7.霍爾傳感器

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國物理學(xué)家霍爾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?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。

霍爾元件是一種四端元件7.霍爾傳感器

在置于磁場中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個(gè)電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。7.1霍爾元件的工作原理7.1.1霍爾效應(yīng)物理現(xiàn)象觀察霍爾效應(yīng)7.1.1霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)與霍爾元件（a）霍爾效應(yīng)（b）霍爾元件結(jié)構(gòu)（c）圖形符號（d）外形

如圖所示，長、寛、高分別為L、W、H的N型半導(dǎo)體薄片的相對兩側(cè)a、b通以控制電流，在薄片垂直方向加以磁場B。在圖示方向磁場的作用下，電子將受到一個(gè)由c側(cè)指向d側(cè)方向力的作用，這個(gè)力就是洛侖茲力，大小為FL=qvB

c、d兩端面因電荷積累而建立了一個(gè)電場EH

，稱為霍爾電場。7.1.2霍爾元件工作原理fLfEvEHdIbB定向運(yùn)動的電子除受到洛侖茲力外，還受到霍爾電場的作用，當(dāng)fl=fE時(shí)，達(dá)到平衡，此時(shí)霍爾系數(shù)，材料確定后為常數(shù)靈敏度系數(shù)

對于導(dǎo)體，霍爾系數(shù)一般較小，故霍耳元件一般用半導(dǎo)體制作，且愈?。ū。?，靈敏度愈高霍爾電壓UH

式中RH為霍爾系數(shù)，它反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱;KH為霍爾靈敏度，它表示一個(gè)霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓的大小。可以看出：（1）霍爾電壓UH大小與材料的性質(zhì)有關(guān)。（2）霍爾電壓UH大小與元件的尺寸有關(guān)。（3）霍爾電壓UH大小與控制電流及磁場強(qiáng)度有關(guān)。

霍爾電壓UH霍爾元件（a）外型結(jié)構(gòu)示意圖（b）圖形符號

利用霍爾效應(yīng)制成的磁電轉(zhuǎn)換元件稱為霍爾元件?；魻栐苫魻柶⒁€和殼體組成,如圖(a)所示?；魻柶蔷匦伟雽?dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)引線。1、1′兩根引線加激勵(lì)電流，稱為激勵(lì)電極；2、2′引線為霍爾電壓輸出引線，稱為霍爾電極?；魻栐んw由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。7.2霍爾元件基本結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)7.2.1基本結(jié)構(gòu)

基本電路RW調(diào)節(jié)控制電流的大小。RL為負(fù)載電阻，可以是放大器的內(nèi)阻或指示器內(nèi)阻?；魻栃?yīng)建立的時(shí)間極短（10-12～10-14S），I即可以是直流，也可以是交流。若被測物理量是I、B或者IB乘積的函數(shù)，通過測量霍爾電勢UH就可知道被測量的大小。

霍爾元件主要技術(shù)參數(shù)為：

1.輸入電阻RIN和輸出電阻ROUT；

2.額定控制電流IC；

3.不等位電勢U0，即未加磁場時(shí)的輸出電壓，一般小于1mV；

4.霍爾電壓UH；

5.霍爾電壓的溫度特性。7.2.2霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)1.輸入電阻Ri和輸出電阻Ro

（1）輸入電阻Ri霍爾元件兩激勵(lì)電流端的直流電阻稱為輸入電阻Ri。

Ri是純電阻，可用直流電橋或歐姆表直接測量。它的數(shù)值從幾十歐到幾百歐，視不同型號的元件而定。溫度升高，輸入電阻變小，從而使輸入電流I變大，最終引起霍爾電壓變大。為了減少這種影響，最好采用恒流源作為激勵(lì)源。（2）輸出電阻Ro兩個(gè)霍爾電勢輸出端之間的電阻稱為輸出電阻Ro。

