1、1 磁電式傳感器是通過磁電作用將被測非電量轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。主要有磁電感應(yīng)式傳感器、磁柵式傳感器和磁敏式傳感器。 磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動產(chǎn)生感應(yīng)電勢，該類傳感器只適用于動態(tài)測量，可直接測量振動物件的速度或旋轉(zhuǎn)體的角速度。 磁柵式傳感器是利用磁頭和磁柵相對移動，從而在磁頭上感應(yīng)出電信號，此類傳感器屬于數(shù)字式傳感器的一種。 磁敏式傳感器是利用半導(dǎo)體中的自由電子或空穴隨磁場改變運動方向這一特性而制成的一種傳感器。分為體型和結(jié)型兩大類。q 體型：霍爾傳感器（InSb,InAs,Ge,Si,GaAs）和磁敏電阻（InSb,InAs）;q 結(jié)型：磁敏二極管（Ge,Si）、磁敏

2、三極管（Si）。 9.1 霍爾傳感器9.2 磁敏電阻 9.3 結(jié)型磁敏管2 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器。 1879年美國物理學(xué)家霍爾（E.H.Hall）首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng), 但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, 開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。 優(yōu)點：靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、功耗小、頻率高（可達(dá)1MHz）、耐高溫、耐震動、不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 已廣泛應(yīng)用于非電量測量、自動控制、計算機裝置和現(xiàn)代軍事技術(shù)等各個領(lǐng)域。9.1 霍爾傳感器3

3、一、霍爾效應(yīng)和工作原理 二、霍爾元件主要技術(shù)參數(shù) 三、基本誤差及其補償四、霍爾元件的應(yīng)用電路五、集成霍爾器件六、霍爾傳感器的應(yīng)用 按功能可將它們分為：霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件 。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。 霍爾線性器件的精度高、線性度好； 霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)m級）。 采用了各種補償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)55150。4一、霍爾效應(yīng)和工作原理1. 霍爾效應(yīng) 一塊半導(dǎo)體薄片，其長度為l ，寬度為b ，厚度為d ，當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，如果在它相對的兩邊通以控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)

4、體另外兩邊將產(chǎn)生一個大小與控制電流I 和磁感應(yīng)強度B 乘積成正比的電勢UH，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電勢稱為霍爾電勢，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件?；魻栃?yīng)原理圖霍爾效應(yīng)原理圖圖形符號圖形符號5c cd da ab b霍爾效應(yīng)演示6UHKH I B KH霍爾元件的靈敏度。 若保持I恒定，作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢UH也就越高。 若磁感應(yīng)強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度 時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時的霍爾電勢為UH =KHIBcos 72. 工作原理 霍爾效應(yīng)是物質(zhì)中的運動電荷受磁場中洛侖茲（Lore

5、ntz)力作用而產(chǎn)生的一種特性。 霍爾元件(設(shè)為N 型半導(dǎo)體)置于磁場B中，當(dāng)通以電流I 時，運動電荷（載流子電子）受磁場中洛侖茲力fL 的作用，向垂直于B 和電流I的方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即運動電荷（電子）有向某一端積聚的現(xiàn)象，使霍爾元件一端面產(chǎn)生負(fù)電荷積聚，另一端面則為正電荷積聚。由于電荷聚積，產(chǎn)生靜電場，該靜電場對運動電荷（電子）的作用力fE 與洛侖茲力fL方向相反，阻止其偏轉(zhuǎn)，當(dāng)二力相等時，電荷積累達(dá)到動態(tài)平衡，此時的靜電場即為霍爾電場，在電荷積聚的兩面上產(chǎn)生的電勢稱為霍爾電勢霍爾電勢。 (a)磁場為磁場為0時電子的流動時電子的流動 (b)電子在洛侖茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)電子在

6、洛侖茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn) (c)電荷積累達(dá)到平衡時電荷積累達(dá)到平衡時8 洛侖茲力 fL = evB e 電子所帶電荷量 v 電子運動平均速度 B 磁感應(yīng)強度 霍爾電場作用力 fE = eEH = eUH /bEH 霍爾電場 UH 霍爾電勢 b 霍爾片的寬度 動態(tài)平衡時 fL = fE 則 evB =eUH /b由于電流密度 J =nev，則電流強度為 I =nevbd N型半導(dǎo)體： P型半導(dǎo)體：式中，d 霍爾片厚度 n 電子濃度 p 空穴濃度nedIBvbBUHpedIBUH93. 霍爾系數(shù)及靈敏度 （1）霍爾系數(shù)：N型半導(dǎo)體： neR1HP型半導(dǎo)體： peR1H RH 被定義為霍爾傳感器的霍爾

7、系數(shù)，霍爾系數(shù)由材料性質(zhì)決定。它決定霍爾電勢的強弱。 dIBRUHH設(shè) dRKHH則 KH 既為霍爾元件的靈敏度（2）靈敏度：10則 ，于是得到 RH。UHKH IB IBUKHH 霍爾元件的靈敏度就是指在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流作用時，所能輸出的霍爾電勢的大小。 由于材料電阻率與載流子濃度和其遷移率 有關(guān)，即 ne1或 pe1 霍爾電勢除了與材料的載流子遷移率和電阻率有關(guān)，同時還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān)。一般要求霍爾元件靈敏度越大越好，霍爾元件的厚度 d 與 KH 成反比，因此，霍爾元件的厚度越小其靈敏度越高（一般0.1mm）。 HR 要想霍爾電勢強，材料的電阻率必須要高，且遷移率也要大

