霍尔效应原理图.pptx

2024/8/9 周五1第六章第六章霍尔传感器霍尔传感器本章主要讲述内容：本章主要讲述内容：1、霍尔传感器的工作原理、霍尔传感器的工作原理2、霍尔元件的基本结构和主要技术指标、霍尔元件的基本结构和主要技术指标3、霍尔元件的测量电路、霍尔元件的测量电路4、霍尔传感器举例、霍尔传感器举例2024/8/9 周五2概述：概述：霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，得到广泛的应用。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。特点：特点：霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。第一节第一节霍尔元件的基本工作原理霍尔元件的基本工作原理2024/8/9 周五3霍尔效应原理图霍尔效应原理图2024/8/9 周五4霍尔元件霍尔元件 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流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。电动势，这种物理现象称为霍尔效应。2024/8/9 周五5设图中的材料是型半导体，导电的载流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，电子将子是电子。在轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿轴负方向力的作用，这个力就是受到一个沿轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。它的大小为：洛仑兹力。它的大小为：FL=evB zxyIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极 C、D-控制电极F FL L2024/8/9 周五6电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电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场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为式中式中EH为霍尔电场为霍尔电场，e为电子电量，为电子电量，UH为霍尔为霍尔电势电势。当。当FL=FE时，电时，电子的积累达到动平衡，子的积累达到动平衡，即即所以所以IADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极F FL LF FE E2024/8/9 周五7设流过霍尔元件的设流过霍尔元件的电流为电流为I 时，时，式中式中ld为与电流方为与电流方向垂直的截面积，向垂直的截面积，n 为为单位体积内自由电子数单位体积内自由电子数(载流子浓度载流子浓度)。则。则IADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极F FL LF FE E2024/8/9 周五8令令RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子浓度大于半导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，半导体霍尔体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。系数大于导体。霍尔系数及灵敏度霍尔系数及灵敏度则则2024/8/9 周五9KH为霍尔元件的灵敏度。为霍尔元件的灵敏度。由由上上述述讨讨论论可可知知，霍霍尔尔元元件件的的灵灵敏敏度度不不仅仅与与元元件件材材料料的的霍霍尔尔系系数数有有关关，还还与与霍霍尔尔元元件件的的几几何何尺尺寸寸有有关关。一一般般要要求求霍霍尔尔元元件件灵灵敏敏度度越越大大越越好好，霍霍尔尔元元件件灵灵敏敏度度的的公公式式可可知知，霍霍尔尔元元件件的厚度的厚度d与与KH成反比。成反比。令令则则2024/8/9 周五10通过以上分析可知：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，KH 愈小，霍尔灵敏度愈低；n 愈小，KH 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2024/8/9 周五112）霍尔电压UH与元件的尺寸有关。d 愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度愈高，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。霍尔电压UH与控制电流及磁场强度成正比，当磁场改变方向时，也改变方向。