项目一__霍尔传感器

会计学1项目一项目一_霍尔传感器霍尔传感器 1.1 1.1 霍尔元件的结构及工作原理霍尔元件的结构及工作原理 1.1.1 1.1.1 1.1.1 1.1.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应:霍尔发现，如果对位于磁场霍尔发现，如果对位于磁场霍尔发现，如果对位于磁场霍尔发现，如果对位于磁场(B)(B)中的导体施加中的导体施加中的导体施加中的导体施加一个电压一个电压一个电压一个电压(V)(V)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压一个电压一个电压一个电压(E(EHH)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为被称为被称为被称为霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应。

当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片向内侧偏移，在半导体薄片C、D方向的端面之间建立起霍尔电势方向的端面之间建立起霍尔电势EHCAB霍尔效应演示霍尔效应演示霍尔效应演示霍尔效应演示D1.1.21.1.21.1.21.1.2 霍尔传感器原理：霍尔传感器原理：霍尔传感器原理：霍尔传感器原理：产产产产生生生生霍霍霍霍尔尔尔尔效效效效应应应应原原原原因因因因是是是是根根根根据据据据电电电电磁磁磁磁感感感感应应应应定定定定律律律律，电电电电子子子子在在在在磁磁磁磁场场场场中中中中以以以以速速速速度度度度v v运运运运动动动动时时时时，受受受受到到到到洛洛洛洛伦伦伦伦兹兹兹兹力力力力f fL L；f fL L与与与与电电电电子子子子的的的的电电电电菏菏菏菏量量量量e e、运运运运动动动动速速速速度度度度v v及及及及磁磁磁磁场场场场强强强强度度度度B B成成成成正正正正比比比比；f fL L=evB=evB；电电电电荷荷荷荷在在在在f fL L的的的的作作作作用用用用下下下下向向向向一一一一侧侧侧侧偏偏偏偏移移移移，在半导体薄片在半导体薄片在半导体薄片在半导体薄片C C、D D端面间形成感应电动势端面间形成感应电动势端面间形成感应电动势端面间形成感应电动势E EH H.CDEH1.1.21.1.21.1.21.1.2 霍尔传感器原理：霍尔传感器原理：霍尔传感器原理：霍尔传感器原理：感感感感应应应应电电电电动动动动势势势势E EHH在在在在半半半半导导导导体体体体膜膜膜膜片片片片上上上上形形形形成成成成一一一一电电电电场场场场，根根根根据据据据电电电电磁磁磁磁感感感感应应应应定定定定律律律律，电电电电荷荷荷荷在在在在电电电电场场场场中中中中要要要要受受受受到到到到电电电电场场场场力力力力f fE E，f fE E 与与与与电电电电荷荷荷荷电电电电量量量量的的的的多多多多少少少少、E EHH大小及两电极间距有关。

大小及两电极间距有关大小及两电极间距有关大小及两电极间距有关f fE E=e =e E EHH/b/bCDEH1.1.21.1.21.1.21.1.2 霍尔传感器原理：霍尔传感器原理：霍尔传感器原理：霍尔传感器原理：随随随随着着着着感感感感应应应应电电电电动动动动势势势势E EHH的的的的增增增增加加加加，f fE E不不不不断断断断增增增增加加加加，最最最最终终终终f fL L与与与与f fE E半半半半达达达达到到到到某某某某一平衡值，即：一平衡值，即：一平衡值，即：一平衡值，即：f fL L+f fE E=0=0 设通过半导体的电流设通过半导体的电流设通过半导体的电流设通过半导体的电流I I为为为为:I I=-envbd=-envbd CDEH（n为单位体积的载流子数量）EH=IB/end=SHIBSH灵敏度系数 1.1.3 霍尔元件材料霍尔元件材料:霍尔元件是一种四端元件因：EH=IB/end1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霍尔元件材料为什么必须用半导体材料？用金属材料可以么？霍尔元件材料为什么必须用薄片？用厚片可以么？1.1.1.1.3 3 霍尔元件材料霍尔元件材料霍尔元件材料霍尔元件材料:霍尔元件 磁感应强度B较大时的情况,作作用用在在半半导导体体薄薄片片上上的的磁磁场场强强度度B越越强强，霍霍尔尔电电势势也也就就越越高高。

