传感器原理 第四章 磁传感器.ppt

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1、传感器技术传感器技术主讲：吴秋宁主讲：吴秋宁第四章第四章 磁传感器磁传感器 根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里，产根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里，产生与磁通和变化速率成正比的感应电动势。因此最生与磁通和变化速率成正比的感应电动势。因此最简单的把磁转换成电的磁传感器就是线圈，随着科简单的把磁转换成电的磁传感器就是线圈，随着科学技术的发展，现代的磁传感器已向固体化发展，学技术的发展，现代的磁传感器已向固体化发展，它是利用磁场作用使物质的电性能发生变化的各种它是利用磁场作用使物质的电性能发生变化的各种物理效应制成的，从而使磁场强度转换为电信号。物理效应制成的，从而使磁场强度转换为电信号。磁传

2、感器的种类较多，制作的传感器的材料有半导磁传感器的种类较多，制作的传感器的材料有半导体、磁性体、超导体等不同材料制作的磁传感器其体、磁性体、超导体等不同材料制作的磁传感器其工作原理和特性也不相同。工作原理和特性也不相同。本章根据最近磁传感器的发展，重点介绍基于本章根据最近磁传感器的发展，重点介绍基于霍尔效应的霍尔磁敏传感器。霍尔效应的霍尔磁敏传感器。一、霍耳磁敏传感器一、霍耳磁敏传感器 （一）霍耳效应（一）霍耳效应 通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。场的方向上将产生电动势的现象。+I+lwd霍耳效应原理图霍耳效应原理图UH-w

3、-fL-+-+fEBIUHdL（二）霍耳磁敏传感器工作原理（二）霍耳磁敏传感器工作原理 设霍耳片的长度为设霍耳片的长度为l，宽，宽度为度为w，厚度为，厚度为d。又设电子。又设电子以均匀的速度以均匀的速度v运动，则在垂运动，则在垂直方向施加的磁感应强度直方向施加的磁感应强度B的的作用下，它受到作用下，它受到洛仑兹力洛仑兹力洛仑兹力洛仑兹力q电子电量电子电量(1.6210-19C)v电于运动速度电于运动速度同时，作用于电子的同时，作用于电子的电场力电场力电场力电场力 当达到动态平衡时当达到动态平衡时霍霍耳耳电电势势UH与与 I、B的的乘乘积积成成正正比比，而而与与d成成反反比比。于于是可改写成：是

4、可改写成：电流密度电流密度j=nqvnN型半导体型半导体中的电子浓度中的电子浓度N型半导体型半导体P型半导体型半导体 霍耳系数霍耳系数，由载流材料物理性质决定。，由载流材料物理性质决定。材料电阻率材料电阻率pP型半导体型半导体中的空穴浓度中的空穴浓度 载流子迁移率载流子迁移率,=v/E,即单位电场强度作用下载流子的即单位电场强度作用下载流子的平均速度。平均速度。金属材料，电子金属材料，电子很高但很高但很小，绝缘材料，很小，绝缘材料，很高很高但但很小。因此霍尔系数很小，使输出霍尔电势很小，很小。因此霍尔系数很小，使输出霍尔电势很小，不宜做霍尔元件不宜做霍尔元件 故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采

5、用半导体材故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。且多用型半导体材料霍尔元件越薄，灵敏料制成。且多用型半导体材料霍尔元件越薄，灵敏度系数越大度系数越大 当载流材料和几何尺寸确定后，霍尔电势的大小正当载流材料和几何尺寸确定后，霍尔电势的大小正比于控制电流和磁感应强度，因此霍尔元件可用于测量比于控制电流和磁感应强度，因此霍尔元件可用于测量磁场（电流恒定）和检测电流（磁场恒定）。磁场（电流恒定）和检测电流（磁场恒定）。设设 KH=RH /d KH霍耳器件的乘积灵敏度霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单，表

6、示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。位控制电流时霍耳电势的大小。若磁感应强度若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线的方向与霍耳器件的平面法线夹角为夹角为时，霍耳电势应为：时，霍耳电势应为：UH KH I B UH KH I B cos 注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。时，霍耳电势并不改变方向。霍耳器件片霍耳器件片(a)实际结构实际结构(mm)；(b)简化结构；简化结构；(c)等效电路等效电路外形尺寸外形