2024/8/9 周五12v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v UH=KHIBcosIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极 C、D-控制电极2024/8/9 周五13v3）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。v4）霍尔电压UH与磁场B和电流I成正比，只要测出UH，那么B或I的未知量均可利用霍尔元件进行测量。2024/8/9 周五14一、霍尔元件的基本结构组成一、霍尔元件的基本结构组成由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。第二节第二节 霍尔元件的基本结构和主霍尔元件的基本结构和主要技术指标要技术指标2024/8/9 周五15v国产霍尔元件型号的命名方法2024/8/9 周五16二、主要技术指标1、额定控制电流、额定控制电流IC和最大控制电流和最大控制电流ICmv霍尔元件在空气中产生10的温升时所施加的控制电流称为额定控制电流IC。在相同的磁感应强度下，IC值较大则可获得较大的霍尔输出。v霍尔元件限制IC的主要因素是散热条件。v随着激励电流的增大，霍尔元件的功耗也随之增大，元件的温度升高，将引起霍尔电势的温漂。因此对霍尔元件要规定最大激励电流。2024/8/9 周五17v一般锗元件的最大允许温升Tm80，硅元件的Tm175。当霍尔元件的温升达到Tm时的电流电流就是最大控制电流ICm。2024/8/9 周五18 霍尔元件的乘积灵敏度定义为在单位控制电流和单位磁感应强度下，霍尔电势输出端开路时的电势值，其单位为V（AT），它反应了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希望它越大越好。2、乘积灵敏度KH其定义2024/8/9 周五193、输入电阻、输入电阻Ri和输出电阻和输出电阻R0vRi是指流过控制电流的电极（简称控制是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值，电极）间的电阻值，R0是指霍尔元件的是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻，单位为的电阻，单位为。可以在无磁场即。可以在无磁场即B0和室温（和室温（205）时，用欧姆表等时，用欧姆表等测量。测量。2024/8/9 周五20v若温度变化，则引起输入电阻变化，从而使输入电流发生改变，最终导致霍尔电势变化。输出电阻也会随着环境温度的变化而变化。v适当选择负载与之匹配，可以减小霍尔电势的温度漂移。2024/8/9 周五213.最大磁感应强度BMv由霍尔效应可知，磁感应强度的增加将使霍尔电势的输出增加。但磁感应强度若超过一定的界限，霍尔电势的非线性明显增加，故规定了BM来抑制非线性。2024/8/9 周五22 在额定控制电流 Ic 之下，不加磁B0时，霍尔电极间的空载霍尔电势UH0，称为不平衡(不等位)电势，单位为mV。一般要求霍尔元件的UH1mV，好的霍尔元件的UH可以小于0.1mV。不等位电势和额定控制电流Ic之比为不等位电阻RM，即5 5、不等位电势、不等位电势U UM M和不等位电阻和不等位电阻R RM M2024/8/9 周五23不不平平衡衡电电势势UH是是主主要要的的零零位位误误差差。因因为为在在工工艺艺上上难难以以保保证证霍霍尔尔元元件件两两侧侧的的电电极极焊焊接接在在同同一一等等电电位位面面上上。如如下下图图(a)(a)所所示示。当当控控制制电电流流I I流流过过时时，即即使使末末加加外外磁磁场场，A A、B B两两电电极极此此时时仍仍存存在在电电位位差差，此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）UH。2024/8/9 周五24在在一一定定的的磁磁感感应应强强度度和和控控制制电电流流下下，温温度度变变化化11时时，霍霍尔尔电电势势变变化化的的百百分分率率称称为为霍霍尔尔电电势势温温度度系数系数，单位为，单位为1 1。6 6、霍尔电势温度系数、霍尔电势温度系数2024/8/9 周五25一、基本测量电路一、基本测量电路 控控制制电电流流I I由由电电源源E E供供给给，电电位位器器R R调调节节控控制制电电流流I I的的大大小小。霍霍尔尔元元件件输输出出接接负负载载电电阻阻R RL L，R RL L可可以以是是放放大大器器的的输输入入电电阻阻或或测测量量仪仪表表的的内内阻阻。由由于于霍霍尔尔元元件件必必须须在在磁磁场场与与控控制制电电流流作作用用下下，才才会会产产生生霍霍尔尔电电势势U UH H，所所以以在在测量中，可以把测量中，可以把 I I第三节第三节 霍尔元件的测量电路霍尔元件的测量电路与与 B B 的乘积、或者的乘积、或者 I I，或者，或者 B B 作为输入情号，则霍作为输入情号，则霍尔元件的输出电势分别正比于尔元件的输出电势分别正比于 IB IB 或或 I I 或或 B B。