EH=SH IB 1.1.4、影响霍尔电动势的因素磁感应强度B为零时的情况CDAB 磁磁磁磁感感感感应应应应强强强强度度度度B B B B较较较较小小小小时时时时的的的的情情情情况况况况,作作作作用用用用在在在在半半半半导导导导体体体体薄薄薄薄片片片片上上上上的的的的磁磁磁磁场场场场强强强强度度度度B B B B越小，霍尔电势也就越低越小，霍尔电势也就越低越小，霍尔电势也就越低越小，霍尔电势也就越低E E E EH H H H=S=S=S=SH H H HIB IB IB IB 若若磁磁感感应应强强度度B B不不垂垂直直于于霍霍尔尔元元件件，而而是是与与其其法法线线成成某某一一角角度度 时时，实实际际上上作作用用于于霍霍尔尔元元件件上上的的有有效效磁磁感感应应强强度度是是其其法法线线方方向向（与与薄薄片片垂垂直直的的方方向向）的的分分量量，即即B Bcoscos，这这时时的的霍霍尔电势为尔电势为:结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B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EH=SHIBcos 1.1.4、影响霍尔电动势的因素1.2.1 1.2.1 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负的多少高斯至正的多少高斯？线性区1.2.2 1.2.2 额定额定激励电流激励电流IH :使霍尔元件温升10所施加的控制电流值称为额定激励电流。

通常用IH表示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1.21.2霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标 1.2.31.2.3 输入电阻输入电阻R Ri i:它是指控制电流极间的电阻值它规定要在室温(205)的环境温度中测取1.2.4 输出电阻RL：它是指霍尔电极间的电阻值规定中要求在(205)的条件下测取当霍尔元件通以控制电流IH而不加外磁场时，它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，称为不等位电势1.2.5 不等位电势E01.2.61.2.6 寄生直流电势寄生直流电势V V0 0:当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时，霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和其中的交流霍尔电势与前述零位电势相对应，而直流霍尔电势是个寄生量，称为寄生直流电势V1.2.7 热阻RQ:它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输入lmW的电功率时产生的温升，单位为/mW所以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定条件下与电阻有关。

1.3 1.3 霍尔传感器集成电路霍尔传感器集成电路 霍尔集成电路可分为霍尔集成电路可分为线性型线性型和和开关型开关型两大两大类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1.3.1 线性型霍尔传感器特性1.3.1.3.1 1 线性型霍尔传感器特性线性型霍尔传感器特性线性型霍尔传感器特性线性型霍尔传感器特性 右图示出了具右图示出了具有双端差动输出特性有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输的线性霍尔器件的输出特性曲线当磁场出特性曲线当磁场为零时，它的输出电为零时，它的输出电压等于零；当感受的压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的磁场为正向（磁钢的S S极对准霍尔器件的极对准霍尔器件的正面）时，正面）时，输出为输出为正；磁场反向时，输正；磁场反向时，输出为负请画出线性范围1.3.1.3.2 2、开关型霍尔传感器集成电路、开关型霍尔传感器集成电路、开关型霍尔传感器集成电路、开关型霍尔传感器集成电路 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、施密特触发器、放大器、施密特触发器、OC门（集门（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上。