7、尺寸:6.43.10.2;有效尺寸：有效尺寸：5.42.70.2（三）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）（三）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）dsl（b）2.15.42.7AB0.20.50.3CD（a）w电流极电流极霍耳电极霍耳电极R4ABCDR1R2R3R4（c）霍耳输出端的端子霍耳输出端的端子C、D相应相应地称为地称为霍耳端霍耳端或输出端。或输出端。若霍耳端子间连接负载若霍耳端子间连接负载,称为称为霍耳霍耳负载电阻负载电阻或霍耳负载。或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为电流电极间的电阻，称为输输入电阻入电阻，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，称为输输出电阻出电阻或霍耳

8、侧内部电阻。或霍耳侧内部电阻。器件电流器件电流(控制电流控制电流或输入电流或输入电流):流入到器件内的电流。流入到器件内的电流。电流端子电流端子A、B相应地称为器件相应地称为器件电流端电流端、控制电流端或输、控制电流端或输入电流端。入电流端。H 霍耳器件符号霍耳器件符号AAABBBCCCDDD关于霍耳器件符号，关于霍耳器件符号，名称及型号，国内外名称及型号，国内外尚无统一规定，为叙尚无统一规定，为叙述方便起见，暂规定述方便起见，暂规定下列名称的符号。下列名称的符号。控制电流控制电流I；霍耳电势霍耳电势UH；控制电压控制电压U；输出电阻输出电阻R2；输入电阻输入电阻R1；霍耳负载电阻霍耳负载电阻

9、R3；霍耳电流霍耳电流IH。图中控制电流图中控制电流I由电源由电源E供给供给,R为调节电阻为调节电阻,保证器件内所保证器件内所需控制电流需控制电流I。霍耳输出端接负载。霍耳输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳器垂直通过霍耳器件件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。UHR3UBIEIH霍耳器件的基本电路霍耳器件的基本电路R实际使用时实际使用时,器件输入信号可以是器件输入信号可以是I或或B，或者，或者IB,而输出可而输出可以正比于以正比于I或或B,或

10、者正比于其乘积或者正比于其乘积IB。上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流或输上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍耳输出电势完全呈线性关系。如果输入电入电压和霍耳输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。间也完全呈线性关系。同样，若给出控制电压同样，若给出控制电压U，由于，由于U=R1I，可得控制电，可得控制电压和霍耳电势的关系式压和霍耳电势的关系式设霍耳片厚度设霍耳片厚度d均匀，电流均匀，电流I和霍耳电场的方向分别平和霍耳电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流行

11、于长、短边界，则控制电流I和霍耳电势和霍耳电势UH的关系式的关系式（四）基本特性（四）基本特性 1、直线性、直线性：指霍耳器件的输出电势：指霍耳器件的输出电势UH分别和基本参分别和基本参数数I、V、B之间呈线性关系。之间呈线性关系。UH=KHBI 2、灵敏度、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：灵敏度、电势灵敏度表示：KH乘积灵敏度，表示霍耳电势乘积灵敏度，表示霍耳电势VH与磁感应强度与磁感应强度B和控制电流和控制电流I乘积之间的比值，通常以乘积之间的比值，通常以mV/(mA0.1T)。因为霍耳元件的输出电压要由两个输入量的

12、乘积来确因为霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定定,故称为故称为乘积灵敏度乘积灵敏度。KB磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电势值。常用于磁场测量等情况。的霍耳电势值。常用于磁场测量等情况。KI电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应强度下电流对应的霍耳电势值。感应强度下电流对应的霍耳电势值。若若控制电流值固定控制电流值固定，则：，则：UHKBB若若磁场值固定磁场值固定，则：，则：UHKI

13、 I3、额定电流、额定电流：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。4、最最大大输输出出功功率率 在在霍霍耳耳电电极极间间接接入入负负载载后后，元元件件的的功功率率输输出出与与负负载载的的大大小小有有关关，当当霍霍耳耳电电极极间间的的内内阻阻R2等于霍耳负载电阻等于霍耳负载电阻R3时，霍耳输出功率为最大。时，霍耳输出功率为最大。5、最大效率、最大效率 霍耳器件的输出与输入功率之比，称为效霍耳器件的输出与输入功率之比，称为效率，和最大输出对应的效率，称为最大效率，即：率，和最大输出对应的效率，称为最大效率，即：6、负载特性、负载特性 当霍耳电极间串接有

14、负载时，因为流过霍当霍耳电极间串接有负载时，因为流过霍耳电流，在其内阻上将产生压降，故实际霍耳电势比理耳电流，在其内阻上将产生压降，故实际霍耳电势比理论值小。由于霍耳电极间内阻和磁阻效应的影响，霍耳论值小。由于霍耳电极间内阻和磁阻效应的影响，霍耳电势和磁感应强度之间便失去了线性关系。如图所示。电势和磁感应强度之间便失去了线性关系。如图所示。8060402000.20.40.60.81.0UH/mV=7.0=1.5=3.0B/T理论值理论值实际值实际值UHR3I霍耳电势的负载特性霍耳电势的负载特性=R3/R2 霍耳电势随负载电阻值而改变的情况霍耳电势随负载电阻值而改变的情况7、温温度度特特性性：