2024/8/9 周五26为了获得较大的霍尔输出电势，可以为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。下图采用几片叠加的连接方式。下图(a)为直流为直流供电，控制电流端并联输出串联。下图供电，控制电流端并联输出串联。下图(b)为交流供电，控制电流端串联变压器叠加为交流供电，控制电流端串联变压器叠加输出。输出。连接方式连接方式2024/8/9 周五27由由于于载载流流子子浓浓度度等等随随温温度度变变化化而而变变化化，因因此此会会导导致致霍霍尔尔元元件件的的内内阻阻、霍霍尔尔电电势势等等也也随随温温度度变变化化而而变变化化。这这种种变变化化程程度度随随不不同同半半导导体体材材料料有有所所不不同同。而而且且温温度度高高到到一一定定程程度度，产产生生的的变变化化相相当当大大。温温度度误误差差是是霍霍尔尔元元件件测测量量中中不不可可忽视的误差。忽视的误差。针针对对温温度度变变化化导导致致内内阻阻(输输入入、输输出出电电阻阻)的的变变化化，可可以以采采用用对对输输入入或或输输出出电电路路的的电电阻阻进进行补偿。行补偿。二、温度误差及其补偿二、温度误差及其补偿2024/8/9 周五28合理选择负载电阻v如上图所示，若霍尔电势输出端接负载电阻RL，则当温度为T时，RL上的电压可表示为：式中 R0霍尔元件的输出电阻。2024/8/9 周五29v当温度由T变为T+T时，则RL上的电压变为式中 霍尔电势的温度系数；霍尔元件输出电阻的温度系数。要使UL不受温度变化的影响，即UL0，由上两式可知，必须对上式进行整理可得2024/8/9 周五30 对于一个确定的霍尔元件，可以方便地获得、和R0的值，因此只要使负载电阻RL满足上式，就可在输出回路实现对温度误差的补偿了。虽然RL通常是放大器的输入电阻或表头内阻，其值是一定的，但可通过串、并联电阻来调整RL的值。2024/8/9 周五31（三）采用热敏元件v对于由温度系数较大的半导体材料（如锑化铟）制成的霍尔元件，常采用右图所示的温度补偿电路，图中Rt是热敏元件（热电阻或热敏电阻）。2024/8/9 周五32v图（a）是在输入回路进行温度补偿电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔元件的乘积灵敏度KH和输入电阻Ri变化对霍尔输出电势UH的影响。2024/8/9 周五33 图（b）则是在输出回路进行温度补偿的电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔电势UH和输出电阻R0变化对负载电阻RL上的电压UL的影响。在安装测量电路时，应使热敏元件和霍尔元件的温度一致。2024/8/9 周五34 不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。在分析不等位电势时，可将霍尔元件等效为一个电桥，如右图所示。控制电极A、B和霍尔电极C、D可看作电桥的电阻连接点。它们之间分布电阻R1、R2、R3、R4构成四个桥臂，控制电压可视为电桥的工作电压。三、不等位电势的补偿三、不等位电势的补偿2024/8/9 周五35 理想情况下，不等位电势UM=0，对应于电桥的平衡状态，此时R1R2R3R4。如果霍尔元件的UM0，则电桥就处于不平衡状态，此时R1、R2、R3、R4的阻值有差异，UM就是电桥的不平衡输出电压。只要能使电桥达到平衡的方法都可作为不等位电势的补偿方法。2024/8/9 周五36（一）基本补偿电路（一）基本补偿电路 v霍尔元件的不等位电势补偿电路有多种形式，图97为两种常见电路，其中RW是调节电阻。v基本补偿电路没有考虑温度变化的影响。当温度发生变化，需要重新进行平衡调节。2024/8/9 周五37（二）具有温度补偿的补偿电路v右图是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路。该补偿电路本身也接成桥式电路，其工作电压有霍尔元件的控制电压提供；其中一个为热敏电阻Rt，并且于霍尔元件的等效电阻的温度特性相同。2024/8/9 周五38v在该电桥的负载电阻RP2上取出电桥的部分输出电压（称为补偿电压），与霍尔元件的输出电压反向串联。在磁感应强度B为零时，调节RP1和RP2，使补偿电压抵消霍尔元件此时输出的不等位电势，从而使B0时的总输出电压为零。2024/8/9 周五39v优点：采用桥式补偿电路，可以在霍尔元件的整个温度范围内对不等位电势进行良好的补偿，并且对不等位电势的恒定部分和变化部分的补偿可独立地进行调节。所以，可达到相当高的补偿精度。2024/8/9 周五40第四节 霍尔式传感器举例v一、将被测量转换为磁感应强度Bv保持霍尔元件的控制电流I恒定不变，就可测量磁感应强度B，以及位移、角度等可直接转换为B的物理量，进一步还可以测量先转换成位移或角度、然后间接转换为B的物理量，如振动、压力、速度、加速度、转速等等。