1、項(xiàng)目五 霍爾式傳感器,主要學(xué)習(xí)霍爾傳感器的工作原理、霍爾集成電路的特性及其在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用，還涉及磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)。,一、霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理,半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I 流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。,磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況,c,d,a,b,磁感應(yīng)強(qiáng)度B 較大時(shí)的情況,作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高。,霍爾效應(yīng)演示,當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。,c,d,a,b,式中 RH霍爾常數(shù)（m3/C）,I控制電

2、流（A） B磁感應(yīng)強(qiáng)度（B) d霍爾元件的厚度（m）,霍爾電勢(shì)：,霍爾常數(shù),霍爾電勢(shì)與導(dǎo)體厚度d成反比： 為了提高霍爾電勢(shì)值， 霍爾元件制成薄片形狀。,霍爾常數(shù)大小取決于導(dǎo)體的載流子密度： 金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢(shì)也小，故金屬材料不宜制作霍爾元件,半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度）比空穴遷移率高，因此N型半導(dǎo)體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件。,磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì),若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度 時(shí)，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時(shí)的霍爾電勢(shì)為 EH=KHIBco

3、s,結(jié)論： 霍爾電勢(shì)與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B和I的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，則霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì),二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路,圖（a）中，從矩形薄片半導(dǎo)體基片上的兩個(gè)相互垂直方向側(cè)面上，引出一對(duì)電極，其中1-1電極用于加控制電流，稱控制電極。另一對(duì)2-2電極用于引出霍爾電勢(shì)，稱輸出極。在基片外面用金屬或陶瓷、環(huán)氧樹脂等封裝作為外殼。 圖（b）是霍爾元件通用的圖形符號(hào)。,圖（c）所示，霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對(duì)霍爾電勢(shì)數(shù)值影響很大。通常霍爾電極位于基片長(zhǎng)度的中間，其寬度遠(yuǎn)小于基片的長(zhǎng)度。 圖（d）是基本測(cè)量電路 。,差分放

4、大電路,霍爾元件的輸出電壓一般較小，需要用放大電路放大其輸出電壓。為了獲得較好的放大效果，需采用差分放大電路。,使用一個(gè)運(yùn)算放大器時(shí)，霍爾元件的輸出電阻可能會(huì)大于運(yùn)算放大器的輸入電阻，從而產(chǎn)生誤差，采用下圖所示的電路，則不存在這個(gè)問題。,三、霍爾元件的主要外特性參數(shù),最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM,上圖所示霍爾元件的線性范圍是負(fù)的多少高斯至正的多少高斯？(1特斯拉10000高斯),線性區(qū),最大激勵(lì)電流IM :,由于霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增大而增大，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(shì)的溫漂增大，因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它

5、的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。,以下哪一個(gè)激勵(lì)電流的數(shù)值較為妥當(dāng)？ 5A 0.1mA 2mA 80mA,四、霍爾集成電路,霍爾集成電路可分為 （1）線性型 （2）開關(guān)型,線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，比直接使用霍爾元件方便得多。,（1）線性型,單端輸出傳感器：三端器件,雙端輸出傳感器：8腳雙列直插封裝元件,UGN-3501T,是一種塑料扁平封裝的三端元件，它有T、U兩種型號(hào)，T型與U型的區(qū)別僅是厚度的不同，T型厚度為2.03mm，U型厚度為1.54mm。,UGN-3501M,雙端輸出線形集成電路UGN-3501M采用8腳封裝。1、8兩腳為輸出，

6、5、6、7三腳之間接一個(gè)電位器，對(duì)不等位電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行補(bǔ)償。,線性型霍爾特性,右圖示出了具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場(chǎng)為正向（磁鋼的S極對(duì)準(zhǔn)霍爾器件的正面）時(shí)， 輸出為正；磁場(chǎng)反向時(shí)，輸出為負(fù)。,請(qǐng)畫出線性范圍,（2）開關(guān)型,開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。,開關(guān)型霍爾集成

7、電路的外形及內(nèi)部電路,OC門,施密特 觸發(fā)電路,雙端輸入、 單端輸出運(yùn)放,霍爾 元件,.,Vcc,當(dāng)放大后的電壓UO大于施密特觸發(fā)器“開啟”閾值電壓時(shí)，施密特整形電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使V導(dǎo)通，這種狀態(tài)我們稱之為開狀態(tài)。當(dāng)磁場(chǎng)減弱時(shí)，霍爾元件輸出的UO很小，經(jīng)放大器放大后其值仍然小于施密特整形電路的“關(guān)閉”閾值電壓，施密特整形電路再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，使V截止，這種狀態(tài)稱為關(guān)狀態(tài)。,工作原理：,開關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性,回差越大，抗振動(dòng)干擾能力就越強(qiáng)。,當(dāng)磁鐵從遠(yuǎn)到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng)磁鐵從近到遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出再次翻轉(zhuǎn)？回差為多少特斯拉？相

8、當(dāng)于多少高斯（Gs）？,五、霍爾傳感器的應(yīng)用,霍爾電勢(shì)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。,1.霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）,霍爾元件,高斯計(jì)：接受所測(cè)物體的電磁波頻率，然后轉(zhuǎn)換成參數(shù)量顯示出來。主要用來測(cè)試高電壓環(huán)境電磁波 特斯拉計(jì)：主要是檢測(cè)磁體單位面積磁通量的多少，也就是檢測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度。,霍爾高斯計(jì)（特斯拉計(jì)）的使用,霍爾元件,磁鐵,霍爾傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度,霍爾元件,測(cè)量鐵心 氣隙的B值,2.霍爾轉(zhuǎn)速表,在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取

9、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(dòng)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(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。,S,N,線性霍爾,磁鐵,霍爾轉(zhuǎn)速表原理,當(dāng)齒對(duì)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(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。,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(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(cè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)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)速表的其他安裝方法,只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存

10、在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的脈動(dòng)，從而引起霍爾電勢(shì)的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)。,霍爾元件,磁鐵,3.霍爾式無刷電動(dòng)機(jī),霍爾式無刷電動(dòng)機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置，其輸出信號(hào)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(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無刷電動(dòng)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(dòng)機(jī)使用的電刷和換向器,光驅(qū)用的無刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu),1由于無電刷，沒有磨損問題，壽命長(zhǎng)、可靠性高。 2具有良好的旋轉(zhuǎn)特性，可以取得很寬的轉(zhuǎn)速特性、噪音低、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的23倍、穩(wěn)定性好。,無刷

11、電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用,電動(dòng)自行車,可充電電池組,無刷電動(dòng)機(jī),4.霍爾式接近開關(guān),當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開關(guān)動(dòng)作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。,霍爾式接近開關(guān),用霍爾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(cè)，并且還需要建立一個(gè)較強(qiáng)的閉合磁場(chǎng)。,在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時(shí)，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動(dòng)電路使繼電器吸合或釋放，控制運(yùn)動(dòng)部件停止移動(dòng)（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。,霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示,n,=,60,f,4,(r/min),軟鐵分流翼片,開關(guān)型霍爾IC,T,5.霍爾電流傳感器,將被測(cè)電流的導(dǎo)線穿過霍爾電流傳感器的檢測(cè)孔。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場(chǎng)，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。,霍爾電流傳感器演示,鐵心,線性霍爾IC,EH=KH IB,I,I,其他霍爾電流傳感器,霍爾鉗形電流表（交直流兩用）,壓舌,豁口,霍爾鉗形電流表演示,直流200A量程,被測(cè)電流的導(dǎo)線未放入鐵心時(shí)示值為