Ro是純電阻，可用直流電橋或歐姆表直接測量。一般為幾歐姆到幾百歐姆。

Ro隨溫度改變而改變。選擇合適的負(fù)載電阻RL與之匹配，可以使由溫度引起的霍爾電壓的漂移減至最小。2.額定激勵(lì)電流I和最大激勵(lì)電流IM

霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10℃的溫升時(shí)所施加的激勵(lì)電流值稱為額定電流I。由于霍爾電勢隨激勵(lì)電流增加而增大，故在應(yīng)用中，總希望選用較大的激勵(lì)電流。但激勵(lì)電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大，因此每種型號的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值從幾毫安到幾十毫安。3.靈敏度KH

單位為mV/（mA·T）它反映了霍爾元件本身所具有的磁電轉(zhuǎn)換能力，一般希望它越大越好。

4.不等位電勢UM

在額定激勵(lì)電流下，當(dāng)外加磁場為零時(shí)，即當(dāng)而B=0時(shí)，UH=0；但由于4個(gè)電極的幾何尺寸不對稱，引起了且B=0時(shí)，。為此引入U(xiǎn)M來表征霍爾元件輸出端之間的開路電壓，即不等位電勢。一般要求霍爾元件的，優(yōu)質(zhì)的霍爾元件的UM可以小于0.1mV。在實(shí)際應(yīng)用中多采用電橋法來補(bǔ)償不等位電勢引起的誤差。5.霍爾電勢溫度系數(shù)α

在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流的作用下，溫度每變化1℃時(shí)霍爾電勢變化的百分?jǐn)?shù)稱為霍爾電勢溫度系數(shù)α，它與霍爾元件的材料有關(guān)，一般約為0.1%/℃左右，在要求較高的場合，應(yīng)選擇低溫漂的霍爾元件。

霍爾開關(guān)集成傳感器是利用霍爾元件與集成電路技術(shù)制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號形式輸出。7.3霍爾傳感器7.3.1霍爾開關(guān)集成傳感器霍爾開關(guān)集成傳感器內(nèi)部框圖

如圖所示為內(nèi)部組成框圖。當(dāng)有磁場作用在霍爾開關(guān)集成傳感器上時(shí)，霍爾元件輸出霍爾電壓UH，一次磁場強(qiáng)度變化，使傳感器完成一次開關(guān)動作。

具有使用壽命長，無觸點(diǎn)磨損，無火花干擾，無轉(zhuǎn)換抖動，工作頻率高，溫度特性好，能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。常見霍爾開關(guān)集成傳感器型號有UGN-3020,UGN-3030,UGN-3075。工作電壓為4.5～25V，輸出低電平<0.04mV。常用于：點(diǎn)火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速測量、里程測量、機(jī)械設(shè)備限位開關(guān)、按鈕開關(guān)、電流的測量和控制、位置及角度的檢測，等等。7.3.1霍爾開關(guān)集成傳感器

霍爾線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性比例關(guān)系。一般由霍爾元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場時(shí)，霍爾元件產(chǎn)生與磁場成線性的霍爾電壓，經(jīng)放大器放大后輸出。

霍爾線性集成傳感器有單端輸出型和雙端輸出型兩種，典型產(chǎn)品分別為SL3501T和SL3501M兩種。

7.3.2霍爾線性集成傳感器單端輸出型傳感器的電路結(jié)構(gòu)

如圖為SL3501T，單端輸出型，工作電壓8～12V，輸出電壓2.5～5V，靈敏度3500～7000mV/mA·T。

雙端輸出型傳感器的電路結(jié)構(gòu)

如圖為SL3501M，雙端輸出型，兩個(gè)輸出端輸出正、負(fù)差分信號，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。工作電壓8～16V，輸出電壓0～3.6V，靈敏度700～1400mV/mA·T?；魻柧€性集成傳感器常用于：位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量和控制。

7.5霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢是關(guān)于I、B、

三個(gè)變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途?；魻桙c(diǎn)火裝置示意圖1-磁輪鼓2-開關(guān)型霍爾集成電路3-晶體管功率開關(guān)4-點(diǎn)火線圈5-火花塞

