第八章 霍尔传感器

2020/1/18蚌埠学院机电系1第九章霍尔传感器本章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。霍尔元件是一种四端元件蚌埠学院机电系22020/1/18霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。蚌埠学院机电系32020/1/18第一节霍尔元件及霍尔效应一、霍尔效应（定性分析）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蚌埠学院机电系42020/1/18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。霍尔电势EH可用下式表示：EH=KHIB霍尔效应（定性分析）蚌埠学院机电系52020/1/18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。cdab霍尔效应（定性分析）蚌埠学院机电系62020/1/18二、霍尔效应（定量分析）霍尔元件是一种四端元件蚌埠学院机电系72020/1/18如图所示,在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板,导电板通以电流I,方向如图所示。导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。此时,每个电子受洛仑磁力fL的作用，fL大小为fL=-eBv（8-1）式中:e——电子电荷;v——电子运动平均速度;B——bBfLlIdEHvfH霍尔效应（定量分析）蚌埠学院机电系82020/1/18式中UH为电位差。随着上、下底面积累电荷的增加,霍尔电场增加,电子受到的电场力也增加,当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反时,即附加内电场EH,称霍尔电场,该电场强度为（8-2eEH=evB（8-3）则EH=vB（8-4）此时电荷不再向两底面积累,达到平衡状态。bBfLlIdEHvfHEH=霍尔效应（定量分析）蚌埠学院机电系92020/1/18若金属导电板单位体积内电子数为n,电子定向运动平均速度为v,则激励电流I=Q/t=-nevbd,bBfLlIdEHvfHEH=vBEH=UH/b令RH=1/（ne）：霍尔常数令KH=RH/dKH称为霍尔片的灵敏系数。IBKUHH霍尔效应（定量分析）蚌埠学院机电系102020/1/18可见,霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度,霍尔元件常制成薄片形状。IBKdIBRUHHH由式霍尔效应（定量分析）蚌埠学院机电系112020/1/18蚌埠学院机电系122020/1/18蚌埠学院机电系132020/1/18霍尔元件的结构很简单,它由霍尔片、引线和壳体组成,如图所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图(b)所示。三、霍尔元件及测量电路1、霍尔元件基本结构蚌埠学院机电系142020/1/182、霍尔元件测量电路图示的是霍耳元件的基本检测电路。Rp用来调节激励电流的大小，电源E用以提供激励电流I，霍耳元件输出端接负载电阻RL(也可以是测量仪表的内阻或放大器的输入电阻等)霍耳效应建立的时间很短，所以也可以用频率很高的交流激励电流，由于霍耳电势正比于激励电流I或磁感应强度B，或者二者的乘积，因此在实际应用中，可以把激励电流I或磁感应强度B，或者二者的乘积作为输入信号进行检测。蚌埠学院机电系152020/1/18而在霍耳元件输出信号不够大的情况下，可以采用运算放大器对霍耳电势进行放大，如图所示。当然，最好还是采用集成霍耳传感器霍尔元件测量电路蚌埠学院机电系162020/1/183.1）当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而性增加,所以,使用中希望选用尽可能大的激励电流,因而需要知道元件的最大允许激励电流,改善霍尔元件的散热条件,可以使激励电流增加。2）激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源,其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在20℃±5℃时确定的。蚌埠学院机电系172020/1/18当磁感应强度为零，霍耳元件的激励电流为额定值时，则其输出的霍耳电势应该为零，但实际不为零，用直流电位差计可以测得空载霍耳电势，这时测得的空载霍耳电势称为不等位电势。产生不等位电势的主要原因有：①霍耳电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；③激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。不等位电势也可用不等位电阻(零位电阻)表示，即00UrI式中U0——不等位电势；r0——不等位电阻；I——激励电流。3)不等位电势和不等位电阻蚌埠学院机电系182020/1/184）在外加磁场为零,霍尔元件用交流激励时,霍尔电极输出除了交流不等位电势外,还有一直流电势,称寄生直流电势。其产生的原因有:①激励电极与霍尔电极接触不良,形成非欧姆接触,造成整流效应;②两个霍尔电极大小不对称,则两个电极点的热容不同,散热状态不同形成极向温差电势。寄生直流电势一般在1mV以下,它是影响霍尔片温漂的原因之一。5）在一定磁感应强度和激励电流下,温度每变化1℃时,霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。