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第第4 4章章 磁敏传感器磁敏传感器 本章主要学习霍耳传感器的本章主要学习霍耳传感器的工作原理、霍耳集成电路的特性工作原理、霍耳集成电路的特性及其在检测技术中的应用，还涉及其在检测技术中的应用，还涉及磁场测量技术。及磁场测量技术。磁敏传感器定义磁敏传感器定义 磁敏传感器是基于磁电转换原理将磁学物理量转 换成电信号的传感器。磁敏传感器分类磁敏传感器分类 体型：霍耳传感器，磁敏电阻。结型：磁敏二极管，磁敏晶体管。4.1 4.1 磁敏传感器的种类磁敏传感器的种类 18561856年，发现磁阻效应；年，发现磁阻效应；18791879年，发现霍耳效应。年，发现霍耳效应。以上效应，为磁敏传感器的产生奠定了基础。以上效应，为磁敏传感器的产生奠定了基础。4.2 4.2 磁电效应磁电效应 （一）霍耳效应（一）霍耳效应 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，这种现象称为霍耳效应，EH称为霍耳电势。磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况c cd da ab b 作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍耳电势也就越高。霍耳电势EH可用下式表示：EH=RH JB磁感应强度磁感应强度B B较大时的情况较大时的情况霍耳效应演示霍耳效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍耳电势。c cd da ab b*磁场不垂直于半导体薄片时磁场不垂直于半导体薄片时 若若磁磁感感应应强强度度B B不不垂垂直直于于半半导导体体薄薄片片，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半半导导体体薄薄片片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的的分分量量，即即B Bcoscos，这这时的霍耳电势为：时的霍耳电势为：E EH H=R RH HJBJBcoscos U UH H=KIKIH HB Bcoscos 结论：结论：霍耳电势与输入电流密度霍耳电势与输入电流密度J J、磁感应强度、磁感应强度B成正比，且当成正比，且当B的方向改变时，霍耳电势的方向也随之的方向改变时，霍耳电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍耳电势为改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍耳电势为同频率的交变电势。同频率的交变电势。（二）磁阻效应和形状效应（二）磁阻效应和形状效应 半导体外加磁场时，电阻值增加的物理现象可半导体外加磁场时，电阻值增加的物理现象可分为两种情况：分为两种情况：1.磁阻效应磁阻效应 半导体外加磁场时，自身电阻率增加的现象，半导体外加磁场时，自身电阻率增加的现象，磁阻效应直接反映固体的物性。磁阻效应直接反映固体的物性。2.形状效应形状效应 半导体外加磁场时，在金属电极附近电流路径半导体外加磁场时，在金属电极附近电流路径增长而使电阻值增加的现象，形状效应与电极和元增长而使电阻值增加的现象，形状效应与电极和元件的形状有关。件的形状有关。ABCDR1R2R3R4(d)等效电路霍耳元件基本结构：霍耳元件基本结构：4.3 4.3 霍耳元件霍耳元件 (a)外形结构示意图(b)图形符号单端输出 双端输出(c)电路符号激励电极激励电极1、1被称为被称为器件电流端子、控制电流器件电流端子、控制电流端子或端子或输入电流端子输入电流端子。霍耳电极霍耳电极2、2被称为被称为霍耳端子或霍耳端子或输出电压端子输出电压端子。流入到器件内的电流，称为器件电流、流入到器件内的电流，称为器件电流、控制电流控制电流或输入电流。或输入电流。若霍耳端子间连接负载，成为霍耳负载电阻或若霍耳端子间连接负载，成为霍耳负载电阻或霍耳负载霍耳负载。电流电极间的电阻，称为电流电极间的电阻，称为输入电阻输入电阻或者控制内阻。或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为霍耳端子间的电阻，称为输出电阻输出电阻或霍耳侧内部电阻。或霍耳侧内部电阻。霍耳元件的主要外特性参数霍耳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:上图所示霍耳元件的线性范围是多少？上图所示霍耳元件的线性范围是多少？线性区线性区霍耳元件的主要外特性参数霍耳元件的主要外特性参数最大最大激励电流激励电流IM:以霍耳元件允许最大温升为限制所对应的激励以霍耳元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。电流称为最大允许激励电流。由于霍耳电势随激励电流增大而增大，故在应由于霍耳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。但激励电流用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍耳元件的功耗增大，元件的温度升高，增大，霍耳元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍耳电势的温漂增大，因此每种型号从而引起霍耳电势的温漂增大，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。值从几毫安至十几毫安。图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍耳输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。控制电流I；霍耳电势VH；控制电压V；输出电阻R2；输入电阻R1；霍耳负载电阻R3；霍耳电流IH。VHR3VBIEIH霍耳元件基本测量电路R实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。霍耳元件的温度补偿霍耳元件的温度补偿温度变化，导致霍尔元件内阻、霍尔灵敏度等变化，给测量带来一定误差，即温度误差。为了减小温度误差，需采取温度补偿措施。采用恒流源供电和输入回路并联电阻|选取合适的负载电阻RL 采用恒压源和输入回路串联电阻|采用温度补偿元件 4.4 4.4 霍耳集成元件霍耳集成元件霍耳集成元件是霍耳集成元件是霍耳元件霍耳元件与与运放运放一体化的结构，可分一体化的结构，可分为为线性输出型线性输出型和和开关输出型开关输出型两大类。两大类。线性型集成电路是将霍线性型集成电路是将霍耳元件和恒流源、线性耳元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍耳元级，比直接使用霍耳元件方便得多。