15、指指霍霍耳耳电电势势或或灵灵敏敏度度的的温温度度特特性性，以以及及输输入入阻阻抗抗和和输输出出阻阻抗抗的的温温度度特特性性。它它们们可可归归结结为为霍霍耳耳系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。霍耳材料的温度特征霍耳材料的温度特征（a）RH与温度的关系；（与温度的关系；（b）与温度的关系与温度的关系RH/cm2/A-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/0246/710-3cmLnAs20015010050LnSbT/0双重影响双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，影响

16、灵敏度。二者相反。影响灵敏度。二者相反。8、频率特性、频率特性u磁磁场场恒恒定定，而而通通过过传传感感器器的的电电流流是是交交变变的的。器器件件的的频频率率特特性性很很好好，到到10kHz时时交交流流输输出出还还与与直直流流情情况况相相同同。因此因此,霍耳器件可用于微波范围霍耳器件可用于微波范围,其输出不受频率影响。其输出不受频率影响。u磁磁场场交交变变。霍霍耳耳输输出出不不仅仅与与频频率率有有关关，而而且且还还与与器器件件的的电电导导率率、周周围围介介质质的的磁磁导导率率及及磁磁路路参参数数(特特别别是是气气隙隙宽宽度度)等等有有关关。这这是是由由于于在在交交变变磁磁场场作作用用下下，元元件

17、件与与导导体体一一样会在其内部产生涡流的缘故。样会在其内部产生涡流的缘故。总之，在交变磁场下，当频率为数十总之，在交变磁场下，当频率为数十kHz时，可以时，可以不考虑频率对器件输出的影响，即使在数不考虑频率对器件输出的影响，即使在数MHz时，如时，如果能仔细设计气隙宽度，选用合适的元件和导磁材料，果能仔细设计气隙宽度，选用合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有良好的频率特性的。仍然可以保证器件有良好的频率特性的。9、不等位电势、不等位电势 定义定义:当霍尔元件通以控制电流而不加外磁场时当霍尔元件通以控制电流而不加外磁场时,它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在,

18、该电势就称该电势就称为不等电势为不等电势.产生原因：产生原因：霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上;半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀尺寸不均匀;激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。两电极不在两电极不在同一等电位面上同一等电位面上等电位面歪斜等电位面歪斜 霍霍耳耳开开关关集集成成传传感感器器是是利利用用霍霍耳耳效效应应与与集集成成电电路路技技术术结结合合而而制制成成的的一一种种磁磁敏敏传传感感器器，它它能能感感知知一一切切与与磁信息有关的物

19、理量，并以磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出开关信号形式输出。霍霍耳耳开开关关集集成成传传感感器器具具有有使使用用寿寿命命长长、无无触触点点磨磨损损、无无火火花花干干扰扰、无无转转换换抖抖动动、工工作作频频率率高高、温温度度特特性好、能适应恶劣环境等优点。性好、能适应恶劣环境等优点。霍霍尔尔开开关关集集成成传传感感器器是是以以硅硅为为材材料料，利利用用硅硅平平面面工工艺艺制制造造的的。硅硅材材料料制制作作霍霍尔尔元元件件是是不不够够理理想想的的，但但在在霍霍尔尔开开关关集集成成传传感感器器上上，由由于于N型型硅硅的的外外延延层层材材料料很很薄薄，可可以以提提高高霍霍尔尔电电压压。如如果果

20、应应用用硅硅平平面面工工艺艺技技术术将将差差分分放放大大器器、施施密密特特触触发发器器及及霍霍尔尔元元件件集集成成在在一一起起，可以大大提高传感器的灵敏度。可以大大提高传感器的灵敏度。（五）霍耳开关集成传感器（五）霍耳开关集成传感器由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。输出五部分组成。稳压电路稳压电路可使传感器在较宽的电可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；源电压范围内工作；开路输出开路输出可使传感器方便地与可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。各种逻辑电路接口。1 1霍耳开关集成传感器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器的结构及工

