作原理、霍尔集成电路的特性及其在检测技术霍尔集成电路的特性及其在检测技术中的应用，还涉及磁场测量技术。中的应用，还涉及磁场测量技术。一、霍尔元件的结构及工作原理一、霍尔元件的结构及工作原理 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。，这种现象称为霍尔效应。磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况c cd da ab b磁感应强度磁感应强度B B 较大时的情况较大时的情况 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越越强强，霍霍尔电势也就越高。尔电势也就越高。霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，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、d方向的端面之间建立起霍尔电势。方向的端面之间建立起霍尔电势。c cd da ab b式中 RH霍尔常数（m3/C）I控制电流（A）B磁感应强度（B)d霍尔元件的厚度（m）霍尔电势：霍尔常数霍尔常数 霍尔电势与导体厚度霍尔电势与导体厚度d成反比：成反比：为了提高霍尔电势值，为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。霍尔元件制成薄片形状。霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，故金属材料不宜制作霍尔元件霍尔电势也小，故金属材料不宜制作霍尔元件 半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此度）比空穴迁移率高，因此N型半导体型半导体较适合较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。于制造灵敏度高的霍尔元件。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，这这时时的的霍霍尔电势为尔电势为 E EH H=K KH HIBIBcoscos 结论：结论：霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I、磁感应强度、磁感应强度B成成正比，且当正比，且当B和和I的方向改变时，霍尔电势的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势势 二、霍尔元件的结构和基本电路二、霍尔元件的结构和基本电路图（图（a）中，从矩形薄片半导体）中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中面上，引出一对电极，其中1-1电极用于加控制电流，称控制电极用于加控制电流，称控制电极。另一对电极。另一对2-2电极用于引出电极用于引出霍尔电势，称输出极。在基片霍尔电势，称输出极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。等封装作为外壳。图（图（b）是霍尔元件通用的图形）是霍尔元件通用的图形符号。符号。图（图（c）所示，霍尔电极在基片上的位置及它）所示，霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。长度。图（图（d）是基本测量电路）是基本测量电路。差分放大电路差分放大电路 霍尔元件的输出电压一般较小，需要用放大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。果，需采用差分放大电路。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，采用下图所示的电路，则不存在这个问题。差，采用下图所示的电路，则不存在这个问题。三、霍尔元件的主要外特性参数三、霍尔元件的主要外特性参数 最大最大磁感应强度磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯？高斯至正的多少高斯？(1特斯拉特斯拉10000高斯高斯)线性区线性区最大最大激励电流激励电流IM:由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。几毫安至十几毫安。以下哪一个激励电流的数值较为妥当？以下哪一个激励电流的数值较为妥当？5 5A 0.1mA 2mA 80mAA 0.1mA 2mA 80mA 四、霍尔集成电路四、霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为霍尔集成电路可分为 （1 1）线性型）线性型 （2 2）开关型）开关型 线性型集成电路是将线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性霍尔元件和恒流源、线性差动放大器差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。比直接使用霍尔元件方便得多。（1）线性型）线性型单端输出传感器：三端器件单端输出传感器：三端器件双端输出传感器：双端输出传感器：8脚双列直插封装元件脚双列直插封装元件UGN-3501TUGN-3501T 是一种塑料扁平封装的三端元件，它有是一种塑料扁平封装的三端元件，它有T T、U U两种两种型号，型号，T T型与型与U U型的区别仅是厚度的不同，型的区别仅是厚度的不同，T T型厚型厚度为度为2.03mm2.03mm，U U型厚度为型厚度为154mm1.54mm。UGN-3501MUGN-3501M 双端输出线形集成电路双端输出线形集成电路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器，三脚之间接一个电位器，对不等位电动势进行补偿。对不等位电动势进行补偿。线性型霍尔特性线性型霍尔特性 右图示出了具有右图示出了具有双端差动输出特性的线双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向当感受的磁场为正向（磁钢的（磁钢的S S极对准霍尔极对准霍尔器件的正面）时，器件的正面）时，输输出为正；磁场反向时，出为正；磁场反向时，输出为负。输出为负。请画出线性范围请画出线性范围（2 2）开关型）开关型 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如型霍尔器件如UGN3020等。等。开关型霍尔集成电路的开关型霍尔集成电路的外形及内部电路外形及内部电路OCOC门门 施密特施密特 触发电路触发电路 双端输入、双端输入、单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件元件.VccVcc 当放大后的电压当放大后的电压U UO O大于施密特触发器大于施密特触发器“开启开启”阈值电压时，施密特整形电路翻转，输出高电平，阈值电压时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使使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。当磁场减弱时，霍尔元件输出的弱时，霍尔元件输出的U UO O很小，经放大器放大后其很小，经放大器放大后其值仍然小于施密特整形电路的值仍然小于施密特整形电路的“关闭关闭”阈值电压，阈值电压，施密特整形电路再次翻转，输出低电平，使施密特整形电路再次翻转，输出低电平，使V V截止，截止，这种状态称为这种状态称为关状态关状态。工作原理：工作原理：开关型霍尔集成电路的史密特输出特性开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越大，抗回差越大，抗振动干扰能力振动干扰能力就越强。就越强。