8、要想霍爾電勢強，材料的電阻率必須要高，且遷移率也要大。雖然金屬導(dǎo)體的載流子遷移率很大，但其電阻率低；絕緣體電阻率很高，但其載流子遷移率低。因此，只有半導(dǎo)體材料為最佳的霍爾傳感器材料只有半導(dǎo)體材料為最佳的霍爾傳感器材料。11二、霍爾元件主要技術(shù)參數(shù) 1. 輸入電阻Ri 和輸出電阻Ro Ri 是指控制電流電極之間的電阻值，Ro 指霍爾電壓電極間的電阻。Ri 和Ro 可以在無磁場時，用歐姆表等測量。 Ri Ro ，（1002000）。2. 額定控制電流Ic 使霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10溫升的控制電流。（幾mA 幾十mA）。3. 不等位電勢U0 和不等位電阻R0 霍爾元件在額定控制電流作用下，不加外磁場

9、時其霍爾電壓電極間的電勢為不等位電勢（也稱為非平衡電壓或殘留電壓）。主要是由于兩電極不在同一等位面上以及材料電阻率不均勻等因素引起的。一般U0 10mV。不等位電勢和額定控制電流 Ic之比為不等位電阻 。 R0= U0 / Ic。 4. 靈敏度KH 在單位磁感強度下，通以單位控制電流時所產(chǎn)生的開路霍爾電壓。125. 寄生直流電勢U0D 在不加外磁場時，交流控制電流通過霍爾元件而在霍爾電壓電極間產(chǎn)生的直流電勢。主要是由于電極與霍爾基片間的非完全歐姆接觸所產(chǎn)生的整流效應(yīng)造成的。6. 霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定的磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度每變化時，霍爾電勢變化的百分率（/ ）。7. 電阻溫度系數(shù) 為

10、溫度每變化1時，霍爾元件電阻變化的百分（ / ）。8. 靈敏度溫度系數(shù) 為溫度每變化1時，霍爾元件靈敏度的變化率。9. 線性度 霍爾元件的線性度常用1kGs時相對于5kGs時霍爾電壓的最大差值的百分比表示。13三、基本誤差及其補償 霍爾元件在實際應(yīng)用時，存在多種因素影響其測量精度，造成測量誤差的主要因素有兩類：一類是半導(dǎo)體固有特性；一類為半導(dǎo)體制造工藝的缺陷。其表現(xiàn)為溫度誤差溫度誤差和零位誤差零位誤差。 1. 溫度誤差及其補償 由于半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度變化而變化，因此會導(dǎo)致霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電勢等也隨溫度變化而變化。這種變化程度隨不同半導(dǎo)體材料有所不同。而且溫度高

11、到一定程度，產(chǎn)生的變化相當(dāng)大。溫度誤差是霍爾元件測量中不可忽視的誤差。針對溫度變化導(dǎo)致內(nèi)阻（輸入、輸出電阻）的變化，除了選用溫度系數(shù)小的材料（如砷化銦）外，可以采用適當(dāng)?shù)难a償電路。14（1）采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻 溫度變化引起霍爾元件輸入電阻Ri 變化，在穩(wěn)壓源供電時，使控制電流變化，帶來誤差。為了減小這種誤差，最好采用恒流源（穩(wěn)定度0.1%）提供控制電流。 但靈敏度系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，因此采用恒流源后仍有溫度誤差。為了進(jìn)一步提高UH的溫度穩(wěn)定性，對于具有正溫度系數(shù)的霍爾元件，可在其輸入回路并聯(lián)電阻R。（2）選取合適的負(fù)載電阻RL 霍爾元件的輸出電阻和霍爾電勢都是溫度的函數(shù)，應(yīng)用

12、時其輸出總要接負(fù)載RL（如電壓表內(nèi)阻或放大器的輸入阻抗等）。當(dāng)工作溫度改變時，輸出電阻Ro的變化必然會引起負(fù)載上輸出電勢的變化。 可采用在負(fù)載RL 上串、并聯(lián)電阻的方法補償溫度誤差，但靈敏度將相應(yīng)下降。 15（3）采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻 當(dāng)霍爾元件采用穩(wěn)壓源供電，且霍爾輸出開路狀態(tài)下工作時，可在輸入回路中串入適當(dāng)電阻來補償溫度誤差。 （4）采用溫度補償元件 這是一種常用的溫度誤差補償方法，尤其適用于銻化銦材料霍爾元件。(a)、 (b)、(c)為電壓源激勵為電壓源激勵 (d)為電流源激勵為電流源激勵 還可采用帶熱敏電阻的電橋。 調(diào)節(jié)電位器W1可以消除不等位電勢。 電橋由溫度系數(shù)低的電阻構(gòu)成