21、作原理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23输出输出+稳压稳压VCC1霍耳元件霍耳元件放大放大BT整形整形地地H 3020T输出输出VoutR=2k+12V123（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1232 2霍耳开关集成传感器的工作特性曲线霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从从工工作作特特性性曲曲线线上上可可以以看看出出，工工作作特特性性有有一一定定的的磁磁滞滞BH，这这对对开开关关动动作作的的可可靠靠性性非非常常有有利利。图图中中的的BOP为为工工作作点点“开开”的的磁磁感感应应强强度度，

22、BRP为为释释放放点点“关关”的的磁磁感应强度。感应强度。霍耳开关集成传感器的工作特性曲线霍耳开关集成传感器的工作特性曲线VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB霍耳开关集成传感器的技术参数：工作电压霍耳开关集成传感器的技术参数：工作电压、磁感应强度、输出、磁感应强度、输出截止电压、输出导通电流、工作温度、工作点。截止电压、输出导通电流、工作温度、工作点。0 该曲线反映了外加磁场与该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于外加磁感强度高于BOP时，时，输出电平由高变低，传感器输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强处于开状态。当外加磁感强

23、度低于度低于BRP时，输出电平由时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。低变高，传感器处于关状态。表表 霍尔开关集成传感器的技术参数霍尔开关集成传感器的技术参数双稳态霍尔开关集成传感器工作特性曲线双稳态霍尔开关集成传感器工作特性曲线3 3霍耳开关集成传感器的应用霍耳开关集成传感器的应用（1 1）霍耳开关集成传感器的接口）霍耳开关集成传感器的接口电路电路 传传感感器器输输出出半半导导体体管管V是是发发射射极极接接地地而而集集电电极极开开路路的的电电路路结结构构。这这样样的的电电路路结结构构可可以以很很容容易易地地与与半半导体管、晶闸管、一般的逻辑电路相耦合。导体管、晶闸管、一般的逻辑电路相耦合。

24、RLVACVccVccVACVccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳开关集成传感器的一般接口电路霍耳开关集成传感器的一般接口电路VACRL磁铁轴心接近式磁铁轴心接近式 在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，条件下，霍耳开关集成传感器的霍耳开关集成传感器的L1-B关系曲线关系曲线NSAlNiCo 磁铁磁铁6.4320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520距离距离L1/mmB/TL1随磁铁与传感器的间随磁铁与传感器的间隔距离的增加隔距离的增加,作用在作用在传感器表面

25、的磁感强传感器表面的磁感强度衰减很快。当磁铁度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一定向传感器接近到一定位置时位置时,传感器开关接传感器开关接通通,而磁铁移开到一定而磁铁移开到一定距离时开关关断。应距离时开关关断。应用时用时,如果磁铁已选定如果磁铁已选定,则应按具体的应用场则应按具体的应用场合合,对作用距离作合适对作用距离作合适的选择。的选择。（2 2）给传感器施加磁场的方式）给传感器施加磁场的方式 磁铁侧向滑近式磁铁侧向滑近式 要要求求磁磁铁铁平平面面与与传传感感器器平平面面的的距距离离不不变变，而而磁磁铁铁的的轴轴线线与与传传感感器器的的平平面面垂垂直直。磁磁铁铁以以滑滑近近移移动动的的方方式式

26、在传感器前方通过。在传感器前方通过。霍耳开关集成传感器的霍耳开关集成传感器的L2-B关系曲线关系曲线0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空隙空隙2.05AlNiCo 磁铁磁铁6.432L2距离距离L2/mm采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度在霍耳开关应用时，提高激励传感器的磁感应强度是一在霍耳开关应用时，提高激励传感器的磁感应强度是一个重要方面。除选用磁感应强度大的磁铁或减少磁铁与个重要方面。除选用磁感应强度大的磁铁或减少磁铁与传感器的间隔距离外，还可采用下列方法增强传感器的传感器的间隔距离外，还可

27、采用下列方法增强传感器的磁感应强度。磁感应强度。SN磁力集中器磁力集中器传感器传感器磁铁磁铁磁力集中器安装示意图磁力集中器安装示意图SN磁力集中器磁力集中器传感器传感器磁铁磁铁铁底盘铁底盘在磁铁上安装铁底盘示意图在磁铁上安装铁底盘示意图SN磁铁磁铁磁力集中器磁力集中器传感器传感器带有磁力集中器的移动激励方式示意图带有磁力集中器的移动激励方式示意图磁磁感感应应强强度度B/T0.100.080.060.040.0202.557.510磁铁与中心线的距离磁铁与中心线的距离L2/mmB-L2曲线的对比图曲线的对比图 (a)(a)加磁力集中器的移动激励方式加磁力集中器的移动激励方式 激励磁场应用实例激励