件方便得多。线性型三端霍耳集成电路线性型三端霍耳集成电路线性输出型霍耳集成元件线性输出型霍耳集成元件单端输出传感器的电路结构框图单端输出传感器的电路结构框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大地H稳压H3VCC地4输出输出18675 双端输出传感器的电路结构框图双端输出传感器的电路结构框图三端器件，输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，典型产品是SL3501T。8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零，典型产品是SL3501M。线性输出型霍耳集成元件特性线性输出型霍耳集成元件特性右图示出了具有双端差动右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍耳器件输出特性的线性霍耳器件的输出特性曲线。当磁场的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正于零；当感受的磁场为正向向(磁钢的磁钢的S S极对准霍耳器极对准霍耳器件的正面件的正面)时，时，输出为正；输出为正；磁场反向时，输出为负。磁场反向时，输出为负。线性范围线性范围开关输出型霍耳集成元件开关输出型霍耳集成元件开关型霍耳集成电路是将开关型霍耳集成电路是将霍耳元件霍耳元件、稳压电路稳压电路、放大器放大器、施密施密特触发器特触发器、OC门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门由高阻态变为导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，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。门重新变为高阻态，输出高电平。霍耳开关集成传感器内部结构框图霍耳开关集成传感器内部结构框图霍耳元件双端输入单端输出的运放施密特出发器OC门典型开关输出型霍耳集成器件典型开关输出型霍耳集成器件UGN3020（b）应用电路）应用电路 （a）外型）外型 霍耳开关集成传感器的外型及应用电路霍耳开关集成传感器的外型及应用电路开关输出型霍耳集成元件应用实例开关输出型霍耳集成元件应用实例?开关输出型霍耳集成传感器构成的接口电路开关输出型霍耳集成传感器构成的接口电路 *霍耳传感器的应用霍耳传感器的应用 利用霍耳电势与外加磁通密度成比例利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。转速计、无触点开关等。霍耳特斯拉计霍耳特斯拉计(高斯计高斯计)及其使用及其使用霍耳元件霍耳元件磁铁磁铁霍耳传感器用于测量磁场强度霍耳传感器用于测量磁场强度 霍耳元件霍耳元件测量铁心测量铁心气隙的气隙的B值值霍耳转速表霍耳转速表 当齿对准霍耳元件时，磁力线集中穿过霍耳当齿对准霍耳元件时，磁力线集中穿过霍耳元件，可产生较大的霍耳电动势，放大、整形后元件，可产生较大的霍耳电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍耳元件输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍耳元件时，输出为低电平。时，输出为低电平。（一）工作原理（一）工作原理 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，将线性型霍耳器件及磁路系统械系统中的一个齿轮，将线性型霍耳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，霍耳器件输出的微小脉冲信号经隔直、周期性地变化，霍耳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线性霍耳线性霍耳磁铁磁铁（二）实际应用（二）实际应用霍耳转速传感器在汽车防抱死装置霍耳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。用霍耳转速传感器来检测车轮的转动状态有助于用霍耳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耳的霍耳传感器传感器钢质钢质霍耳霍耳霍耳式无刷电动机霍耳式无刷电动机 霍耳式无刷电动机取消了换霍耳式无刷电动机取消了换向器和电刷，采用霍耳元件来检测向器和电刷，采用霍耳元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电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动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在题，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。普通直流电动机使普通直流电动机使用的电刷和换向器用的电刷和换向器霍耳式无刷电动机霍耳式无刷电动机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可充电电池组无刷电动机无刷电动机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调速调速霍耳式接近开关霍耳式接近开关 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，霍耳式接近开关动作。霍霍耳式接近开关动作。霍耳接近开关一般还配一块耳接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。钕铁硼磁铁。霍耳式接近开关用于转速测量演示霍耳式接近开关用于转速测量演示软铁分流翼片软铁分流翼片 开关型霍耳开关型霍耳IC IC 霍耳电流传感器霍耳电流传感器 将被测电流的将被测电流的导线穿过霍耳电流导线穿过霍耳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耳元件，从而过霍耳元件，从而产生与电流成正比产生与电流成正比的霍耳电压。的霍耳电压。霍耳电流传感器演示霍耳电流传感器演示铁心铁心 线性霍耳线性霍耳IC EH=KH IB 霍耳钳形电流表（交直流两用）霍耳钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口1.什么是霍耳效应？什么是磁阻效应？什么 是形状效应？2.列举至少五种霍耳传感器的具体应用。3.请参考开关输出型霍耳集成传感器构成的 接口电路，自行设计一个照明控制电路，画 出具体电路并用文字说明所设计系统的具 体工作过程。本章作业本章作业