霍尔式传感器 - 图文

第4章磁电式传感器

磁电式传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。磁电感应式传感器、霍尔式传感器都是磁电式传感器。磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电势的；霍尔式传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应(霍尔效应)而输出电势的。它们原理并不完全相同，因此各有各的特点和应用范围。

4.1 霍尔式传感器本章要点

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4.1 霍尔式传感器

霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量、如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。

?霍尔效应和霍尔元件材料?霍尔元件构造及测量电路?霍尔元件的主要技术指标?霍尔元件的补偿电路

?霍尔式传感器的应用举例

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4.1.1霍尔效应和霍尔元件材料

?

??

霍尔效应

现象：一个宽为b,厚为a的半导体处于磁场中，当通有电流时，其两端会产生电场——霍尔效应。

F??原因：洛仑兹力?fL?qv?B电场力??L

动态平衡

fE?qEHFE

EH是霍尔电场；UH是霍尔电势（电压）。且

??UHfL?fE ? qvB?qEH?qbUH? bvB返回

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4.1.1霍尔效应和霍尔元件材料

dqII??navbe ? v?利用

dtneabIBUH? 代入UH得nea1RHR? KH? 式中Hne是系数霍尔，是霍尔元件灵敏度。

a则

UH? KHIBIB对N型半导体UH? (?)，

neaIB对P型半导体UH? , p为空穴密度。

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4.1.1霍尔效应和霍尔元件材料

????霍尔元件材料

1．锗(Ge)，N型及P型均可。2．硅(Si)．N型及P型均可。

3．砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相似。

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4.1.2 霍尔元件构造及测量电路

?霍尔元件结构: a，b为控制极（通电流），c，

d为霍尔电极（输出霍尔电压）。?霍尔片

?四极引线及电路符号：1为控制极，2为霍尔电

极?壳体

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4.1.2 霍尔元件构造及测量电路

?测量电路

霍尔元件的基本测量电路如图所示。激励电流由电源E供给，可变电阻R用来调节激励电流I的大小。RL为输出霍尔电势UH的负载电阻。通常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。

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4.1.3 霍尔元件的基本误差及其补偿

一、零位误差

?定义：不加控制电流或磁场时，出现的霍尔电势。?产生：

(1)不等位电势——不加磁场时，出现的霍尔电势（主要零位误差）。

?原因：控制电极不对称引起；

?解决办法：在1，2电极之间加电阻。

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4.1.3 霍尔元件的基本误差及其补偿

(2)寄生直流电势——通交流控制电流时，除交流不等位电势外，存在直流电势分量。

?原因：（a）控制电极与霍尔电极接触不良

引起整流效应；

（b）霍尔电极焊点大小不一致引起

的温差电势。

?解决办法：（a）改善电极接触性能和元件的散热条件;