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，当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；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，当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变门重新变为高阻态，输出高电平较典型的开关型霍为高阻态，输出高电平较典型的开关型霍尔器件如尔器件如UGN3020等VccOC门施密特触发电路 双端输入 单端输出运放霍尔 元件.开关型霍尔集成电路的外形及内部电路1.3.21.3.2、开关型霍尔传感器集成电路、开关型霍尔传感器集成电路、开关型霍尔传感器集成电路、开关型霍尔传感器集成电路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，抗振动大，抗振动干扰能力就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）？1.3.2、开关型霍尔传感器集成电路 1.4 1.4 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 I、B B、三个变量的函数，三个变量的函数，即即 E EH H=S=SH HIBcosIBcos 。

利用这个关系可以使其中两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尔传感器有许多用途霍尔传感器优点：磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用讫今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：分电器上作信号传感器分电器上作信号传感器;ABS系统中的速度传感器系统中的速度传感器;汽车速度表和里程表汽车速度表和里程表;液体物理量检测器液体物理量检测器;各种用电负载的电流检测及工作状态诊断各种用电负载的电流检测及工作状态诊断;发动机转速及曲轴角度传感器发动机转速及曲轴角度传感器;各种开关，等等各种开关，等等;n n霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化例如位置、位移、角度、角速度、位置、位移、角度、角速度、转速转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。

目前的霍尔器件都可承受一定的振动，可在零下40摄氏度到零上150摄氏度范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境1.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 1、霍尔接近开关2、霍尔特斯拉计（高斯计）3、霍尔转速表4、霍尔式无触点汽车电子点火装置5、霍尔式无刷电动机6、霍尔式电流传感器7、霍尔钳形电流表8、霍尔式位移传感器9、霍尔式压力传感器n n1、霍尔接近开关、霍尔接近开关 霍尔元件是一种磁敏元件利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断这种接近开关的检测对象必须是磁性物体1 1、霍尔接式近开关、霍尔接式近开关、霍尔接式近开关、霍尔接式近开关 当磁铁的有效磁当磁铁的有效磁极接近、并达到动作极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近距离时，霍尔式接近开关动作霍尔接近开关动作霍尔接近开关一般还配一块钕开关一般还配一块钕铁硼磁铁铁硼磁铁用霍尔用霍尔ICIC也能完成接近开关的功能，但是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。

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1、霍尔接式近开关霍尔式接近开关用于转速测量演霍尔式接近开关用于转速测量演霍尔式接近开关用于转速测量演霍尔式接近开关用于转速测量演示示示示n=60f4(r/min)软铁分流翼片开关型霍尔开关型霍尔ICIC T1、霍尔接式近开关2、霍尔特斯拉计（高斯计）、霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔元件霍尔元件霍尔高斯计（特斯拉计）的使用霍尔高斯计（特斯拉计）的使用霍尔高斯计（特斯拉计）的使用霍尔高斯计（特斯拉计）的使用 霍尔元件霍尔元件磁铁2、霍尔特斯拉计（高斯计）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气隙的B值2、霍尔特斯拉计（高斯计）3 3、霍尔转速表、霍尔转速表、霍尔转速表、霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可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以确定被测物的转速SN线性霍尔磁铁 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿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，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，输出为低电平的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平霍尔转速表原理3、霍尔转速表 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生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传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用 3、霍尔转速表霍尔转速表的其他安装方法霍尔转速表的其他安装方法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缺口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。

引起霍尔电势的变化，产生转速信号霍尔元件磁铁3、霍尔转速表4、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 采用霍尔式采用霍尔式无触点电子点火无触点电子点火装置能较好地克装置能较好地克服汽车合金触点服汽车合金触点点火时间不准确、点火时间不准确、触点易烧坏、高触点易烧坏、高速时动力不足等速时动力不足等缺点汽车点火线圈高压输出接头12V低压电源输入接头4、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工作原理工作原理工作原理工作原理 采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足点火时间准确、高速时动力足桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图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 当叶片遮挡在霍尔当叶片遮挡在霍尔当叶片遮挡在霍尔当叶片遮挡在霍尔ICICICIC面前时，面前时，面前时，面前时，PNPPNPPNPPNP型霍尔型霍尔型霍尔型霍尔ICICICIC的输出为低电平，晶体管的输出为低电平，晶体管的输出为低电平，晶体管的输出为低电平，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。