13、，在某一橋臂電阻上并聯(lián)熱敏電阻Rt。熱敏電阻Rt與霍爾元件置于同一溫度。 當(dāng)溫度變化時，霍爾元件輸出的霍爾電勢受溫度影響而改變；熱敏電阻也同時受同樣的溫度變化，其阻值受溫度影響而改變，使補償電橋失去平衡，輸出一電壓，此電壓與霍爾元件輸出的霍爾電勢疊加成輸出電壓UH。 只要仔細(xì)調(diào)節(jié)，設(shè)計適當(dāng)，使電橋失去平衡輸出的電壓正好補償霍爾電勢的溫度誤差，即可使其輸出電壓UH與溫度基本無關(guān)。172. 零位誤差及補償方法 零位誤差是霍爾元件在不加外磁場時，而出現(xiàn)的霍爾電勢稱為零位誤差。主要有不等位電勢和寄生直流電勢等。 由制造霍爾元件的工藝問題造成的不等位電勢是主要的零位誤差。因為在工藝上難以保證霍爾元件兩側(cè)

14、的電極焊接在同一等電位面上，如圖所示。當(dāng)控制電流 I 流過時，即使未加外磁場，A、B 兩電極此時仍存在電位差，此電位差被稱為不等位電勢 U0。 不等位電勢不等位電勢 此外霍爾片電阻率、厚度不均勻或控制電流極接觸不良也會使等位面歪斜。 除了工藝上采取措施降低U0 外，還需采用補償電路加以補償。1 I212r1r2r3r418 根據(jù)霍爾元件的工作原理，可以把霍爾元件等效于一個四臂電橋。如果兩個霍爾電極 A、B 處在同一等位面上，橋路處于平衡狀態(tài)，即 R1 /R3R2/R4，則不等位電勢 圖中給出幾種常用的補償方法。為了消除不等位電勢，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻，如圖（a）所示，或在兩個橋臂上同時

15、并聯(lián)如圖（b）、（c）所示的電阻。顯然方案（c）調(diào)整比較方便。 U00。如果兩個霍爾電極不在同一等位面上，電橋不平衡，不等位電勢 U00。此時根據(jù) A、B兩點電位高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一個電阻，使電橋平衡，從而就消除了不等位電勢。19四、霍爾元件的應(yīng)用電路 1. 基本測量電路 控制電流 I 由電源 E 供給，電位器 W 調(diào)節(jié)控制電流 I 的大小?；魻栐敵鼋迂?fù)載電阻 RL，RL 可以是放大器的輸入電阻或測量儀表的內(nèi)阻。基本電路基本電路UHKH IB 由于霍爾元件必須在磁場與控制電流作用下，才會產(chǎn)生霍爾電勢 UH ，所以在測量中，可以把 I 和 B 的乘積，或者 I ，或者 B 作為輸入

16、信號，則霍爾元件的輸出電勢分別正比于 I B 或 I 或 B 。 202. 霍爾元件的驅(qū)動方式 霍爾元件的控制電流可以采用恒流驅(qū)動或恒壓驅(qū)動。（a）恒流驅(qū)動）恒流驅(qū)動 （b）恒壓驅(qū)動）恒壓驅(qū)動21 圖（a）為直流供電情況?？刂齐娏鞫瞬⒙?lián)，由W1、W2調(diào)節(jié)兩個元件的輸出霍爾電勢，A、B為輸出端，則它的輸出電勢為單片的兩倍。 圖（b）為交流供電情況。控制電流端串聯(lián)，各元件輸出端接輸出變壓器 B 的初級繞組，變壓器的次級便有霍爾電勢信號疊加值輸出。（a）（b）3. 霍爾元件的連接方式 除了霍爾元件基本電路形式之外，如果為了獲得較大的霍爾輸出電勢，可以采用幾片疊加的連接方式。224. 霍爾電勢的輸出電

17、路 霍爾元件是一種四端器件四端器件，本身不帶放大器。霍爾電勢一般在毫伏量級，在實際使用時必須加差分放大器。霍爾元件大體分為線性測量和開關(guān)狀態(tài)兩種使用方式，因此，輸出電路有兩種結(jié)構(gòu)。 （a）線性應(yīng)用）線性應(yīng)用 （b）開關(guān)應(yīng)用）開關(guān)應(yīng)用 當(dāng)霍爾元件作線性測量時，最好選用靈敏度低一點、不等位電勢小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。 當(dāng)霍爾元件作開關(guān)使用時，要選擇靈敏度高的霍爾器件。 23五、集成霍爾器件 盡管硅的載流子濃度較小，制作霍爾元件時靈敏度較低，但是由于硅集成電路工藝非常成熟，所以仍把硅材料作為集成霍爾傳感器的主要材料。 將霍爾元件及其放大電路、溫度補償電路和穩(wěn)壓電源等集成在一個芯片上構(gòu)成獨立