当磁铁从远到近地接近霍尔当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多，到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？相少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？相当于多少高斯（当于多少高斯（Gs）？）？五、霍尔传感器的应用五、霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、三个变三个变量的函数，即量的函数，即 EH=KHIBcos 。利用。利用这个关系可以使其中两个量不变，将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。得霍尔传感器有许多用途。1.霍尔特斯拉计霍尔特斯拉计（高斯计）（高斯计）霍尔元件霍尔元件高斯计：高斯计：接受所测物体的电磁波频率，然后接受所测物体的电磁波频率，然后转换成参数量显示出来。主要用来测试高转换成参数量显示出来。主要用来测试高电压环境电磁波电压环境电磁波特斯拉计：特斯拉计：主要是检测磁体单位面积磁通量主要是检测磁体单位面积磁通量的多少，也就是检测磁感应强度。的多少，也就是检测磁感应强度。霍尔高斯计（特斯拉计）的使用霍尔高斯计（特斯拉计）的使用 霍尔元霍尔元件件磁铁磁铁霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件测量铁心测量铁心 气隙的气隙的B值值2.霍尔转速表霍尔转速表 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。转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿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，过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮放大、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。的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。霍尔转速传感器在汽车防抱死装置霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用）中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生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车轮的转危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。动状态有助于控制刹车力的大小。带有微带有微型磁铁型磁铁的霍尔的霍尔传感器传感器钢质钢质霍尔霍尔霍尔转速表的其他安装方法霍尔转速表的其他安装方法 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动从而或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。引起霍尔电势的变化，产生转速信号。霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁3.霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了换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，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电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在问题，所以它在录像机、录像机、CD唱机唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。的应用。普通直流电动机使用普通直流电动机使用的电刷和换向器的电刷和换向器光驱用的无刷电动机内部结构光驱用的无刷电动机内部结构1 1由于无电刷，没有磨损问题，寿命长、可靠性高。由于无电刷，没有磨损问题，寿命长、可靠性高。2 2具具有有良良好好的的旋旋转转特特性性，可可以以取取得得很很宽宽的的转转速速特特性性、噪音低、起动转矩为额定转矩的噪音低、起动转矩为额定转矩的2 23 3倍、稳定性好。倍、稳定性好。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4.霍尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁钕铁硼磁铁。霍尔式接近开关霍尔式接近开关 用霍尔用霍尔ICIC也能完成接近开关的功能，但是它只能也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。合磁场。在右图中，当磁在右图中，当磁铁随运动部件移动到铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫距霍尔接近开关几毫米时，霍尔米时霍尔ICIC的输出的输出由高电平变为低电平，由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运吸合或释放，控制运动部件停止移动（否动部件停止移动（否则将撞坏霍尔则将撞坏霍尔ICIC）起）起到限位的作用。到限位的作用。霍尔式接近开关用于转霍尔式接近开关用于转速测量演示速测量演示n=6060f4(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T5.霍尔电流传感器霍尔电流传感器 将被测电流的将被测电流的导线穿过霍尔电流导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。传感器的检测孔。当有电流通过导线当有电流通过导线时，在导线周围将时，在导线周围将产生磁场，磁力线产生磁场，磁力线集中在铁心内，并集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而过霍尔元件，从而产生与电流成正比产生与电流成正比的霍尔电压。的霍尔电压。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 其他霍尔电其他霍尔电流传感器流传感器霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示直流直流200A量程量程被测电流的被测电流的导线未放入导线未放入铁心时示值铁心时示值为零为零70.9A70.9A钳形表的环形铁钳形表的环形铁心可以张开，心可以张开，导线由此穿过导线由此穿过霍尔钳形霍尔钳形 电电流表演示流表演示霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示电流表演示霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示电流表演示70.9A70.9A霍尔钳形电流表的使用霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入钳被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的手指按下此处，将钳形表的铁心张开铁心张开将被测电流导线逐根夹将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中到钳形表的环形铁心中霍尔钳形电流表的使用（续）霍尔钳形电流表的使用（续）叉形叉形钳形表钳形表漏磁稍大，漏磁稍大，但使用方便但使用方便 用用钳形表测量钳形表测量 电动机的相电流电动机的相电流