如圖所示，磁輪鼓代替了傳統(tǒng)的凸輪及白金觸點(diǎn)。發(fā)動機(jī)主軸帶動磁輪鼓轉(zhuǎn)動時(shí)，霍爾器件感受的磁場極性交替改變，輸出一連串與汽缸活塞運(yùn)動同步的脈沖信號去觸發(fā)晶體管功率開關(guān)，點(diǎn)火線圈兩端產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，使火花塞產(chǎn)生火花放電，完成汽缸點(diǎn)火過程。7.5霍爾傳感器及其他磁傳感器應(yīng)用7.5.1霍爾汽車無觸點(diǎn)點(diǎn)火器霍爾無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

1軸2外殼3電路4定子5線圈6霍爾元件7永磁轉(zhuǎn)子

如圖所示。電機(jī)由永久磁鐵做轉(zhuǎn)子。在定子上安有12只霍爾元件，各與前方相差90°的一個(gè)定子電樞線圈相連，線圈被安放在定子糟中。各定子線圈由霍爾元件輸出的霍爾電壓激勵(lì)，產(chǎn)生的定子磁場，與對應(yīng)的霍爾元件相差90°，即超前于轉(zhuǎn)子磁場90°。永久磁鐵的轉(zhuǎn)子被定子磁場吸引而向前轉(zhuǎn)動。7.5.2霍爾無刷直流電機(jī)

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動通過霍爾元件時(shí)，永久磁鐵磁通使霍爾元件輸出電壓極性反相，相應(yīng)的電樞線圈磁場也產(chǎn)生極性轉(zhuǎn)換，使定子磁場始終超前于轉(zhuǎn)子磁場90°，吸引轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子則沿原方向繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動。

7.5.2霍爾無刷直流電機(jī)霍爾式無刷電動機(jī)

霍爾式無刷電動機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無刷電動機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。普通直流電動機(jī)使用的電刷和換向器無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用

電動自行車可充電電池組無刷電動機(jī)

無刷直流電動機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個(gè)霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個(gè)狀態(tài)編碼信號，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無火花、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。光驅(qū)用的無刷電動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)自動供水裝置構(gòu)造示意圖1—鍋爐2—電磁閥3—投卡口4—水龍頭5—水瓶6—收卡箱7—磁鐵8—磁傳感器

如圖所示。鍋爐中的水由電磁閥控制流出與關(guān)閉。電磁閥的打開與關(guān)閉，則受控于控制電路。打水時(shí)，需將鐵制的取水卡從投放口投入，取水卡沿非磁性物質(zhì)制作的滑槽向下滑行，當(dāng)滑行到磁傳感部位時(shí)，傳感器輸出信號經(jīng)控制電路驅(qū)動電磁閥打開，讓水從水龍頭流出。延時(shí)一定時(shí)間后，控制電路使電磁閥關(guān)閉，水流停止。7.5.3自動供水裝置自動供水裝置電路原理圖

自動供水裝置的電路如圖所示。主要由磁傳感器裝置、單穩(wěn)態(tài)電路、固態(tài)繼電器、電源電路及電磁閥等組成。當(dāng)取水者投入鐵制的取水牌時(shí)，鐵制取水牌將磁鐵的磁力線短路，SL3020傳感器受較強(qiáng)磁場的作用輸出為高電平脈沖，電路輸出使電磁閥Y通電工作，自動開閥放水。每次供水的時(shí)間長短，取決于C2、R4、RP1的充電時(shí)間常數(shù)。7.5.3自動供水裝置7.5.4霍爾計(jì)數(shù)裝置電路7.5.5霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，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、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，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；反之，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平?；魻栟D(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(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。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。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾霍爾轉(zhuǎn)速表原理

另一種轉(zhuǎn)速測量安裝方法磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連,當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí),磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動,固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖,檢測出單位時(shí)間的脈沖數(shù),便可知被測轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少決定了傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率?；魻柺诫娏鱾鞲衅骰魻柺浇咏_關(guān)的應(yīng)用霍爾式微壓力傳感器霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置霍爾轉(zhuǎn)速表角位移測量儀結(jié)構(gòu)知識梳理

霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)是在一個(gè)半導(dǎo)體薄片上安裝了2對電極：一個(gè)為對稱控制電極，輸入控制電流IC；另一個(gè)為對稱輸出極，輸出霍爾電勢