蚌埠学院机电系192020/1/186)灵敏度KH霍耳元件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下的空载霍耳电势值，称为霍耳元件的灵敏度蚌埠学院机电系202020/1/18第二节霍尔集成电路霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。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。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。线性型三端霍尔集成电路蚌埠学院机电系212020/1/18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。请画出线性范围霍尔集成电路蚌埠学院机电系222020/1/18开关型霍尔集成电路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。霍尔集成电路蚌埠学院机电系232020/1/18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霍尔集成电路蚌埠学院机电系242020/1/18开关型霍尔集成电路与继电器的接线?蚌埠学院机电系252020/1/18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。霍尔集成电路蚌埠学院机电系262020/1/181.霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点,它不仅用于磁感应强度,有功功率及电能参数的测量,也在位移测量中得到广泛应用。第三节、霍尔式传感器的应用霍尔式传感器可以测量位移、压力、压差、机械振动等非电量；可以检测电流大小；霍尔开关元件等。霍耳元件SNNSxxxNS霍耳元件xxNSNSx霍耳元件x(a)磁场强度相同的传感器(b)简单的位移传感器(c)结构相同的位移传感器图霍耳式位移传感器的工作原理图蚌埠学院机电系272020/1/18若霍尔元件在两磁铁中产生相对位移,霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变,这时UH不为零,其量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量,这种结构的传感器,其动态范围可达5mm,分辨率为0.001mm。(a)磁场强度相同的传感器（a）图是磁场强度相同的两块永久磁铁,同极性相对地放置,霍尔元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0,因此霍尔元件输出的霍尔电势UH也等于零,此时位移Δx=0。蚌埠学院机电系282020/1/18(c)图是一个由两个结构相同的磁路组成的霍尔式位移传感器,为了获得较好的线性分布,在磁极端面装有极靴,霍尔元件调整好初始位置时,可以使霍尔电压UH=0。这种传感器灵敏度很高,但它所能检测的位移量较小,适合于微位移量及振动的测量。(c)结构相同的位移传感器蚌埠学院机电系292020/1/18上图是几种不同结构的霍尔式转速传感器。磁性转盘的输入轴与被测转轴相连,当被测转轴转动时,磁性转盘随之转动,固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲,检测出单位时间的脉冲数,便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。2.1243124312431234NSNSNSNSNSNSNS图几种霍耳式转速传感器的结构1－输入轴；2－转盘；3－小磁铁；4－霍耳传感器蚌埠学院机电系302020/1/18霍尔开关传感器SL3501是具有较高灵敏度的集成霍尔元件,能感受到很小的磁场变化,因而可对黑色金属零件进行计数检测。图是对钢当钢球通过霍尔开关传感器时,传感器可输出峰值20mV的脉冲电压,该电压经运算放大器A（μA741）放大后,驱动半导体三极管VT（2N5812）工作,VT输出端便可接计数器进行计数,并由显示器显示检测数值。钢球绝缘板NS磁铁霍耳开关传感器vA741+12VSL3501SR110kΩＦC11kΩ470kΩ470kΩVccVT2N581211kΩR3R2R5R4计数器3.图霍耳计数装置蚌埠学院机电系312020/1/18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。蚌埠学院机电系322020/1/18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。蚌埠学院机电系332020/1/18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ICT蚌埠学院机电系342020/1/18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。蚌埠学院机电系352020/1/18霍尔电流传感器演示铁心线性霍尔ICEH=KHIB所实现的多媒体界面：蚌埠学院机电系362020/1/18霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口蚌埠学院机电系372020/1/18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蚌埠学院机电系382020/1/18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蚌埠学院机电系392020/1/18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蚌埠学院机电系402020/1/18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蚌埠学院机电系412020/1/18霍尔式电流谐波分