8霍尔传感器讲解课件

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 的的工作原理工作原理、霍尔、霍尔集成电路集成电路的特的特性及其在检测技术中的性及其在检测技术中的应用应用，还，还涉及磁场测量技术。涉及磁场测量技术。霍霍尔尔元件是元件是一种四端元件一种四端元件4/24/20241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，磁场方向的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。这种现象称为霍尔效应。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 cd da ab b4/24/20242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就越高。霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：可用下式表示：EH=KH IB4/24/20243霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，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方向的端方向的端面之间建立起霍尔电势。面之间建立起霍尔电势。c cd da ab b4/24/20244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，这时的霍尔电势为这时的霍尔电势为 E EH H=K KH HIBIBcoscos 结论：霍尔电势与输入电流结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度磁感应强度B成正成正比，且当比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。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。的交变电势。4/24/20245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负的多少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高斯至正的多少高斯？线性区线性区4/24/20246霍尔元件的主要外特性参数（续）霍尔元件的主要外特性参数（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，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但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，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。励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。以下哪一个激励电流的数值较为妥当？以下哪一个激励电流的数值较为妥当？5 5A 0.1mA 2mA 80mAA 0.1mA 2mA 80mA 4/24/20247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、线性差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接使用霍尔元件方便得多。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4/24/20248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。当磁场为零时，它线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁感受的磁场为正向（磁钢的钢的S S极对准霍尔器件极对准霍尔器件的正面）时，的正面）时，输出为输出为正；磁场反向时，输出正；磁场反向时，输出为负。为负。请请画出线性范围画出线性范围4/24/20249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霍尔元件、稳开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。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，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尔器件如如UGN3020等。等。4/24/202410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.VccVcc4/24/202411开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路（OC门门输出）的接线输出）的接线 请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来.4/24/202412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?4/24/202413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。越强。当磁铁从远到近地接近霍尔当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？相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（当于多少高斯（Gs）？）？4/24/202414出去活动一下出去活动一下4/24/202415 第八章：第三节第八章：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、三个变三个变量的函数，即量的函数，即 EH=KHIBcos 。利用利用这个关系可以使其中两个量不变，将这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一第三个量作为变量，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得霍尔传感器有许多用途。4/24/202416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4/24/202417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磁铁4/24/202418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4/24/202419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，也可选取机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、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。放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁4/24/202420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，磁力线集中穿过霍尔对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。时，输出为低电平。4/24/202421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抱死，将产生危险。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。控制刹车力的大小。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4/24/202422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或突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，从而引起霍尔电起，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。势的变化，产生转速信号。霍尔霍尔元件元件磁铁磁铁4/24/202423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克服汽车合金较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。动力不足等缺点。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4/24/202424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 采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火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。时间准确、高速时动力足。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 4/24/202425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状态，点火线圈低压侧有较大电流通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。过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。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 当叶片槽口当叶片槽口转到霍尔转到霍尔IC面前面前时，霍尔时，霍尔IC输出输出跳变为高电平，跳变为高电平，经反相变为低电经反相变为低电平，达林顿管截平，达林顿管截止，切断点火线止，切断点火线圈的低压侧电流。圈的低压侧电流。由于没有续流元由于没有续流元件，所以存储在件，所以存储在点火线圈铁心中点火线圈铁心中的磁场能量在高的磁场能量在高压侧感应出压侧感应出3050kV的高电压。的高电压。4/24/202426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磁铁磁铁点火总成点火总成4/24/202427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了换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，其测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷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电动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越来越广泛光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。的应用。普通直流电动机使用普通直流电动机使用的电刷和换向器的电刷和换向器4/24/202428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可充电电池组电池组无刷电动机无刷电动机4/24/202429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 无刷直流电动机无刷直流电动机的的外转子采用高性能外转子采用高性能钕钕铁硼稀土永磁材料铁硼稀土永磁材料；三个霍尔三个霍尔位置传感器位置传感器产生六个状态编码信产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内率管通断，使三相内定子线圈与外转子之定子线圈与外转子之间产生连续转矩，具间产生连续转矩，具有效率高、无火花、有效率高、无火花、可靠性强等特点。可靠性强等特点。4/24/202430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 去速度去速度控制器控制器 利用利用PWM调速调速4/24/202431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4/24/202432霍尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块尔接近开关一般还配一块钕钕铁硼铁硼磁铁。磁铁。4/24/202433霍尔式接近开关霍尔式接近开关 用霍尔用霍尔ICIC也能完成接近开关的功能，但是它只能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，并且还需要建立一个较强的闭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。合磁场。在右图中，当磁在右图中，当磁铁随运动部件移动到距铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔接近开关几毫米时，霍尔霍尔ICIC的输出由高电平的输出由高电平变为低电平，经驱动电变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔（否则将撞坏霍尔ICIC）起到限位的作用。起到限位的作用。4/24/202434霍尔式接近开关用于霍尔式接近开关用于转速测量演示转速测量演示n=6060f4(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T4/24/202435霍尔电流传感器霍尔电流传感器 将被测电流的将被测电流的导线穿过霍尔电流导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。传感器的检测孔。当有电流通过导线当有电流通过导线时，在导线周围将时，在导线周围将产生磁场，磁力线产生磁场，磁力线集中在铁心内，并集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而过霍尔元件，从而产生与电流成正比产生与电流成正比的霍尔电压。的霍尔电压。4/24/202436霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示铁心铁心 线性霍线性霍尔尔IC EH=KH IB 所实现的多媒体界面：所实现的多媒体界面：4/24/202437其他霍尔其他霍尔 电流传感器电流传感器4/24/202438其他霍尔电流其他霍尔电流传感器（续）传感器（续）4/24/202439霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口4/24/202440霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示直流直流200A量程量程被测电流的被测电流的导线未放入导线未放入铁心时示值铁心时示值为零为零70.970.9A A4/24/202441钳形表的环形铁钳形表的环形铁心可以张开，心可以张开，导线由此穿过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霍尔钳形 电流表演示电流表演示霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示电流表演示70.970.9A A4/24/202442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被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的手指按下此处，将钳形表的铁心张开铁心张开将被测电流导线逐根夹将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中到钳形表的环形铁心中 将空调电源的将空调电源的“三芯护套线三芯护套线”夹到钳形表的环形铁心中，钳夹到钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？形表的示值为多少？为什么？4/24/202443霍尔钳形电流表的使用（续）霍尔钳形电流表的使用（续）叉叉形形钳形表钳形表漏磁稍大，漏磁稍大，但使用方便但使用方便 用用钳形表测量钳形表测量 电动机的相电流电动机的相电流4/24/202444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铁心的 开合缝隙开合缝隙 铁心的铁心的 杠杆压舌杠杆压舌4/24/202445出去活动一下出去活动一下4/24/202446