18、器件集成霍爾器件（也稱集成霍爾傳感器） 。 不僅尺寸緊湊便于使用，而且有利于減小誤差，改善穩(wěn)定性。 根據(jù)功能的不同，集成霍爾器件分為霍爾線性集成器件和霍爾開關(guān)集成器件兩類。241. 霍爾線性集成器件 霍爾線性集成器件的輸出電壓與外加磁場強度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，有單端輸出和雙端輸出（差動輸出）兩種電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。 UGN3501T的電源電壓及溫度與相對靈敏度的特性如圖所示，由圖可知Ucc高時，輸出靈敏度高。隨著溫度的升高，其靈敏度下降。因此，若要提高測量精度，需在電路中增加溫度補償環(huán)節(jié)。 25 UGN3501T的磁場強度及空氣間隙與輸出電壓特性如圖所示，由圖可見，在0.15T磁場強

19、度范圍內(nèi)，有較好的線性度，超出此范圍時呈飽和狀態(tài)。 輸出電壓與空氣間隙并不是線性關(guān)系。 UGN3501M為差動輸出，輸出與磁場強度成線性。1、8兩腳輸出與磁場的方向有關(guān)，當(dāng)磁場的方向相反時，其輸出的極性也相反，如圖所示。26 UGN3501M的5、6、7腳接一調(diào)整電位器時，可以補償不等位電勢，并且可改善線性，但靈敏度有所下降。若允許一定的不等位電勢輸出，則可不接電位器。輸出特性如左圖所示。 若以UGN3501M的中心為原點，磁鋼與UGN3501M的頂面之間距離為D，則其移動的距離與輸出的差動電壓如右圖所示，由圖可以看出，在空氣間隙為零時，每移動0.001英寸（0.0254mm）輸出為3mV，即

20、相當(dāng)11.8mVmm，當(dāng)采用高能磁鋼（如釤鈷磁鋼或釹鐵硼磁鋼），每移動1英寸時，能輸出30mV，并且在一定距離內(nèi)呈線性。 272. 霍爾開關(guān)集成器件開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾器件的電壓經(jīng)過一定的閾值甄別處理和放大，而輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號。 由霍爾元件、放大器、施密特整形電路和集電極開路輸出等部分組成。 BOP為工作點“開”的磁場強度， BRP為釋放點“關(guān)”的磁場強度。 鎖定型：當(dāng)磁場強度超過工作點開時，其輸出導(dǎo)通；而在磁場撤銷后，其輸出狀態(tài)保持不變，必須施加反向磁場并使之超過釋放點，才能使其關(guān)閉。+（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；）內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖； （b）工作特性；）工作特性； （c）工作電路

21、；（）工作電路；（d）鎖定型器件工作特性）鎖定型器件工作特性28六、霍爾傳感器的應(yīng)用 利用霍爾傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性可以十分方便地測量磁場強度、電流等有關(guān)的物理量。 按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它將許多非電、非磁的物理量，例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測和控制。 1.位移測量 2.角度測量3.霍爾電流傳感器 4.霍爾功率傳感器 5.霍爾高斯計 6.霍爾計

22、數(shù)裝置（接近開關(guān)）7.霍爾轉(zhuǎn)速傳感器 8.霍爾開關(guān)電子點火器9.霍爾電機 10.液位控制29對上式積分 UH = K x 霍爾電勢與位移量成線性關(guān)系，其輸出電勢的極性反映了位移方向。磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線性度越好。當(dāng) x0 時，則元件置于磁場中心位置，UH0。這種位移傳感器特點是慣性小、響應(yīng)速度快、無觸點測量。利用這一原理可以測量與之有關(guān)的非電量，如力、壓力、加速度、液位和壓差等。 1位移測量 霍爾位移傳感器可制成兩種結(jié)構(gòu)。在梯度磁場中放置一個霍爾元件。當(dāng)控制電流 I 恒定不變時，霍爾電勢UH 與磁感應(yīng)強度成正比；若磁場在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度 dB / dx

23、為一常數(shù)，則當(dāng)霍爾元件沿 x 方向移動時，霍爾電勢變化為 KxBdIRxUddddHH（位移傳感器的輸出靈敏度）302. 角度測量sinHHIBKU 將霍爾器件置于永久磁鐵的磁場中，其輸出霍爾電勢UH為313. 霍爾電流傳感器（霍爾傳感器測電流） 霍爾傳感器廣泛用于測量電流，從而可以制成電流過載檢測器或過載保護(hù)裝置；在電機控制驅(qū)動中，作為電流反饋元件，構(gòu)成電流反饋回路。 鐵心 將被測電流的導(dǎo)線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。線性霍爾線性霍爾ICIBUH33 下面以UGN350

24、1M霍爾傳感器為例，闡明其測量電流的原理。 標(biāo)準(zhǔn)軟磁材料圓環(huán)中心直徑為40mm，截面積為44mm2（方形），圓環(huán)上有一缺口，放入霍爾傳感器，圓環(huán)上繞有11匝線，并通過檢測電流。根據(jù)磁路理論，可以算出電流為50A時，可產(chǎn)生0.3T磁場強度。由于UGN3501M的靈敏度為14mVmT，則在050A電流范圍內(nèi)，其輸出電壓變化為04.2V。壓舌壓舌豁口豁口霍爾鉗形電流表（交直流兩用）霍爾式電流諧波分析儀35 4. 霍爾功率傳感器 利用 UH =KHIB 關(guān)系，如果 I 和 B 是兩個獨立變量，霍爾器件就是一個簡單實用的模擬乘法器；如果 I 和 B 分別與某一負(fù)載兩端的電壓和通過的電流有關(guān)，則霍爾器件便

