第7章-霍尔式传感器及应用

2020/2/221第7章霍尔式传感器及应用2020/2/222引言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。2020/2/223主要章节7.1霍尔效应及霍尔元件7.2霍尔传感器实用电路2020/2/2247.1霍尔效应及霍尔元件金属或半导体薄片置于磁感应强度B的磁场（磁场方向垂直与薄片）中，当有电流I通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH，这种物理现象称为霍尔效应。该电势UH称霍尔电势。7.1.1霍尔效应2020/2/225霍尔效应原理一块长为L、宽为W、厚为d的N型半导体薄片，位于磁感应强度为B的磁场中，B垂直于L-W平面，沿L通电流I，N型半导体的载流体-电子将受到B产生的洛仑兹力FB的作用BeFvB2020/2/226在力FB的作用下，电子向半导体片的一个侧面偏转，在该侧面上形成电子的积累，而在相对的另一侧面上因缺少电子而出现等量的正电荷。在这两个侧面上产生霍尔电场EH。该电场使运动电子受有电场力FEEHeFE2020/2/227电场力阻止电子继续向原侧面积累，当电子所受电场力和洛仑兹力相等时，电荷的积累达到动态平衡，由于存在EH，半导体片两侧面间出现电位差UH，称为霍尔电势HHHRUIBKIBd2020/2/228磁场与薄片法线夹角为HHcosUKIB2020/2/229常用的霍尔元件材料锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。2020/2/2210常用国产霍尔元件的技术参数参数名称符号单位HZ-1型HZ-2型HZ-3型HZ-4型HT-1型HT-2型HS-1型材料（N）型Ge（111）Ge（111）Ge（111）Ge（100）InSbInSbInAS电阻率·cm0.8～1.20.8～1.20.8～1.20.4～0.50.003～0.010.003～0.050.01几何尺寸L×b×dmm38×4×0.24×2×0.28×4×0.28×4×0.26×3×0.28×4×0.28×4×0.2输入电阻Ri110±20%110±20%110±20%45±20%0.8±20%0.8±20%1.2±20%输出电阻Ru100±20%100±20%100±20%40±20%0.5±20%0.5±20%1±20%灵敏度KHmV/(mA·T)12121241.8±20%1.8±20%1±20%不等位电阻ro0.070.050.070.020.0050.0050.0032020/2/22117.1.2霍尔元件基本结构霍尔片、引线和壳体组成1．霍尔元件的结构2020/2/22122.霍尔元件的连接（1）当控制电流为直流输入时，为了得到较大的霍尔输出，可将几块霍尔元件的输出串联。但控制电流必须并联，决不能串联。因为串联起来将有大部分控制电流被相连的霍尔电势极短接。2020/2/2213（2）当控制电流为交流输入时，可采用如图连接方式，这样可以增加霍尔输出电势及功率。2020/2/22147.1.3霍尔元件主要参数及其误差（1）乘积灵敏度KH（2）额定控制电流Icm（3）磁灵敏度KB（4）输入电阻Ri、输出电阻R。（5）不等位电势Uo和不等位电阻Ro（6）寄生直流电势UOD（7）霍尔电势温度系数α（8）工作温度范围1．主要特性参数2020/2/22152.霍尔元件的误差及补偿（1）不等位电势的补偿不等位电势的大小和极性与控制电流的大小和方向有关不等位电势的大小和相位随交流控制电流而变不等位电势与控制电流之间并非线性关系，而且U0还随温度而变2020/2/2216常用的不等位电势的补偿电路2020/2/2217（2）温度补偿①恒流源供电，输入端并联电阻；或恒压源供电，输入端串联电阻输入端并联电阻补偿输入端串联电阻补偿2020/2/2218②合理选择负载电阻霍尔电势的负载通常是放大器、显示器或记录仪的输入电阻，其值一定，可用串、并联电阻的方法使输出负载电压不变，但此时，灵敏度将相应有所降低。2020/2/2219③采用热敏元件最常采用的补偿方法2020/2/2220几种补偿电路采用热敏元件的温度误差补偿电路2020/2/22217.2霍尔传感器实用电路将霍尔元件、放大器、施密特触发器以及输出电路等集成在一块芯片上，为用户提供了一种简化的和较完善的磁敏传感器其输出信号快，传送过程中无抖动现象，且功耗低，对温度的变化是稳定的，灵敏度与磁场移动速度无关。霍尔集成传感器分为线性集成电路和开关集成电路。7.2.1霍尔集成传感器2020/2/22221.线性集成传感器线性霍尔集成传感器的特点是输出电压与外加磁感应强度B呈线性关系.由霍尔元件HG、放大器A、差动输出电路D和稳压电源R等组成2020/2/2223内部框图和输出特性2020/2/22242.开关集成传感器由霍尔元件HG、放大器A、输出晶体管VT、施密特电路C和稳压电源R等组成，与线性集成传感器不同之处是增设了施密特电路C，通过晶体管VT的集电极输出关集成传感器只有一个输出端，是以一定磁场电平值进行开关工作的。由于内设有施密特电路，开关特性具有时滞，因此有较好的抗噪声效果。霍尔集成传感器一般内有稳压电源，工作电源的电压范围较宽，可为3～16V。2020/2/2225开关集成传感器的内部框图和输出特性2020/2/22267.2.2霍尔传感器的应用简介霍尔电势是关于I、B、3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3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。霍尔传感器结构简单、工艺成熟、体积小、寿命长、线性好、频带宽，因而得到广泛的应用。2020/2/22271.测量位移将霍尔传感器放置在呈梯度分布的磁场中，通以恒定的控制电流，当传感器移动时，元件上感知的磁场大小随位移发生变化，从而使得其输出UH也产生变化，且与位移成比例。从原理上来分析，磁场梯度越大，霍尔输出UH对位移变化的灵敏度就越高，磁场梯度越均匀，则UH对位移的线性度就越好。2020/2/2228国产YSH-1型霍尔压力变送器2020/2/22292.无触点发信霍尔传感器通以恒定的控制电流，在近距离运动的磁钢作用下，输出UH产生显著的变化，这就是霍尔无触点发信。无触点发信只要求传感器输出一个足够大的UH信号，而对元件本身的温度特性、线性度等参数要求不高，因此被广泛用于精确定位、接近开关、导磁产品记数以及转速测量。2020/2/2230磁转子的转速检测电路2020/2/22313.无触点开关霍尔式无触点开关的每个键上都有两小块永久磁铁，当按钮未按下，通过霍尔传感器的磁力线是由上向下的。当按下按钮时，通过霍尔传感器的磁力线是由下向上的。霍尔传感器输出不同的状态，将此输出的开关信号直接与后面的逻辑门电路连接使用。这类键盘开关工作十分稳定可靠，功耗很低，动作过程中传感器与机械部件之间没有机械接触，使用寿命特别长。2020/2/2232集成霍尔传感器构成的按钮1—按钮2—外壳3—导磁材料4—集成传感器2020/2/22334.霍尔齿轮传感器差动霍尔电路制成的霍尔齿轮转速传感器广泛用于新一代汽车智能发动机。作为点火定时用的速度传感器，用于ABS（汽车防抱死制动系统）作为车速传感器等。2020/2/2234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2020/2/2235ABS的工作原理1—车速齿轮传感器2—压力调节器3—控制器2020/2/22365.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。2020/2/2237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2020/2/2238几种霍尔式转速传感器的结构1—输入轴2—转盘3—小磁铁4—霍尔传感器2020/2/2239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。2020/2/2240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：2020/2/2241霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口