v下面以霍尔式压力传感器为例进行说明。2024/8/9 周五41 图图9-9 9-9 霍尔压力传感器结构原理图霍尔压力传感器结构原理图霍尔元件霍尔元件霍尔元件霍尔元件磁钢磁钢磁钢磁钢压力压力压力压力P P波登管波登管波登管波登管NSNSSNSN霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器2024/8/9 周五42vv霍尔式压力传感器由两部分组霍尔式压力传感器由两部分组成：一部分是弹性敏感元件的成：一部分是弹性敏感元件的波登管用以波登管用以感受压力感受压力P P，并将，并将P P转换为弹性元件的转换为弹性元件的位移量位移量x x，即即x xK KP PP P，其中系数，其中系数K KP P为常数。为常数。vv另一部分是霍尔元件和磁系统，另一部分是霍尔元件和磁系统，磁系统形成一个均匀梯度磁场，磁系统形成一个均匀梯度磁场，如右图所示，在其工作范围内，如右图所示，在其工作范围内，B BK KB Bx x，其中斜率，其中斜率K KB B为常数；为常数；霍尔元件固定在弹性元件上，霍尔元件固定在弹性元件上，因此霍尔元件在均匀梯度磁场因此霍尔元件在均匀梯度磁场中的位移也是中的位移也是x x。这样，霍尔电势这样，霍尔电势U UH H与被测压力与被测压力P P之间的关系就可表示为之间的关系就可表示为U UH HK KH HIBIBK KH HIKIKB BK KP PP PKPKP式中式中 K KH HIKIKB BK KP PKK霍尔式压力传感器的输出灵敏度。霍尔式压力传感器的输出灵敏度。2024/8/9 周五432 2检测铁磁物体检测铁磁物体 在霍尔线性电路背面偏置一个永磁体，如图所示。图（在霍尔线性电路背面偏置一个永磁体，如图所示。图（a）表示检测铁磁物体的缺口，图（表示检测铁磁物体的缺口，图（b）表示检测齿轮的齿。它们）表示检测齿轮的齿。它们的电路接法见图。用这种方法可以检测齿轮的转速。的电路接法见图。用这种方法可以检测齿轮的转速。用霍尔线性电路检测铁磁物体用霍尔线性电路检测铁磁物体用霍尔线性电路检测齿口的线路用霍尔线性电路检测齿口的线路2024/8/9 周五443 3 无损探伤无损探伤 霍霍尔尔无无损损探探伤伤已已在在炮炮膛膛探探伤伤、管管道道探探伤伤，海海用用缆缆绳绳探探伤伤，船船体体探探伤伤以以及及材材料检验等方面得到广泛应用。料检验等方面得到广泛应用。铁铁磁磁材材料料受受到到磁磁场场激激励励时时，因因其其导导磁磁率率高高，磁磁阻阻小小，磁磁力力线线都都集集中中在在材材料料内内部部。若若材材料料均均匀匀，磁磁力力线线分分布布也也均均匀匀。如如果果材材料料中中有有缺缺陷陷，如如小小孔孔、裂裂纹纹等等，在在缺缺陷陷处处，磁磁力力线线会会发发生生弯弯曲曲，使使局局部部磁磁场场发发生生畸畸变变。用用霍霍尔尔探探头头检检出出这这种种畸畸变变，经经过过数数据据处处理理，可可辨辨别别出出缺缺陷陷的的位位置置，性性质质（孔孔或或裂裂纹纹）和大小（如深度、宽度等），图示出两种用于无损探伤的探头结构。和大小（如深度、宽度等），图示出两种用于无损探伤的探头结构。(a)无损探伤的探头结构无损探伤的探头结构(b)检测板材用检测板材用图图1用于无损探伤的两种霍尔探头用于无损探伤的两种霍尔探头2024/8/9 周五454 4 霍尔齿轮传感器霍尔齿轮传感器 新新一一代代的的霍霍尔尔齿齿轮轮转转速速传传感感器器，广广泛泛用用于于新新一一代代的的汽汽车车智智能能发发动动机机，作作为为点点火火定定时时用用的的速速度度传传感感器器，用于用于ABSABS（汽车防抱死制动系统）作为车速传感器等。（汽车防抱死制动系统）作为车速传感器等。在在汽汽车车的的新新一一代代智智能能发发动动机机中中，用用霍霍尔尔齿齿轮轮传传感感器器来来检检测测曲曲轴轴位位置置和和活活塞塞在在汽汽缸缸中中的的运运动动速速度度，以以提提供供更更准准确确的的点点火火时时间间，其其作作用用是是别别的的速速度度传传感感器器难难以代替的，它具有如下许多新的优点。以代替的，它具有如下许多新的优点。2024/8/9 周五465霍尔接近传感器和接近开关霍尔接近传感器和接近开关在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装在一个壳体将它们和相应的处理电路装在一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来，构成如图起来，构成如图2所示的接近传感器。所示的接近传感器。图图2霍尔接近传感器的外形图霍尔接近传感器的外形图2024/8/9 周五47霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑色霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑色金属的厚度检测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速金属的厚度检测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。