形式储存在点火线圈的铁心中形式储存在点火线圈的铁心中形式储存在点火线圈的铁心中汽车电子点火电路及波形 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 a）电路b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形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3050kV的高电压4、霍尔式无触点汽车电子点火装置汽车电子点火装置使用的汽车电子点火装置使用的汽车电子点火装置使用的汽车电子点火装置使用的 点火控制器、霍尔传感器及点火总成点火控制器、霍尔传感器及点火总成点火控制器、霍尔传感器及点火总成点火控制器、霍尔传感器及点火总成磁铁磁铁点火总成4、霍尔式无触点汽车电子点火装置5、霍尔式无刷电动机、霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔了换向器和电刷，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、相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。

由于无刷电动机的正常运转由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在问题，所以它在录像机、录像机、CD唱机唱机、光驱等家用电器中得到、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用越来越广泛的应用普通直流电动机使用的电刷和换向器无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车电动自行车可充电电池组无刷电动机5、霍尔式无刷电动机 无刷直流电动无刷直流电动机的机的外转子采用高外转子采用高性能性能钕铁硼稀土永钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔磁材料；三个霍尔位置传感器产生六位置传感器产生六个状态编码信号，个状态编码信号，控制逆变桥各功率控制逆变桥各功率管通断，使三相内管通断，使三相内定子线圈与外转子定子线圈与外转子之间产生连续转矩，之间产生连续转矩，具有效率高、无火具有效率高、无火花、可靠性强等特花、可靠性强等特点无刷电动机在电动自行车上的应用5、霍尔式无刷电动机电动自行车的电动自行车的电动自行车的电动自行车的无刷电动机及控制电路无刷电动机及控制电路无刷电动机及控制电路无刷电动机及控制电路 去速度控制器利用PWM调速5、霍尔式无刷电动机光驱用的无刷电动机内部结构光驱用的无刷电动机内部结构5、霍尔式无刷电动机霍尔电流传感器霍尔电流传感器 将被测电流将被测电流的导线穿过霍尔的导线穿过霍尔电流传感器的检电流传感器的检测孔。

当有电流测孔当有电流通过导线时，在通过导线时，在导线周围将产生导线周围将产生磁场，磁力线集磁场，磁力线集中在铁心内，并中在铁心内，并在铁心的缺口处在铁心的缺口处穿过霍尔元件，穿过霍尔元件，从而产生与电流从而产生与电流成正比的霍尔电成正比的霍尔电压6、霍尔式电流传感器霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示铁心铁心 线性霍尔ICEH=SHIB所实现的多媒体界面：其他霍尔其他霍尔其他霍尔其他霍尔 电流传感器电流传感器电流传感器电流传感器6、霍尔式电流传感器其他霍尔电流其他霍尔电流传感器传感器6、霍尔式电流传感器压舌豁口霍尔钳形电流表（交直流两用）7、霍尔钳形电流表霍尔钳形电流表演示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零70.9A7、霍尔钳形电流表钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示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将空调电源的“三芯护套线”夹到钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？霍尔钳形电流表的使用（续）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霍尔式电流霍尔式电流谐波分析仪谐波分析仪 被测电流的被测电流的谐波频谱谐波频谱铁心的 开合缝隙 铁心的 杠杆压舌霍尔式位移传感器原理示意图8、霍尔式位移传感器霍尔式压力传感器结钩原理图及磁钢外形9 霍尔式压力传感器思考题：思考题：1、霍尔效应原理如何用于高楼供水自动控制系统。

检测水箱最高水位及最底水位？2、霍尔效应原理如何用于检测汽车车高检测汽车空载至满载的高度变化？3、霍尔效应原理还用于汽车上哪些传感器？。