28、磁场应用实例(b)推推拉拉式式 两两个个磁磁铁铁的的S极极都都面面对对传传感感器器，这这样样可可以以得到如图所示的较为线性的特性。得到如图所示的较为线性的特性。N SS N传感器传感器推拉式激励磁场示意图推拉式激励磁场示意图 推拉式推拉式L1-B关系曲线关系曲线距离距离L1/mmB/T0.05-0.050-10-5051015-15注意：磁铁注意：磁铁S极作用于传感器背面，会抵消传感器正面极作用于传感器背面，会抵消传感器正面磁铁磁铁S极的激励作用。极的激励作用。(c)双双磁磁铁铁滑滑近近式式 为为激激励励传传感感器器开开关关的的接接通通，往往往往把把磁磁铁铁的的S极极对对着着传传感感器器正正面

29、面，如如果果在在传传感感器器的的背背面面也也设设置置一一磁磁铁铁，使使它它的的N极极对对着着传传感感器器的的背背面面，就就会会获得大得多的磁场。获得大得多的磁场。传感器传感器滑近滑近S N N S 双磁铁滑近式结构示意图双磁铁滑近式结构示意图(d)翼翼片片遮遮挡挡式式 翼翼片片遮遮挡挡方方法法就就是是把把铁铁片片放放到到磁磁铁铁与与传传感感器器之之间间，使使磁磁力力线线被被分分流流、傍傍路路，遮遮挡挡磁磁场场对对传传感感器器激激励励。当当磁磁铁铁和和传传感感器器之之间间无无遮遮挡挡时时，传传感感器器被被磁磁铁铁激激励励而而导导通通；当当翼翼片片转转动动到到磁磁铁铁和和传传感感器器之之间间时时，

30、传传感感器被关断。器被关断。翼片遮挡器的形状翼片遮挡器的形状片状片状筒状筒状 霍耳开关集成传感器的应用领域：点火系统、保霍耳开关集成传感器的应用领域：点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等(e)偏偏磁磁式式 在在传传感感器器背背面面放放置置固固定定的的磁磁铁铁加加入入偏偏磁磁，就就可可以以改改变变传传感感器器的的工工作作点点或或释释放放点点。例例如如。将将磁磁铁铁的的N极极粘粘附附在在传传感感器器的的背背面面，则则传传感感器器在在正正常常

31、情情况况下下处处于于导导通通状状态态，必必须须在在它它的的正正面面施施加加更更强强的的负负磁磁场场，才能使它关断。才能使它关断。4.霍耳开关集成传感器的应用领域霍耳开关集成传感器的应用领域 1 1霍耳线性集成传感器的结构及工作原理霍耳线性集成传感器的结构及工作原理 霍霍耳耳线线性性集集成成传传感感器器的的输输出出电电压压与与外外加加磁磁场场成成线线性性比比例例关关系系。这这类类传传感感器器一一般般由由霍霍耳耳元元件件和和放放大大器器组组成成，当当外外加加磁磁场场时时,霍霍耳耳元元件件产产生生与与磁磁场场成成线线性性比比例例变变化化的的霍霍耳耳电电压压,经经放放大大器器放放大大后后输输出出。在在

32、实实际际电电路路设设计计中中，为为了了提提高高传传感感器器的的性性能能，往往往往在在电电路路中中设设置置稳稳压压、电电流流放放大大输出级、失调调整和线性度调整等电路输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍霍耳耳开开关关集集成成传传感感器器的的输输出出有有低低电电平平或或高高电电平平两两种种状状态态，而而霍霍耳耳线线性性集集成成传传感感器器的的输输出出却却是是对对外外加加磁磁场场的的线性感应线性感应。因因此此霍霍耳耳线线性性集集成成传传感感器器广广泛泛用用于于位位置置、力力、重重量量、厚厚度度、速速度度、磁磁场场、电电流流等等的的测测量量或或控控制制。霍霍耳耳线线性性集集成传感器有单端输出和双端输

33、出成传感器有单端输出和双端输出两种。两种。（六）霍耳线性集成传感器（六）霍耳线性集成传感器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输出输出+稳压稳压VCC1霍耳元件霍耳元件放大放大地地H稳压稳压H3VCC地地4输出输出输出输出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 单单端输出的传感端输出的传感器是一个三端器件，器是一个三端器件，它的输出电压对外加它的输出电压对外加磁场的微小变化能做磁场的微小变化能做出线性响应，通常将出线性响应，通常将输出电压用电容交连输出电压用电容交连到外接放大器，将输到外接放大器，将输出电压放大到较高的出电压放大到较高的电平