角度检测等。接近开关接近开关霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程置控制，加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等的自动衔接、液位控制、转速检测等等。2024/8/9 周五486 6旋转传感器旋转传感器 按按不不同同的的方方法法设设置置磁磁体体，将将它它们们和和霍霍尔尔开开关关电电路路组组合合起起来来可可以以构构成成各各种种旋旋转转传传感感器器。霍霍尔尔电电路路通通电电后后，磁磁体体每每经经过过霍霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。尔电路一次，便输出一个电压脉冲。(a)(a)径向磁极径向磁极 (b)(b)轴向磁极轴向磁极 (c)(c)遮断式遮断式 图图3旋转传感器磁体设置旋转传感器磁体设置2024/8/9 周五49由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物由此，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。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。关电路，可制成车速表，里程表等等。2024/8/9 周五50图图4霍尔流量计霍尔流量计图图4的壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体旁的壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开关电路，被测流体从管道一端通装有霍尔开关电路，被测流体从管道一端通入，推动叶轮带动与之相连的磁体转动，经入，推动叶轮带动与之相连的磁体转动，经过霍尔器件时，电路输出脉冲电压，由脉冲过霍尔器件时，电路输出脉冲电压，由脉冲的数目，可以得到流体的流速。若知管道的的数目，可以得到流体的流速。若知管道的内径，可由流速和管径求得流量。霍尔电路内径，可由流速和管径求得流量。霍尔电路由电缆来供电和输出由电缆来供电和输出。2024/8/9 周五517 霍尔压力传感器霍尔压力传感器 霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如图组成，如图5 5所示。在图所示。在图5 5中，（中，（a a）的弹性元件为膜盒，）的弹性元件为膜盒，(b)(b)为弹簧片，为弹簧片，(c)(c)为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统。加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相场的复合系统。加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压电压V VH H。由事先校准的。由事先校准的p pf(VH)f(VH)曲线即可得到被测压力曲线即可得到被测压力p p的的值。值。图图5几种霍尔压力传感器的构成原理几种霍尔压力传感器的构成原理 2024/8/9 周五52v8霍尔应力检测装置霍尔应力检测装置v图图6示出用来进行土壤和砂子与钢界面示出用来进行土壤和砂子与钢界面上的法向和切向应力检测的霍尔传感器上的法向和切向应力检测的霍尔传感器装置。装置。(a)检测剪切应力，检测剪切应力，(b)检测压应力。检测压应力。箭头所指是施加的外力方向。箭头所指是施加的外力方向。2024/8/9 周五53图图6霍尔应力检测装置霍尔应力检测装置v在图在图6(a)6(a)中，仪器上用钢作成上下两个块子，它们之间有中，仪器上用钢作成上下两个块子，它们之间有两条较细的梁支撑，在钢下块上置一销柱，销上贴两对永磁两条较细的梁支撑，在钢下块上置一销柱，销上贴两对永磁体，形成均匀梯度磁场，在上块上贴两个霍尔传感器，受剪体，形成均匀梯度磁场，在上块上贴两个霍尔传感器，受剪切力作用后，支撑梁发生形变，使霍尔传感器和磁场间发生切力作用后，支撑梁发生形变，使霍尔传感器和磁场间发生位移，使传感器输出发生变化。由霍尔传感器的输出可从事位移，使传感器输出发生变化。由霍尔传感器的输出可从事先校准的曲线上查得与该装置相接的砂或土受到的剪切应力。先校准的曲线上查得与该装置相接的砂或土受到的剪切应力。图图6(b)6(b)的的磁磁体体固固定定在在受受力力后后产产生生形形变变的的膜膜片片上上，霍霍尔尔传传感感器器固固定定在在一一杆杆上上。检检测测原原理理同同上上。应应用用检检测测压压应应力力的的原原理理，可可构成检测重量的装置，称作霍尔称重传感器。