（b）均匀散热（有效措施）。

(3)感应零电势Ui0——无控制电流时，在脉动磁场作用下而产生的零位电势；

?原因：设

B?B0sinωtdBUi0??A??2?AfB0cosωtdt则

表明：它与霍尔电势极引线构成的

感应面积A成正比。

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4.1.3 霍尔元件的基本误差及其补偿

?解决办法：

改变引线走向，使霍尔电势极引线围成的感应面积A所产生的感应电势互相抵消。

(4)自激场零电势——由控制电流产生的（自激）磁场的不对称所引起的零位电势。

?原因：

?当元件的左右两半场相等时，所产生的电势方向相反而抵消。

?当元件的左右两半场不（控制电流引线也产生磁场）相等时，所产生的电势方向相反而抵消。

?解决办法：适当安排控制电流引线。

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4.1.3 霍尔元件的基本误差及其补偿

二、温度影响

?内阻——输入电阻Ri（控制电流两端之间的电阻）和输出电阻R0（霍尔电势两输出端的电阻）?温度影响——包含Ri(t) 、R0(t)和UH(t)。

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4.1.3 霍尔元件的基本误差及其补偿

?补偿方法

?输入端补偿——恒流源补偿法

当R0<

适当选择输出回路负载，可以补偿温度对R0(t)和UH的影响。

R0?R00(1??t)设温度的影响为

UH?UH0(1??t)其中：R00 、UH0为输出电阻和输出霍尔电势在温度没有变化时的基准值。a和β为温度系数。

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4.1.3 霍尔元件的基本误差及其补偿

当有温度影响时

RLRLUL?UH?UH0(1??t)RL?R0RL?R00(1??t)令

得??输入回路串联电阻补偿法

图中，E为恒压源，R为串联电阻，

当温度增加Δt时，霍尔电极的电势有一个增加值(ΔUH)t；另一方面，由Ri?Ri0(1??t)知，温度增加使输入电阻有增加值ΔR i，使得控制电流产生一个下降ΔI，控制电流的下降，由UH? KHIB知，又引起霍尔电势下降(ΔUH)I,即有：

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dUL?0dt???RL?R004.1.3 霍尔元件的基本误差及其补偿

温度使(?UH)t?UH0??t和?Ri?Ri0??t增加，电阻增加使电流下降：?Ri?RiI0Ri0??t?I?R?Ri0??RiI0?R?Ri0I0?R?Ri0从而使霍尔电势下降：

Ri0??tRi0??t(?UH)I?KH?IB?KHI0B?UH0R?Ri0R?Ri0。

只要

?(?UH)t??t? ??? ???R? ? ?I? ? (?UH)I?(?UH)t?(?UH)I就能补偿温度的影响, 故有Ri0??t???UH0?UH0??t ? R?Ri0R?Ri0?返回上页

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4.1.4 霍尔式传感器测位移原理

原理：霍尔元件放在线性分布的非均匀磁场中，有

UH? KHIB(x)dUHdB(x)? KHI?KHIkdxdxx2x2已知

dUHdx??KHIkdx?KHIk(x2?x1)则UH??dxx1x1特点：测量范围窄：1~2 mm的小位移由于B（x）

曲线线性部分很小）。惯性小，响应速度快，无接

触测量。还可以测其它非电量，如力、压力、压差、液位、加速度等。

当霍尔元件在均匀磁场内转动时，则产生与转

角的正弦函数成比例霍电压,可测量角位移。

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4.1.6 霍尔式传感器的应用举例

?应用举例（3）——各种霍尔转速传感器的结构

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。

磁铁霍尔元件

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4.1.6 霍尔式传感器的应用举例

?应用举例（4）——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和保持车轮的转动，有助于控制刹车力的大小和防止侧偏。

带有微型磁铁的霍尔传感器

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4.1.6 霍尔式传感器的应用举例

?应用举例(5)——霍尔传感器应用于无触点汽车电子点火(1)

采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足。霍尔式分电器示意图如下：

1-触发器叶片2-槽口3-分电器转轴4-永久磁铁

5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC）

a）带缺口的触发器叶片b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系c）叶片位置与点火正时的关系

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汽车点火线圈

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4.1.6 霍尔式传感器的应用举例

?应用举例(5)——霍尔传感器应用于无触点汽车电子点火(2)

点火原理：当叶片遮挡在霍尔IC面前时，PNP型霍尔IC的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。当叶片槽口转到霍尔IC面前时，霍尔IC输出跳变为高电平，经反相变为低电平，达林顿管截止，切断点火线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出

30~50kV的高电压。1—点火开关2—达林顿晶体管功率开关3—点火线圈低压侧

4—点火线圈铁心5—点火线圈高压侧6—分火头7—火花塞

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4.1.6 霍尔式传感器的应用举例

?应用举例（6）——霍尔传感器应用于无刷电动机(1)

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。直流无刷电机使用永磁转子，在定子的适当位置放置若干个(至少2个)的霍尔器件，利用测量转角的原理，判断转子的角度，在适当位置让某个霍尔器件导通改变驱动电路，从而改变电流方向。实现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

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