自动检测技术与应用第八章
第八章第八章 霍尔传感器霍尔传感器 本章主要学习霍尔传感器本章主要学习霍尔传感器 的工作原理的工作原理、霍尔集成电路霍尔集成电路的的特性特性及其在检测技术中的应及其在检测技术中的应用用，还涉及还涉及交直流电流传感器交直流电流传感器以及以及安全栅安全栅。 霍霍尔尔元件是元件是 一种一种四端元件四端元件 第一节第一节 霍尔元件的结构及工作原理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半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中的磁场中， 磁场方向垂直于薄片磁场方向垂直于薄片，当有电流当有电流I 流过薄片时流过薄片时，在在 垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这这 种现象称为种现象称为霍尔效应霍尔效应。 磁感应强度磁感应强度B B为零时的为零时的情况情况 c c d d a a b b 磁感应强度磁感应强度B B 较大时的情况较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度作用在半导体薄片上的磁场强度B越强越强，霍尔电势霍尔电势 也就越高也就越高。霍尔电势霍尔电势EH可用下式表示可用下式表示： EH=KH IB 霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的电子受到洛仑兹力的 作用作用，向内侧向内侧（d侧侧）偏移偏移，在半导体薄片在半导体薄片c、d方方 向的端面之间建立起霍尔电势向的端面之间建立起霍尔电势。 c c d d a a b b 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度若磁感应强度B B不垂直于霍尔元件不垂直于霍尔元件，而是与其而是与其法线法线 成某一角度成某一角度 时时，实际上作用于霍尔元件上的实际上作用于霍尔元件上的有效磁有效磁 感应强度感应强度是其法线方向是其法线方向（与薄片垂直的方向与薄片垂直的方向）的分的分 量量，即即B Bcoscos ，这时的这时的霍尔电势与法线的夹角的余弦成霍尔电势与法线的夹角的余弦成 正比正比： E EH H= =K KH HIBIBcoscos 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势演示演示 结论结论：霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I、磁感应强度磁感应强度B成正比成正比。 当当B的方向改变时的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变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如果所施加的磁场为交变磁场，霍尔电势为同频率霍尔电势为同频率 的交变电势的交变电势。 a a c c d d b b 霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数 最大最大磁感应强度磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯负的多少高斯 至正的多少高斯至正的多少高斯？（？（1T104Gs） 线性区线性区 霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数（续续） 最大最大激励电流激励电流IM : : 由于霍尔电势随激励电流增大而增大由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故故 在应用中总希望选用较大的激励电流在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励但激励 电流增大电流增大，霍尔元件的霍尔元件的功耗增大功耗增大，元件的温度元件的温度 升高升高，从而从而引起霍尔电势的温漂增大引起霍尔电势的温漂增大，因此每因此每 种型号的元件均规定了相应的种型号的元件均规定了相应的最大激励电流最大激励电流， 它的数值从几毫安至十几毫安它的数值从几毫安至十几毫安。 以下哪一个以下哪一个激励电流的数值较为妥当激励电流的数值较为妥当？ 8 8A A 0 0. .8 8mAmA 8 8mAmA 8080mAmA 第二节第二节 霍尔集成电路霍尔集成电路 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型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差线性差 动放大器等做在一个芯片上动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级输出电压为伏级，比直比直 接使用霍尔元件方便得多接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件较典型的线性型霍尔器件 如如UGN3501等等。 线性型三端线性型三端 霍尔集成电路霍尔集成电路 线性型霍尔特性线性型霍尔特性 右图示出了具有双右图示出了具有双 端差动输出特性的线性端差动输出特性的线性 霍尔器件的输出特性曲霍尔器件的输出特性曲 线线。当磁场为零时当磁场为零时，它它 的输出电压等于零的输出电压等于零；当当 感受的磁场为正向感受的磁场为正向（磁磁 钢的钢的S S极对准霍尔器件极对准霍尔器件 的正面的正面）时时， 输出为输出为 正正；磁场反向时磁场反向时，输出输出 为负为负。 请请画出线性范围画出线性范围 开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是将开关型霍尔集成电路是将霍尔元件霍尔元件、稳稳 压电路压电路、放大器放大器、施密特触发器施密特触发器、OC门门（集集 电极开路输出门电极开路输出门）等电路做在同一个芯片等电路做在同一个芯片 上上。当外加磁场强度超过规定的工作点时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门由高阻态变为导通状态，输出变为低电输出变为低电 平平；当当外加磁场强度低于释放点时外加磁场强度低于释放点时，OC门重门重 新变为高阻态新变为高阻态，输出高电平输出高电平。较典型的开关较典型的开关 型霍尔器件型霍尔器件如如UGN3020等等。 