34、。其典型产品是电平。其典型产品是SL3501T。双端输出的传感双端输出的传感器是一个器是一个8脚双列直脚双列直插封装的器件，它可插封装的器件，它可提供差动射极跟随输提供差动射极跟随输出，还可提供输出失出，还可提供输出失调调零。其典型产品调调零。其典型产品是是SL3501M。2 2霍耳线性集成传感器的主要技术特性霍耳线性集成传感器的主要技术特性(1)(1)传感器传感器的输出特性如下图：的输出特性如下图：磁感应强度磁感应强度B/T5.64.63.62.61.6-0.3-0.2-0.100.10.20.3输输出出电电压压U/VSL3501T传感器的输出特性曲线传感器的输出特性曲线2 2霍耳线性集成传

35、感器的主要技术特性霍耳线性集成传感器的主要技术特性(2(2)传感器的输出特性如下图：传感器的输出特性如下图：2.52.01.51.00.50.040.080.120.16 0.200.24输输出出电电压压U/V磁感应强度磁感应强度B/TSL3501M传感器的输出特性曲线传感器的输出特性曲线00.28 0.32R=0R=15R=100（七）霍耳磁敏传感器的应用（七）霍耳磁敏传感器的应用 利利用用霍霍耳耳效效应应制制作作的的霍霍耳耳器器件件，不不仅仅在在磁磁场场测测量量方方面面，而而且且在在测测量量技技术术、无无线线电电技技术术、计计算算技技术术和和自自动动化化技技术术等等领领域域中中均均得得到到

36、了广泛应用。了广泛应用。利利用用霍霍耳耳电电势势与与外外加加磁磁通通密密度度成成比比例例的的特特性性，可可借借助助于于固固定定元元件件的的控控制制电电流流，对对磁磁量量以以及及其其他他可可转转换换成成磁磁量量的的电电量量、机机械械量量和和非非电电量量等等进进行行测测量量和和控控制制。应应用用这这类类特特性性制制作作的的器器具具有有磁磁通通计计、电电流流计计、磁磁读读头头、位位移移计计、速速度度计计、振振动动计计、罗罗盘盘、转转速速计计、无无触触点开关等。点开关等。利用霍耳传感器制作的仪器利用霍耳传感器制作的仪器优点：优点：(1)体积小，结构简单、坚固耐用。体积小，结构简单、坚固耐用。(2)无可

37、动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。(3)装置性能稳定，寿命长，可靠性高。装置性能稳定，寿命长，可靠性高。(4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。(5)霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服这些缺点正逐步得到克服。测量磁场的大小和方向测量磁场的大小和方向电位差计电位差计mAESNR 霍耳磁敏传感器

38、测磁原理示意图霍耳磁敏传感器测磁原理示意图磁方向图磁方向图西西90o东东0o北北南南180o270o磁通集束器图中磁通集束器图中Li为集束器为集束器的总长度，的总长度，La为集束器中部为集束器中部的空隙距离，霍耳器件磁的空隙距离，霍耳器件磁通密度通密度Ba比外部磁通密度比外部磁通密度B0约增强约增强Li/La倍。倍。图为均匀磁场中使用集图为均匀磁场中使用集束器束器(实线实线)和不使用磁集和不使用磁集束器束器(用虚线表示用虚线表示)时的磁时的磁方向图方向图 ERVHB0LaBaLi磁通集束器原理图磁通集束器原理图材料材料温度温度(K)RHInSb78460.0527110InAs787.50.0

39、096506.8Si78150.05070表表 几种导体材料在低温下的性能几种导体材料在低温下的性能（八）霍耳磁敏传感器的应用实例（八）霍耳磁敏传感器的应用实例 1、霍尔元件在转速测量上的应用、霍尔元件在转速测量上的应用 利用霍尔效应测量转速的工作原理非常简单，将来磁利用霍尔效应测量转速的工作原理非常简单，将来磁体按适当的方式固定在被测轴上，霍尔元件置于磁铁的气体按适当的方式固定在被测轴上，霍尔元件置于磁铁的气隙中，当轴转动时，霍尔元件输出的电压则包含有转速的隙中，当轴转动时，霍尔元件输出的电压则包含有转速的信息，将霍尔元件输出电压经后续电路处理，便可得转速信息，将霍尔元件输出电压经后续电路处

