霍尔式传感器

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中的应用，还涉及磁场测量技术。•1879年，霍尔(E.H.Hall)在研究通有电流的导体在磁场中受力的情况时，发现在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为“霍尔效应”。•1985年德国克利青发现量子霍耳效应获得诺贝尔奖。•1998年普林斯顿大学的崔琦、斯坦福大學的Laughlin，哥倫比亞大學的Stormer因研究量子霍尔液体获得诺贝尔奖。•半导体是指具有中等程度导电性的材料，其电导率一般在•金属是指良导体，电导率的量级•绝缘体是指具有极低电导率的材料1710m14610~10m1201010~10m•在相同电流强度和磁感应强度的条件下，半导体材料的霍耳效应比金属大多个数量级左右。这是因为半导体的载流子浓度比金属的自由电子浓度要小许多数量级。因此，在半导体和金属中要得到相同电流强度，半导体载流子的速度就要大许多。而速度大，所受的洛伦兹力就大，与之相平衡的静电力就大，所以霍耳效应就大。•半导体的电导率介于导体和绝缘体之间。以室温下的铜和硅为例，后者小13个量级。且金属电阻随温度增加而增加，半导体则随温度增加减小，即温度越高，导电性越好。•利用霍尔效应，可以确定半导体的导电类型和载流子浓度，利用霍尔系数和电导率的联合测量，可以用来研究半导体的导电机构(本征导电和杂质导电)和散射机构(晶格散射和杂质散射)，进一步确定半导体的迁移率、禁带宽度、杂质电离能等基本参数。•在绝对零度条件下，半导体的电子全部束缚在原子上，能量低，处于价带。温度升高时，部分电子由于热运动，脱离原子的束缚，进入导带。所以温度升高，半导体的电导率升高。•而金属温度升高导致电子与原子以及电子与电子的碰撞加剧，电导降低，电阻增加。•根据霍尔效应原理制成的霍尔器件，可用于磁场和功率测量，也可制成开关元件，在自动控制和信息处理等方面有着广泛的应用。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B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。磁感应强度B为零时的情况cdab磁感应强度B较大时的情况作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔效应演示当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，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。cdabdIBRUHH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）则令dRKHHIBKUHH霍尔电势：霍尔常数neRH1霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值，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：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N型半导体较适合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若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为EH=KHIBcos结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B和I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交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势二、霍尔元件的结构和基本电路•图（a）中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1-1电极用于加控制电流，称控制电极。另一对2-2电极用于引出霍尔电势，称输出极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。•图（b）是霍尔元件通用的图形符号。•图（c）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。通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。•图（d）是基本测量电路。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。使用一个运算放大器时，霍尔元件的输出电阻可能会大于运算放大器的输入电阻，从而产生误差，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最大磁感应强度BM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？(1特斯拉＝10000高斯)线性区最大激励电流IM: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。以下哪一个激励电流的数值较为妥当？5μA0.1mA2mA80mA四、霍尔集成电路霍尔集成电路可分为（1）线性型（2）开关型线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。（1）线性型单端输出传感器：三端器件双端输出传感器：8脚双列直插封装元件UGN-3501T是一种塑料扁平封装的三端元件，它有T、U两种型号，T型与U型的区别仅是厚度的不同，T型厚度为2.03mm，U型厚度为1.54mm。UGN-3501M双端输出线形集成电路UGN-3501M采用8脚封装。1、8两脚为输出，5、6、7三脚之间接一个电位器，对不等位电动势进行补偿。线性型霍尔特性右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时，输出为正；磁场反向时，输出为负。请画出线性范围（2）开关型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、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC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，OC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UGN3020等。开关型霍尔集成电路的外形及内部电路OC门施密特触发电路双端输入、单端输出运放霍尔元件.Vcc当放大后的电压UO大于施密特触发器“开启”阈值电压时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使V导通，这种状态我们称之为开状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的UO很小，经放大器放大后其值仍然小于施密特整形电路的“关闭”阈值电压，施密特整形电路再次翻转，输出低电平，使V截止，这种状态称为关状态。工作原理：开关型霍尔集成电路的史密特输出特性回差越大，抗振动干扰能力就越强。当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多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（Gs）？五、霍尔传感器的应用霍尔电势是关于I、B、三个变量的函数，即EH=KHIBcos。利用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。1.霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔元件高斯计：接受所测物体的电磁波频率，然后转换成参数量显示出来。主要用来测试高电压环境电磁波特斯拉计：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。霍尔高斯计（特斯拉计）的使用霍尔元件磁铁霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔元件测量铁心气隙的B值2.霍尔转速表6022fn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转速。SN线性霍尔磁铁霍尔转速表原理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，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。霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用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动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔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。霍尔元件磁铁3.霍尔式无刷电动机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。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。普通直流电动机使用的电刷和换向器光驱用的无刷电动机内部结构1．由于无电刷，没有磨损问题，寿命长、可靠性高。2．具有良好的旋转特性，可以取得很宽的转速特性、噪音低、起动转矩为额定转矩的2～3倍、稳定性好。无刷电动机在电动自行车上的应用电动自行车可充电电池组无刷电动机4.霍尔式接近开关当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。霍尔式接近开关用霍尔IC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合磁场。在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。霍尔式接近开关用于转速测量演示n=60f4(r/min)软铁分流翼片开关型霍尔ICT5.霍尔电流传感器将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。霍尔电流传感器演示铁心线性霍尔ICEH=KHIB其他霍尔电流传感器霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口霍尔钳形电流表演示直流200A量程被测电流的导线未放入铁心时示值为零70.9A钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示70.9A霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的铁心张开将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中霍尔钳形电流表的使用（续）叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便用钳形表测量电动机的相电流