开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 的外形及内部电路的外形及内部电路 OCOC门门 施密特施密特 触发电路触发电路 双端输入双端输入、 单端输出运放单端输出运放 霍尔霍尔 元件元件 . . VccVcc 开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 （OC门门输出输出）的接线的接线 请按以下电路请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来将下一页中的有关元件连接起来. 开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 与继电器的接线与继电器的接线 ? ? 开关型霍尔集成电路的史密特输出特性开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越回差越 大大，抗振动抗振动 干扰能力就干扰能力就 越强越强。 当磁铁当磁铁从远到近地接近霍尔从远到近地接近霍尔IC，到多少到多少 特斯拉时输出翻转特斯拉时输出翻转？当当磁铁从近到远地远离磁铁从近到远地远离 霍尔霍尔IC，到多少特斯拉时输出到多少特斯拉时输出再次翻转再次翻转？回回 差为多少特斯拉差为多少特斯拉？相当于多少高斯相当于多少高斯（Gs）？）？ 第三节第三节 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函三个变量的函 数数，即即 EH=KHIBcos 。 利用这个关系可以使利用这个关系可以使其中两个量不其中两个量不 变变，将将第三个量作为变量第三个量作为变量，或者固定其中一或者固定其中一 个量个量，其余两个量都作为变量其余两个量都作为变量。这使得霍尔这使得霍尔 传感器有许多用途传感器有许多用途。 霍尔传感器主要用于测量能够转换为霍尔传感器主要用于测量能够转换为 磁场变化的其他物理量磁场变化的其他物理量。 霍尔特斯拉计霍尔特斯拉计（高斯计高斯计） 霍尔元件霍尔元件 霍尔高斯计霍尔高斯计（特斯拉计特斯拉计）的使用的使用 霍尔元件霍尔元件 磁铁磁铁 霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件 测量铁心测量铁心 气隙的气隙的B值值 霍尔转速表霍尔转速表 60 22fn在被测转速的转轴上安装一个在被测转速的转轴上安装一个齿盘齿盘，也可选取机也可选取机 械系统中的一个械系统中的一个齿轮齿轮，将将线性型线性型霍尔器件及磁路系统霍尔器件及磁路系统 靠近齿盘靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变磁阻随气隙的改变而而 周期性地变化周期性地变化，霍尔器件输出的霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔微小脉冲信号经隔 直直、放大放大、整形后可以确定被测物的转速整形后可以确定被测物的转速。 S S N N 线性霍尔线性霍尔 磁铁磁铁 霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当当齿齿对准霍尔元件时对准霍尔元件时，磁力线磁力线集中穿过霍尔集中穿过霍尔 元件元件，可产生较大的霍尔电动势可产生较大的霍尔电动势，放大放大、整形后整形后 输出高电平输出高电平；反之反之，当当齿轮的空挡对准霍尔元件齿轮的空挡对准霍尔元件 时时，输出为低电平输出为低电平。 霍尔转速传感器在汽车防抱死装置霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用中的应用 若汽车在刹车时车轮被若汽车在刹车时车轮被抱死抱死，将产生危险将产生危险。 用霍尔转速传感器来检测和保持车轮的用霍尔转速传感器来检测和保持车轮的转动转动，有有 助于助于控制刹车力的大小控制刹车力的大小和防止和防止侧偏侧偏。 带有微带有微 型磁铁型磁铁 的霍尔的霍尔 传感器传感器 钢质钢质 霍尔霍尔 霍尔转速表的其他安装方法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只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突缺口或突 起起，就就可产生磁场强度的脉动可产生磁场强度的脉动，从而从而引起霍尔电引起霍尔电 势的变化势的变化，产生转速信号产生转速信号。 霍尔霍尔元件元件 磁铁磁铁 霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置 采用霍尔式无采用霍尔式无 触点电子点火装置能触点电子点火装置能 较好地较好地克服汽车合金克服汽车合金 触点点火时间不准触点点火时间不准 确确、触点易烧坏触点易烧坏、高高 速时动力不足速时动力不足等缺等缺 点点。 汽车点火线圈汽车点火线圈 高压输出高压输出 接头接头 12V低压电源低压电源 输入接头输入接头 霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理 桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图 1 1- -触发器叶片触发器叶片 2- -槽口槽口 3- -分电器转轴分电器转轴 4- -永久磁铁永久磁铁 5- -霍尔集成电路霍尔集成电路（PNP型霍尔型霍尔IC） a a）带缺口的触发器叶片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触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成 电路之间的安装关系电路之间的安装关系 c c）叶片位置与点火正时的关系叶片位置与点火正时的关系 霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置(续续） 汽车电子点火电路及波形汽车电子点火电路及波形 1点火开关点火开关 2达林顿晶体管功率开关达林顿晶体管功率开关 3点火线圈低压侧点火线圈低压侧 4点火线圈铁心点火线圈铁心 5点火线圈高压侧点火线圈高压侧 6分火头分火头 7火花塞火花塞 a a）电路电路 b）霍尔霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形及点火线圈高压侧输出波形 霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置(续续） 当叶片遮挡在霍尔当叶片遮挡在霍尔ICIC面前时面前时，PNPPNP型霍尔型霍尔 ICIC的输出为低电平的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通晶体管功率开关处于导通 状态状态，点火线圈低压侧有较大电流通过点火线圈低压侧有较