25、可用于負(fù)載功率測量?；魻柶骷y電功率霍爾器件測電功率BiKucHH 負(fù)載ZL所取電流 i 流過鐵芯線圈以產(chǎn)生交變磁感強度B，電源電壓U經(jīng)過降壓電阻R得到的交流電流ic流過霍爾器件，則霍爾器件輸出電壓uH便與電功率P成正比，即iuP36還可以完成乘方、開方、到數(shù)、除法、開立方等功能?；魻栐椒狡骰魻栐椒狡?霍爾元件開方器霍爾元件開方器 37 在磁場強度為0.1T時，UGN3501M的典型輸出電壓為1400mV，因此可以制成0.1T的高斯計，如圖所示。電源電壓為816V。在5、6腳接一個 20的調(diào) 5. 霍爾高斯計（特斯拉計） 零電位器，在1、8腳接一可調(diào)靈敏度的10k電位器及內(nèi)阻常數(shù)最小為

26、10k/V的電壓表。若在5、 6兩腳上各接一只47電阻后，再接20電位器，其線性范圍可達(dá)0.3T。霍爾元件霍爾元件 磁鐵磁鐵 386. 霍爾計數(shù)裝置（接近開關(guān)） UGN3501T具有較高的靈敏度，能感受到很小的磁場變化，因而可以檢測鐵磁物質(zhì)的有無，利用這一特性可以制成計數(shù)裝置。 從圖中還可以看出，霍爾元件也是一種接近開關(guān)。 霍爾式接近開關(guān) 當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵（永磁）。 用開關(guān)型霍爾IC也能完成接近開關(guān)的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強的閉合磁場。 在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關(guān)

27、幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑?jīng)驅(qū)動電路使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動，起到限位的作用。 min)/(460rfn 開關(guān)型霍爾開關(guān)型霍爾ICIC軟鐵分流翼片軟鐵分流翼片霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量霍爾式接近開關(guān)用于限位作用417. 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器11轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 22轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤 33磁鐵磁鐵 44霍爾元件霍爾元件幾種霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)幾種霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu) 在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪。S SN N線性霍爾線性霍爾磁鐵磁鐵 將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、

28、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。 圖（a），當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平； 圖（b），當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時，輸出為低電平。（a）（b）帶有微型磁鐵帶有微型磁鐵的霍爾傳感器的霍爾傳感器鋼質(zhì)齒圈鋼質(zhì)齒圈霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用 若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵帶有微型磁鐵的霍爾傳感器的霍爾傳感器458. 霍爾開關(guān)電子點火器高壓輸出接頭高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭低壓電源輸入接頭 采用霍爾式無觸點電子點火裝置能較好地克服汽車

29、合金觸點點火時間不準(zhǔn)確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。能適用于惡劣的工作環(huán)境和各種車速，冷起動性能好等特點，目前已得到廣泛采用。 46 將霍爾元件固定在汽車分電器的白金座上，在分火點上裝一個隔磁罩1，罩的豎邊根據(jù)汽車發(fā)動機的缸數(shù)，開出等間距的缺口2。 當(dāng)缺口對準(zhǔn)霍爾元件時，磁通通過霍爾器件，如圖a所示，此時霍爾元件輸出高電平； 當(dāng)凸出部分擋在霍爾元件和磁體之間時，磁通不通過霍爾器件，如圖b所示，霍爾元件輸出低電平0.4V 。1 1隔磁罩隔磁罩 2 2隔磁罩缺口隔磁罩缺口 3 3分電器轉(zhuǎn)軸分電器轉(zhuǎn)軸 4 4磁鐵磁鐵 5 5霍爾元件霍爾元件 47 霍爾電子點火器原理如圖所示。當(dāng)凸出部分擋在霍爾

30、元件和磁體之間時，霍爾元件輸出低電平， BG1截止，BG2、BG3導(dǎo)通，點火線圈低壓側(cè)有較大電流通過，并以磁場能量的形式儲存在點火線圈的鐵芯中。當(dāng)缺口對準(zhǔn)霍爾元件時，霍爾元件輸出高電平，BG1導(dǎo)通，BG2、BG3截止，切斷點火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒有續(xù)流元件，所以存儲在點火線圈鐵芯中的磁場能量在高壓側(cè)感應(yīng)出3050kV的高電壓，以放電形式輸出，即放電點火。 帶霍爾傳感器的分電器帶霍爾傳感器的分電器 開關(guān)放大器開關(guān)放大器 點火線圈點火線圈 48 直流電機具有運行效率高和調(diào)速性能好，得到了廣泛應(yīng)用。然而傳統(tǒng)的直流電機均采用電刷，以機械方法進(jìn)行換相，因而存在相對的機械摩擦，由此帶來了噪聲、火花、無