构成检测重量的装置，称作霍尔称重传感器。2024/8/9 周五54实现电磁电的转换实现电磁电的转换 v众所周知众所周知,在有电流流过的导线周围会感在有电流流过的导线周围会感生出磁场生出磁场,该磁场与流过的电流的关系该磁场与流过的电流的关系,可可由安培环路定理求出。由安培环路定理求出。用霍尔器件检测用霍尔器件检测由电流感生的磁场由电流感生的磁场,即可测出产生这个磁即可测出产生这个磁场的电流的量值。由此场的电流的量值。由此,可以构成霍尔电可以构成霍尔电流、电压传感器。流、电压传感器。2024/8/9 周五55因因为为霍霍尔尔器器件件的的输输出出电电压压与与加加在在它它上上面面的的磁磁感感应应强强度度以以及及流流过过其其中中的的工工作作电电流流的的乘乘积积成成比比例例，是是一一个个具具有有乘乘法法器器功功能能的的器器件件，因因而而可可用用它它检检测测电电功功率率，构构成成具具有有各各种种特特殊殊功功能能的的霍霍尔功率计和霍尔电度表。尔功率计和霍尔电度表。由由输输入入的的电电信信号号建建立立的的磁磁场场，经经霍霍尔尔器器件件的的作作用用，实实现现了了磁磁电电变变换换后后，又又变变成成电电信信号号输输出出，这这一一变变换换实实现现了了输输入入输输出出信信号号间间的的电电隔隔离离，由由此此可可构构成成隔隔离离放放大大器器、隔隔离离耦耦合合器器等等许许多新型产品。多新型产品。2024/8/9 周五56v9霍尔电流传感器霍尔电流传感器v霍尔电流传感器的结构如图霍尔电流传感器的结构如图7所示。用一环形所示。用一环形导磁材料作成磁芯，套在被测电流流过的导线导磁材料作成磁芯，套在被测电流流过的导线上，将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁上，将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中通电后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流。图流通的电流。图7（a）所示的传感器用于测量）所示的传感器用于测量电流强度较小的电流，图电流强度较小的电流，图7(b)所示的传感器用所示的传感器用于检测较大的电流。实际的霍尔电流传感器有于检测较大的电流。实际的霍尔电流传感器有两种构成形式，即直接测量式和零磁通式。两种构成形式，即直接测量式和零磁通式。图图77霍尔电流传感器的构成原理霍尔电流传感器的构成原理2024/8/9 周五57v10用作电磁隔离耦合器用作电磁隔离耦合器v用霍尔电流传感器的工作原理，可做成电磁耦合器。用霍尔电流传感器的工作原理，可做成电磁耦合器。用初级线圈的电流控制霍尔器件的输出，用这个输出用初级线圈的电流控制霍尔器件的输出，用这个输出信号控制其它的电路，既收到隔离的效果，又达到耦信号控制其它的电路，既收到隔离的效果，又达到耦合的目的。用这种电路可做成霍尔继电器、过载保护合的目的。用这种电路可做成霍尔继电器、过载保护器、通信线路的保护开关等等。器、通信线路的保护开关等等。v这种电磁耦合器既可做成开关式，也可做成模拟量输这种电磁耦合器既可做成开关式，也可做成模拟量输出式。出式。v此外，用霍尔器件还可检测异步电机的转差率和转速；此外，用霍尔器件还可检测异步电机的转差率和转速；测量磁性材料的磁化强度、各向异性、旋转损耗和时测量磁性材料的磁化强度、各向异性、旋转损耗和时间效应；测量直流电机的电磁力矩等等；还可和热磁间效应；测量直流电机的电磁力矩等等；还可和热磁材料组合起来，构成热磁开关。材料组合起来，构成热磁开关。vv总之，因为霍尔器件的应用原理简单，信号处理方便，总之，因为霍尔器件的应用原理简单，信号处理方便，器件本身又具有一系列的独特优点，使其应用组合千器件本身又具有一系列的独特优点，使其应用组合千变万化。作为一种磁场传感器和磁电转换的基础器件，变万化。作为一种磁场传感器和磁电转换的基础器件，随着人们对它的熟悉和了解，它们将象其他传感器等随着人们对它的熟悉和了解，它们将象其他传感器等基础器件一样，在各种信息采集和处理中发挥越来越基础器件一样，在各种信息采集和处理中发挥越来越重要的作用。重要的作用。2024/8/9 周五58本章小结v1、在霍尔元件的平面法线方向施加磁感应强度B，经由控制电流引线通入控制电流，则由于洛仑兹力的作用，两个霍尔电极上出现相反极性载流子的积累，从而在霍尔电势输出引线之间产生霍尔电势UH，这一现象称为霍尔效应，并存在关系UHKHIB。vKH称为霍尔元件的乘积灵敏度，它反映了霍尔元件的磁电转换能力。v对于N型半导体，v对于P型半导体，2024/8/9 周五59v2、霍尔元件是一种半导体四端薄片，一般呈正方形，在薄片相对两侧引出对称焊接两队电极，分别称为激励电流端，霍尔电视输出端。v3、当通入额定直流控制电流IC而外磁场B0时，霍尔电势输出并不为零，而存在一个不等位电势UM，从而对测量结果造成误差。霍尔元件可以等效为一个电桥，UM产生的原因就归结为该电桥的不平衡。因此使用时，应对UM进行良好的补偿。