40、理，便可得转速的数据，图的数据，图4-1和图和图4-2是两种测量转速方法的示意图。是两种测量转速方法的示意图。图图4-1永磁体装在轴端的转速测量方法永磁体装在轴端的转速测量方法图图4-2永磁体装在轴侧的转速测量方法永磁体装在轴侧的转速测量方法2、直流功率测量仪、直流功率测量仪 如果在霍尔元件控制电流端通入的电流为如果在霍尔元件控制电流端通入的电流为I=KI，其中，其中K为一比例系数，为一比例系数，I为通过负载为通过负载R的电流。而用一比例于的电流。而用一比例于负载负载R电压降电压降V的电压的电压V来激励磁场，即来激励磁场，即B=K,V=K V，则霍尔元件的输出电压可用下式表示，即因此，可以，则

41、霍尔元件的输出电压可用下式表示，即因此，可以利用霍尔元件进行直流功率测量。利用霍尔元件进行直流功率测量。霍尔元件用来测量功率是霍尔效应的重要应用之一，它霍尔元件用来测量功率是霍尔效应的重要应用之一，它同用其它方法测量功率相比有下列的优点：同用其它方法测量功率相比有下列的优点：1.由于霍尔电压正比于被测功率，故可以做成直读式功由于霍尔电压正比于被测功率，故可以做成直读式功率计。率计。2.功率测量范围可以微瓦到数百瓦。功率测量范围可以微瓦到数百瓦。3.装置中设有转动部分，输出和输入之间相互隔离，稳装置中设有转动部分，输出和输入之间相互隔离，稳定性好，精度高。定性好，精度高。4.工作寿命长，体积小，

42、结构简单，成本低廉工作寿命长，体积小，结构简单，成本低廉图图4-3是直流功率计电路。这种电路适用于直流大功率的是直流功率计电路。这种电路适用于直流大功率的测量，测量，R为负载电阻，表示仪表一般采用有功率刻度的伏为负载电阻，表示仪表一般采用有功率刻度的伏特表，霍尔元件采用特表，霍尔元件采用N型锗元件较为有利。其测量误差一型锗元件较为有利。其测量误差一般小于般小于1%。图图4-3直流功率计电路直流功率计电路 3、利用霍尔线性集成传感器进行磁法覆盖层厚度测量、利用霍尔线性集成传感器进行磁法覆盖层厚度测量 磁法覆盖厚度测量是指对铁磁性物质表面非磁性涂层磁法覆盖厚度测量是指对铁磁性物质表面非磁性涂层的厚

43、度测量，例如对钢铁表面的镀膜，油漆，塑料。搪瓷的厚度测量，例如对钢铁表面的镀膜，油漆，塑料。搪瓷等覆盖层的厚度等便可使用磁法厚度测量的方法。等覆盖层的厚度等便可使用磁法厚度测量的方法。利用霍尔线性集成电路制成的霍尔厚度传感器的结构，利用霍尔线性集成电路制成的霍尔厚度传感器的结构，将将U型硅钢片铁芯中间断开，然后将型硅钢片铁芯中间断开，然后将SL 3501M霍尔线性集霍尔线性集成传感器和一片钕铁硼用磁体夹在中间，用成传感器和一片钕铁硼用磁体夹在中间，用502胶粘牢。胶粘牢。测量时将测量时将U型铁芯的两极放到被测物体表面上，这时型铁芯的两极放到被测物体表面上，这时永磁体产生的磁通便通过永磁体产生的

44、磁通便通过U型铁芯和被物体构成磁回路，型铁芯和被物体构成磁回路，磁回路路径如图磁回路路径如图4-4中虚线所示。中虚线所示。图图4-4磁法测量原理图磁法测量原理图 同时，磁回路的磁阻和磁通量将会发生变化，磁回路同时，磁回路的磁阻和磁通量将会发生变化，磁回路路中的霍尔集成传感器将会检测出磁场强度的不同，从而路中的霍尔集成传感器将会检测出磁场强度的不同，从而使霍尔集成传感器产生的电压随覆盖层厚度的不同而变化，使霍尔集成传感器产生的电压随覆盖层厚度的不同而变化，完成覆盖层非电量到电量的转换。完成覆盖层非电量到电量的转换。霍尔集成传感器内部虽然设有差分放大器，但其输出霍尔集成传感器内部虽然设有差分放大器

45、，但其输出的电压仍然满足不了使用电路的要求，为此，将信号加一的电压仍然满足不了使用电路的要求，为此，将信号加一级放大，便可得到足够大的信息幅度。其放大电路和输出级放大，便可得到足够大的信息幅度。其放大电路和输出特性见图特性见图4-5所示。所示。图图4-5放大电路及输出特性放大电路及输出特性 显然，所得到的输出电压与覆盖层厚度之间是非线性显然，所得到的输出电压与覆盖层厚度之间是非线性关系，对于这种曲线，若采用指针式表头来显示覆盖层厚关系，对于这种曲线，若采用指针式表头来显示覆盖层厚度值，可采取非等分刻度定标。如采用数字式表示，则必度值，可采取非等分刻度定标。如采用数字式表示，则必须将须将U-曲线