31、線電干擾以及壽命短等致命弱點，再加上制造成本高及維修困難等缺點，從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍。9. 霍爾電機(霍爾元件在直流無刷電機中的應(yīng)用) 普通直流電動機使用的電刷和換向器普通直流電動機使用的電刷和換向器 為克服以上缺點，出現(xiàn)了永磁直流無刷電機，以高性能永磁材料，如釤鈷、釹鐵硼等材料作轉(zhuǎn)子，采用電子換相代替電刷機械換相。 已廣泛應(yīng)用于軟、硬驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器、激光打印機、復(fù)印機、傳真機鼓驅(qū)動、VCD、DVD裝置；新一代變頻空調(diào)器、電冰箱、洗衣機等；目前興起的電動自行車以及自動控制系統(tǒng)作為執(zhí)行器等。49 永磁直流無刷電機是由電機主體和驅(qū)動器組成的。直流無刷電機主體在沒有驅(qū)動器的情況下是無法運

32、轉(zhuǎn)的，必須由驅(qū)動器來驅(qū)動其轉(zhuǎn)動，并可以通過驅(qū)動器控制電機，按照使用者的設(shè)定來運轉(zhuǎn)。 直流無刷電動機是電子換向的直流電動機，需要用位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置，以實現(xiàn)電子換向。采用霍爾元件作為電動自行車的無刷電動機及控制電路電動自行車的無刷電動機及控制電路其位置傳感器實現(xiàn)電子換向的直流無刷電動機，具有簡單、經(jīng)濟、可靠等特點，同時體積小、重量輕，給電機的小型化、輕量化帶來極大好處。因此，直流無刷電動機成為霍爾元件的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。應(yīng)用的霍爾元件有線性、開關(guān)型和鎖定開關(guān)型等三種。 采用開關(guān)型霍爾元件的直流無刷電動機的電路較簡單，且因功率驅(qū)動電路工作在開關(guān)狀態(tài)下，功率驅(qū)動電路損耗小、效率高、體積小。50

33、H3 對準(zhǔn)轉(zhuǎn)子N極；此時，H2 處于零磁場，H3 導(dǎo)通，從而使功率晶體管 VT3 導(dǎo)通，通過電流 IW3，使定子繞組 W3 呈 S 極性，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)子的 N 極對準(zhǔn) H4 時，使之導(dǎo)通，進(jìn)而使VT4導(dǎo)通，IW4 通過定于繞組 W4，使之呈 S 極性，繼續(xù)使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)，直至轉(zhuǎn)子 N 極對準(zhǔn) W4；而后 H4 導(dǎo)通，使 VT1 導(dǎo)通。電流 IW1 通過定子繞阻 W1，使 W1 呈 S極性，繼續(xù)使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)，直至轉(zhuǎn)子 N 極對準(zhǔn)繞組 W1，此時，轉(zhuǎn)子已轉(zhuǎn)一周。如此下去，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。如果改變電源極性，則電機轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。 如圖所示為兩相直流無刷電動機采用四個開關(guān)型霍爾元件實現(xiàn)雙極性、

34、四狀態(tài)的電子換向電路圖。 當(dāng)霍爾元件 H2 面向轉(zhuǎn)子N極方向，霍爾元件 H2 導(dǎo)通，為低電平，功率晶體管 VT2 導(dǎo)通，繞組W2 通過電流 IW2 ，使定子繞組W2下極性呈S極，轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)，直到霍爾元件 5110. 液位控制 在浮子上裝一塊小磁鋼，在兩液位極限位置上裝上霍爾開關(guān)集成電路。當(dāng)液面升、降到極限位置時，霍爾開關(guān)集成電路便輸出信號用以控制電機的開、關(guān)，從而達(dá)到控制液位的目的。529.2 磁敏電阻 磁敏電阻是基于磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)的磁敏元件。 磁敏電阻的應(yīng)用范圍比較廣，可以利用它制成磁場探測儀、位移和角度檢測器、安培計以及磁敏交流放大器等。 一、磁阻效應(yīng)二、半導(dǎo)體磁敏電阻三、強磁性金屬

35、薄膜磁敏電阻四、磁敏電阻傳感器的應(yīng)用53 當(dāng)一載流導(dǎo)體置于磁場中，其電阻會隨磁場而變化，這種現(xiàn)象被稱為磁阻效應(yīng)。 在外加磁場作用下，運動的載流子因受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在兩側(cè)面有電荷積累，產(chǎn)生霍爾電場。當(dāng)洛倫茲力比霍爾電場作用力大時，它的運動軌跡就偏向洛倫茲力的方向。這些載流子從一個電極流到另一個電極所通過的路徑就要比無磁場時的路徑長些，因此增加了電阻值。磁場越強，增大電阻的作用就越強磁場越強，增大電阻的作用就越強。 遷移率越高的材料，磁阻效應(yīng)越明顯。遷移率越高的材料，磁阻效應(yīng)越明顯。另外磁阻效應(yīng)還與器件的幾何形狀有關(guān)。 根據(jù)材料的不同可分為半導(dǎo)體磁敏電阻和強磁性金屬薄膜磁敏電阻。一、

