第八章 霍尔传感器
课题：霍尔传感器的原理及应用 难点： 重点： 教学目的和要求 课时安排：2 开关型霍尔集成电路的特性 霍尔传感器的应用 课次编号：12 教材分析 1、了解霍尔传感器的工作原理； 2、了解霍尔集成电路的分类； 3、掌握线性型和开关型霍尔集成电路的特性； 4、掌握霍尔传感器的应用。 讲授、课堂互动、分析 教具：各种霍尔元件、霍尔传感器 采用教学方法和实施步骤： 各教学环节和内容 演示1： 将小型蜂鸣器的负极接到霍尔接近开关的OC门输出端，正极接Vcc端。在没有磁铁靠近时，OC门截止，蜂鸣器不响。 当磁铁靠近到一定距离（例如3mm）时，OC门导通，蜂鸣器响。将磁铁逐渐远离霍尔接近开关到一定距离（例如5mm）时，OC门再次截止，蜂鸣器停响。 演示2： 将一根导线穿过10A霍尔电流传感器的铁芯，通入0.1~1A电流，观察霍尔IC的输出电压的变化，基本与输入电流成正比。 从以上演示，引入第一节霍尔效应、霍尔元件的工作原理。 第一节 霍尔元件的工作原理及特性 一、工作原理 金属或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（Hall Effect），该电动势称为霍尔电动势（Hall EMF），上述半导体薄片称为霍尔元件（Hall Element）。用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器（Hall Transducer）。 图8-1 霍尔元件示意图 a）霍尔效应原理图 b）薄膜型霍尔元件结构示意图 c）图形符号 d）外形 霍尔属于四端元件： 其中一对（即a、b端）称为激励电流端，另外一对（即c、d端）称为霍尔电动势输出端，c、d端一般应处于侧面的中点。 由实验可知，流入激励电流端的电流I越大、作用在薄片上的磁场强度B越强，霍尔电动势也就越高。霍尔电动势EH可用下式表示 EH=KH IB （8-1） 式中 KH——霍尔元件的灵敏度。 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度θ时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcosθ，这时的霍尔电动势为 EH=KHIBcosθ （8-2） 从式（8-2）可知，霍尔电动势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电动势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电动势为同频率的交变电动势。 目前常用的霍尔元件材料是N型硅，霍尔元件的壳体可用塑料、环氧树脂等制造。 二、主要特性参数 （1）输入电阻Ri 恒流源作为激励源的原因：霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。它的数值从几十欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高，输入电阻变小，从而使输入电流Iab变大，最终引起霍尔电动势变大。使用恒流源可以稳定霍尔原件的激励电流。 （2）最大激励电流Im 激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电动势的温漂增大，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。 提问：霍尔原件的最大激励电流Im 为宜。 A．0mA B．±0.1 mA C．±10mA D．100mA （4）最大磁感应强度Bm 磁感应强度超过Bm时，霍尔电动势的非线性误差将明显增大，Bm的数值一般小于零点几特斯拉。 提问：为保证测量精度，图8-3中的线性霍尔IC的磁感应强度不宜超过 为宜。 A．0T B．±0.10T C．±0.15T D．±100Gs 第二节 霍尔集成电路 霍尔集成电路（又称霍尔IC）的优点：体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小、对电源稳定性要求低等。 霍尔集成电路的分类：线性型和开关型两大类。 线性型的内部电路： 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。 开关型霍尔集成电路的内部电路： 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。 图8-2 线性型霍尔集成电路 a）外形尺寸 b）内部电路框图 图8-3 线性型霍尔集成电路输出特性 图8-4 开关型霍尔集成电路 a）外形尺寸 b）内部电路框图 图8-5 开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 注：1特斯拉（T）＝104高斯（Gs） 提问：磁铁从远到近，逐渐靠近图8-5所示的开关型霍尔IC，问，多少高斯时，输出翻转？成为什么电平？ 表8-1 具有史密特特性的OC门输出状态与磁感应强度变化之间的关系 B/T 磁感应强度B的变化方向及数值 0 ? 0.02 ? 0.023 ? 0.03 ? 0.02 ? 0.016 ? 0 高电平① 高电平② 低电平 低电平 低电平③ 高电平 高电 高阻态 高阻态 低电平 低电平 低电平 高阻态 高 OC门输出状态 OC门接法 接上拉电阻RL 不接上拉电阻RL ①：OC门输出的高电平电压由VCC决定； ②、③：OC门的迟滞区输出状态必须视B的变化方向而定. 第三节 霍尔传感器的应用 霍尔电动势是关于I、B、θ三个变量的函数，即EH=KHIBcosθ，使其中两个量不变，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，三个变量的多种组合等。 1）维持I、θ不变，则EH=f(B），这方面的应用有：测量磁场强度的高斯计、测量转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔加速度计、微压力计等。 2）维持I、B不变，则EH=f(θ），这方面的应用有角位移测量仪等。 3）维持θ不变，则EH=f(IB），即传感器的输出EH与I、B的乘积成正比，这方面的应用有模拟乘法器、霍尔功率计、电能表等。 1．角位移测量仪 角位移测量仪结构示意图如图8-8所示。霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电动势EH就反映了转角θ的变化。 图8-8 角位移测量仪结构示意图 1－极靴 2－霍尔器件 3－励磁线圈 发散性思维： 将图8-8的铁芯气隙减小到夹紧霍尔IC的厚度。则B正比于Ui，霍尔IC的Uo正比于B，可以改造为霍尔电压传感器。 与交流互感器不同的是：可以测量直流电压，如右图所示。 4．霍尔接近开关 在第四章里，曾介绍过接近开关的基本概念。用霍尔接近开关也能实现接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。 霍尔接近开关应用示意图如图图8-12所示。在图8-12b中，磁极的轴线与霍尔接近开关的轴线在同一直线上。当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔接近开关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（否则将撞坏霍尔接近开关）起到限位的作用。 图8-12 霍尔接近开关应用示意图 a）外形 b）接近式 c）滑过式 d）分流翼片式 1－运动部件 2－软铁分流翼片 提问：b）接近式 c）滑过式哪一种不易损坏？为什么？ 在图8-12d中，磁铁和霍尔接近开关保持一定的间隙、均固定不动。软铁制作的分流翼片与运动部件联动。当它移动到磁铁与霍尔接近开关之间时，磁力线被屏蔽（分
第八章 霍传感器