46、进行先行优化处理。曲线进行先行优化处理。4、霍尔计数装置、霍尔计数装置 由于由于SL3501霍尔开关集成传感器具有较高的灵敏度，霍尔开关集成传感器具有较高的灵敏度，它能感受到很小的磁场变化，因而可对黑色金属零件的有它能感受到很小的磁场变化，因而可对黑色金属零件的有无进行检测，我们可以利用这一特性制成计数装置，图无进行检测，我们可以利用这一特性制成计数装置，图4-6就是对钢球进行计数的工作示意图和电路图，当钢球通就是对钢球进行计数的工作示意图和电路图，当钢球通过霍尔开关集成传感器时，传感器可输出峰值为过霍尔开关集成传感器时，传感器可输出峰值为20mA的的脉冲电压。该电压经放大器脉冲电压。该电压经

47、放大器IC放大后，要动半导体管放大后，要动半导体管VT工作，工作，VT输出端便可接计数器进行计数，并由显示器进输出端便可接计数器进行计数，并由显示器进行显示。行显示。图图4-6霍尔计数装置的工作示意及电路图霍尔计数装置的工作示意及电路图5、无触点电位器、无触点电位器 一般电位器在使用中由于触点的原因，常产生噪声信一般电位器在使用中由于触点的原因，常产生噪声信号，而且寿命不长，使用磁敏元件制作的无触点电位器则号，而且寿命不长，使用磁敏元件制作的无触点电位器则可克服上述缺点，图可克服上述缺点，图4-7是无触点电位器的结构示意图。是无触点电位器的结构示意图。其中，磁敏元件可使用磁敏二极管或霍尔线性集

48、成传其中，磁敏元件可使用磁敏二极管或霍尔线性集成传感器。将磁敏元件放置在单个磁铁的下方或两个磁铁之间，感器。将磁敏元件放置在单个磁铁的下方或两个磁铁之间，当旋动电位器手柄时，磁铁跟着转动，从而使磁敏元件表当旋动电位器手柄时，磁铁跟着转动，从而使磁敏元件表面的磁感应强度也发生变化。这样，磁敏元件的输出电压面的磁感应强度也发生变化。这样，磁敏元件的输出电压将随手柄的转动而变化，起到电位调节作用。将随手柄的转动而变化，起到电位调节作用。图图4-7无触点电位器结构示意图无触点电位器结构示意图6、无接触式仿型加工、无接触式仿型加工 在仿型铣床加工中，靠模总是同模件接触的。当靠模在仿型铣床加工中，靠模总是

49、同模件接触的。当靠模沿模件移动时，差动变压器感知出位移信号，经放大后送沿模件移动时，差动变压器感知出位移信号，经放大后送入随动电机使铣刀沿着工作重复靠模的运动，从而实现半入随动电机使铣刀沿着工作重复靠模的运动，从而实现半自动化的加工。自动化的加工。应用霍尔元件可做成无接触的探头，以代替原有的结应用霍尔元件可做成无接触的探头，以代替原有的结构，涂构，涂3便是这种仿型铣床的工作原理示意图，在探头的便是这种仿型铣床的工作原理示意图，在探头的前方设置有永久磁铁，当他靠近模件时，霍尔元件的输出前方设置有永久磁铁，当他靠近模件时，霍尔元件的输出电压增加，当它离开模件时，霍尔元件的输出电压减小，电压增加，当

50、它离开模件时，霍尔元件的输出电压减小，利用放大器和控制电路，可使探头与模件保持一定距离，利用放大器和控制电路，可使探头与模件保持一定距离，当探头沿模件移动时，通过移动系统移动能力，便可加工当探头沿模件移动时，通过移动系统移动能力，便可加工出与模件相同形状的工件来。出与模件相同形状的工件来。图图4-8无接触式仿型铣床工作原理示意图无接触式仿型铣床工作原理示意图7、霍尔汽车点火器、霍尔汽车点火器 传统的汽车点火装置是利用接卸装置使接触点闭合和传统的汽车点火装置是利用接卸装置使接触点闭合和打开，在点火线圈开的瞬间感应出到电压供火花塞点火。打开，在点火线圈开的瞬间感应出到电压供火花塞点火。这种方法容易