36、磁阻效應(yīng)54二、半導(dǎo)體磁敏電阻 利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)制成的磁敏電阻可以有如圖所示的幾種形式，處在垂直于紙面向外的磁場中，電子運動的軌跡都將向左前方偏移。縱長方形器件：中段由于霍爾電場作用，運動軌跡與l方向平行，只有兩端才傾斜。電子運動路經(jīng)增加不顯著，電阻增加不多；橫長方形器件：因l較短來不及形成較大的霍爾電場，磁阻效應(yīng)較明顯；圓型片器件（科比諾圓盤）：電子由中央向邊緣運動，片中任何地方都不會產(chǎn)生霍爾電場，電阻增大最明顯。但因初始電阻較小，很難實用；柵格式器件：按橫長方形器件原理把若干橫長片串聯(lián)成“弓”字形，用許多金屬短路電極短路電極將霍爾電壓短路掉，電阻增加比較多?？商岣哽`敏度可提高靈敏度

37、。55電阻率的相對變化與磁感應(yīng)強度和遷移率的關(guān)系可表達(dá)為 wlfBK120l，w分別為電阻的長和寬； f（l / w）形狀效應(yīng)系數(shù)。 在恒定磁感應(yīng)強度下，其長度( l )比寬度( w )越小，則 /0越大。 圓盤形樣品的磁阻最大。 56四、磁敏電阻傳感器的應(yīng)用銻化銦(InSb)磁阻傳感器在磁性油墨鑒偽點鈔機中的應(yīng)用 利用銻化銦（InSb）磁阻傳感器進(jìn)行弱磁信號的檢測，已取得了成功，例如在磁性油墨鑒偽點鈔機中的應(yīng)用。在該元件的磁敏表面上垂直施加磁通量時，則可使其電阻發(fā)生變化。將兩只磁敏電阻RM1、RM2 串聯(lián)，施加一定的 UE 和特定磁場B；當(dāng)外磁場接近兩個磁阻元件之一時，在該元件上產(chǎn)生磁通增量

38、，使輸出電壓發(fā)生變化。MRS型系列磁敏電阻傳型系列磁敏電阻傳感器感器驗鈔筆、驗鈔儀順著紙幣上的磁性防驗鈔筆、驗鈔儀順著紙幣上的磁性防偽線掃描偽線掃描57利用磁敏電阻制作小型探礦儀（磁力儀） 磁敏電阻（聚四氟乙烯封磁敏電阻（聚四氟乙烯封裝）裝）589.3 結(jié)型磁敏管 霍爾元件和磁敏電阻均是用霍爾元件和磁敏電阻均是用 N 型半導(dǎo)體材料制成的體型元件。型半導(dǎo)體材料制成的體型元件。 磁敏二極管和磁敏三極管（結(jié)型磁敏管）是磁敏二極管和磁敏三極管（結(jié)型磁敏管）是 PN 結(jié)型的磁電轉(zhuǎn)換元件結(jié)型的磁電轉(zhuǎn)換元件，它們具有輸出信號大、靈敏度高、工作電流小和體積小等特點，比較適合磁場、轉(zhuǎn)速、探傷等方面的檢測和控制。

39、 一、磁敏二極管二、磁敏三極管三、結(jié)型磁敏管傳感器的應(yīng)用59一、磁敏二極管 1. 磁敏二極管（SMD）結(jié)構(gòu) 磁敏二極管在 P，N 之間有一個較長（載流子擴散長度的5倍以上）的本征區(qū) I，本征區(qū) I 的一面磨成光滑的復(fù)合表面（為 I 區(qū)），另一面用噴砂法打毛，形成高復(fù)合區(qū)（為 r 區(qū)），其目的是因為電子空穴對易于在粗糙表面復(fù)合而消失。當(dāng)通以正向電流后就會在 P+IN+結(jié)之間形成電流。由此可知，磁敏二極管是 PIN 型的。 602. 磁敏二極管的工作原理v 當(dāng)磁敏二極管未受到外界磁場作用時，外加正偏壓，如圖（b）所示，則有大量的空穴從 P 區(qū)通過 I 區(qū)進(jìn)入 N 區(qū)，同時應(yīng)有大量電子注入 P 區(qū)，

40、形成電流。只有少量電子和空穴在 I 區(qū)和 r 區(qū)復(fù)合掉。v 當(dāng)磁敏二極管受到外界磁場 B+（正向磁場）作用時，如圖 （c）所示，則電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向 r 區(qū)偏轉(zhuǎn)，由于 r 區(qū)的電子和空穴復(fù)合速度比光滑面 I 區(qū)快，因此，形成的電流因復(fù)合速度快而減小。 v 當(dāng)磁敏二極管受到外界磁場 B （反向磁場）作用時，如圖（d）所示，電子、空穴受到洛侖茲力作用而向 I 區(qū)偏移，由于電子、空穴復(fù)合率明顯變小，則電流變大。 磁敏二極管加正向偏壓 ，在磁場強度的變化下，其正向電流發(fā)生變化，實現(xiàn)了磁電轉(zhuǎn)換。正磁場越強，電流越小，表示磁阻增加；負(fù)磁場越強，電流越大，表示磁阻減小。61（1）伏安特性 磁敏

41、二極管正向偏壓和通過其上電流的關(guān)系被稱為磁敏二極管的伏安特性。 磁敏二極管在不同磁場強度B的作用下，伏安特性不一樣。圖（a）為鍺磁敏二極管的伏安特性。圖（b）、（c）為硅磁敏二極管的伏安特性。3. 磁敏二極管的主要特性（a）鍺管）鍺管 （b）硅管，俘獲中心作用強）硅管，俘獲中心作用強 （c）硅管，俘獲中心作用弱）硅管，俘獲中心作用弱62（2）磁電特性 在給定條件下，磁敏二極管輸出的電壓變化與外加磁場的關(guān)系稱為磁敏二極管的磁電特性。 磁敏二極管通常有單只使用和互補使用兩種方式。它們的磁電特性如圖所示。單只使用時，正向磁靈敏度大于反向，磁場強度增加時，曲線有飽和趨勢；互補使用時，正、反向磁靈敏度曲

42、線對稱，且在弱磁場下有較好的線性。 63 （3）磁敏二極管的溫度特性及其補償 一般情況下，磁敏二極管受溫度影響較大，即在一定測試條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量U，或者在無磁場作用時，中點電壓 Um 隨溫度變化較大。其溫度特性如圖所示。因此，在實際使用時，必須對其進(jìn)行溫度補償。20020406080123450.20.40.60.8UE6 VH1 kGsIU / VI / mAT / 64互補式溫度補償電路互補式溫度補償電路 為了補償單只磁敏二極管使用時，因為溫度變化產(chǎn)生輸出電壓的變化，可以采用互補電路。在互補電路中選用兩只性能相近的磁敏二極管，按相反磁極性組合，即將它們的磁敏面相對或背向放

43、置，并把它們串接在電路中，就可形成互補電路。無論溫度如何變化，其分壓比總保持不變，輸出電壓 Um 隨溫度變化而始終保持不變，這樣就達(dá)到了溫度補償溫度補償?shù)哪康摹?互補電路還能提高磁靈敏度提高磁靈敏度。 背向聯(lián)接背向聯(lián)接 補償電路補償電路 等效電路等效電路 65 例如，當(dāng)磁敏二極管D1 在+1 kGs 磁場作用時，其等效電阻 R1 增加R1 ，相應(yīng)電壓變化量為U1；同時，由于磁敏二極管D2 磁極性反向安置，因而，受到-1kGs 磁場作用，等效電阻 R2 減少R2，相應(yīng)電壓變化量為U2；。因此總的輸出電壓變化量為Um= U1U2。v 在同樣磁場作用下，互補使用比單管使用輸出電壓變化量增大，即在同樣

44、磁場作用下，互補使用比單管使用輸出電壓變化量增大，即磁靈敏度提高。磁靈敏度提高。 差分式電路差分式電路 差分電路不僅能很好地實現(xiàn)溫度補償，提高靈敏度，而且還可以彌補互補電路的不足(具有負(fù)阻現(xiàn)象的磁敏二極管不能用作互補電路)。如果電路不平衡，可適當(dāng)調(diào)節(jié)電阻R1 和R2 。 66全橋電路全橋電路 將兩個互補電路并聯(lián)而成。和互補電路一樣，其工作點只能選在小電流區(qū)，且不能使用有負(fù)阻特性的管子。該電路在給定的磁場下，其輸出電壓是差分電路的兩倍。由于要選擇四只性能相同的磁敏二極管，因此，給實際使用帶來一些困難。熱敏電阻補償電路熱敏電阻補償電路 該電路是利用熱敏電阻隨溫度的變化，而使Rt和D的分壓系數(shù)不變，

45、從而實現(xiàn)溫度補償。熱敏電阻補償電路的成本略低于上述三種溫度補償電路，因此是常被采用的一種溫度補償電路。 67二、磁敏三極管1. 磁敏三極管的結(jié)構(gòu) 硅磁敏三極管和鍺磁敏三極管均屬雙極性長基區(qū)晶體管結(jié)構(gòu)。 在弱 P 型或弱 N 型本征半導(dǎo)體上用合金法或擴散法形成發(fā)射極、基極和集電極。其最大特點是基區(qū)較長，基區(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管，也有高復(fù)合速率的 r 區(qū)和本征 I 區(qū)。長基區(qū)分為輸運基區(qū)和復(fù)合基區(qū)。682. 磁敏三極管的工作原理q 當(dāng)磁敏三極管未受到磁場作用時（圖c）， be間加一定的偏壓后，發(fā)射結(jié)的載流子分別飛向兩個基區(qū)。由于基區(qū)長度大于載流子有效擴散長度，大部分載流子通過 e-I-b形成基極電流；少數(shù)載流子輸入到c極。因而形成了基極電流大于集電極電流的情況，使 1bcIIq 當(dāng)受到正向磁場( B+ )作用時（圖d），洛侖茲力使載流子偏向復(fù)合基區(qū)，導(dǎo)致集電極電流顯著下降。q 當(dāng)受到反向磁場( B )作用時