411霍尔式传感器

霍尔流量计
基于位移传感的霍尔流量计：叶轮在流体推动下旋转，带动螺杆旋转，使磁系统 产生上下移动。流速高则位移量大。用霍尔器件检出位移而获得流速和流量。
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➢测转角
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➢汽车速度测量:
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，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。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，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。
这是最常用的霍尔开关，它的直径 为12毫米，固定时只要在设备外壳 上打一个12毫米的园孔就能轻松固 定，长度约30毫米，背后有工作指 示灯，当检测到物体时红色LED点 亮，平时处于熄灭状态。
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霍尔式接近开关用于转速测量演示
软铁分流翼片
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T
n= 60 f (r/min) 4
➢随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，微型化和集成化方
向发展。
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4.11.1.霍尔元件
金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁 场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。这是由科学 家爱德文·霍尔在1879年发现的。产生的电势差称为霍尔电压。利用 霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。
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卡形电流计的结构
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霍尔电流传感器演示 铁心
线性霍尔IC
UH=KH IB
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案例7.霍尔位移传感器
从 a端通入电流I，根据霍尔 效应，左半部产生霍尔电势 VH1，，右半部产生霍尔电 势VH2，其方向相反。因此， c、d两端电势为VH1—VH2。 如果霍尔元件在初始位置时 VH1=VH2，则输出为零；当 改变磁极系统与霍尔元件的 相对位置时，即可得到输出 电压，其大小正比于位移量。 其动态范围可达 5 mm, 分辨 率为 0.001mm。
KH为霍尔灵敏度
UH
1 nqd
IB
RH
IB d
K H IB
KH表示一个霍尔元件在单位控制 电流和单位磁感应强度时产生的
霍尔电压的大小。它不仅决定于
载流体材料，而且取决于它的几 何尺寸 。愈大愈好。
方向判定：伸开手掌，四指并拢，拇指与四指 垂直，并且都跟手掌在一个平面内，把手掌放 入磁场中，让磁感线穿入手心，四指指向电荷 运动的方向。那么大拇指的指向，就是电荷在 磁场中受的磁场力的方向。对正电荷用左手、 对负电荷用右手。
概述 HT20系列手持式数字高斯计/特 斯拉计可用于测量直流磁场、 交流磁场、辐射磁场等各类磁场 的磁感应强度。该仪器可以随身 携带，量程范围宽，操作方便， 液晶显示清晰。电源为一节9V 干电池，可连续使用20小时。 应用范围 永磁材料表面磁场、直流电机、 扬声器、磁选机、永磁除铁器的 工作磁场。
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开关型霍尔IC
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案例5.霍尔旋转传感器
按下图所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来可以构 成各种旋转传感器。霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出 一个电压脉冲。由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物 理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推 动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在车轮转轴上装上磁体，在靠 近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等。
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铁磁材料裂纹检测
NFra Baidu bibliotek
S
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案例3.用在直流无刷电机中
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。由于无刷电动机 不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它 在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中 得到越来越广泛的应用。
导体材料。霍尔元件越薄(d越小)，kH 就越大，薄膜霍尔元件厚度只有
1μm左右 。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟 (InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。
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讨论：
➢任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元 件；
➢绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用；
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电气测试技术
电子信息与自动化学院 贺晓蓉
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4.11 霍尔式传感器（磁敏传感器）
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的 磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。霍尔器件是一种磁传感器。 用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。 霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长， 安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油 污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 霍尔线性器件的精度高、线性度好； 霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位 置重复精度高（可达μm级）。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器 件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。
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➢ 霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转
换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。
➢随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，广 泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的 电磁、压力、加速度、振动测量。
➢ 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。
磁
电
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霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用
带有微型
磁铁的霍
霍尔
尔传感器
钢质
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控制刹车力的大小。
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案例6.电流传感器
当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线 的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器 件进行检测。既可测直流也可测交流。
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霍尔特斯拉计（高斯计）
霍尔元件
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霍尔高斯计（特斯拉计）的使用 霍尔元件
磁铁
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霍尔传感器用于测量磁场强度
测量铁心 气隙的B值
霍尔元件
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案例2.无损探伤
霍尔无损探伤已在炮膛探伤、管道探伤，缆绳探伤，船体探伤以及材料检 验等方面得到广泛应用。
铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高，磁阻小，磁力线都集中在材料 内部。若材料均匀，磁力线分布也均匀。如果材料中有缺陷，如小孔、裂 纹等，在缺陷处，磁力线会发生弯曲，使局部磁场发生畸变。用霍尔探头 检出这种畸变，经过数据处理，可辨别出缺陷的位置，性质（孔或裂纹） 和大小（如深度、宽度等），
1 (E)
Ic1
Ic2
Ub4
Uc4
V5
Ic4
V6
Ib3
UH2
Ub3 UH1
V1
V3 Ic3 Ue3 Ue4 V4
V2
2 V7
3 V8
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开关型集成霍尔传感器的典型电路
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集成霍尔传感器的输出电平与磁场B 之间的关系见图，可以看出，集成霍 尔传感器的导通磁感应强度和截止磁 感应强度之间存在滞后效应，这是由 于V3、V4共用射极电阻的正反馈作用 使它们的饱和电流不相等引起的。
2）若B为常数，I 为变量，可用于 小电流测量、隔离器以及U-I转换器 等。
3）若B、I均为变量， VH 正比于B*I， 可用于做成各种运算器、功率测量 以及调制解调器等。
VH KH IB
✓电流计 ✓磁感应开关 ✓磁敏电位器 ✓霍尔电动机
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案例1.检测磁场(数字高斯计）
用霍尔线性器件作探头，测量6T～10T的交变和恒定磁场，已有许多商品仪 器。
(a)径向磁极
(b)轴向磁极 (c)遮断式
旋转传感器磁体设置
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➢霍尔流量计
右图的霍尔流量计壳体内装有一个带磁体的叶轮， 磁体旁装有霍尔开关电路，被测流体从管道一端通 入，推动叶轮带动与之相连的磁体转动，经过霍尔 器件时，电路输出脉冲电压，由脉冲的数目，可以 得到流体的流速。若知管道的内径，可由流速和管 径求得流量。
普通直流电动机使 用的电刷和换向器
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无刷电动机在电动自行车上的应用
电动自行车
无刷电动机
可充电电池组
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案例4.霍尔接近传感器和接近开关
在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装在 一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输 出引线用电缆连接起来，构成霍尔接近传感器。 霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑色金属的厚度 检测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力 检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。
➢金属材料电子浓度很高，RH很小，UH很小。
➢半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型 半导体（多电子）。
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霍尔元件的基本电路
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4.11.2 集成霍尔传感器
集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成 在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实 现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由 于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、 重量轻、功耗低等优点，越来越受到重视。
学 量
磁敏传感器
信 号
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➢ 实际应用中磁敏元 件主要用于检测磁场， 而与人们相关的磁场范 围很宽，一般的磁敏传 感器检测的最低磁场只 能到10－6高斯。
磁场强度与磁场源的分布
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➢测磁的方法： ①利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如：
磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器； ②利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件； ③利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器； ④利用超导效应传感器，SQVID约瑟夫元件； ⑤利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。
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霍尔效应演示
d
a b
c
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尔电势。
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磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势
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 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Bcos，这时的 霍尔电势为
5
R1
R2
3
R6
R7
2
9
V3 8
V1
V4
R3
R4
V2
4 V5 7 V6
6
R5
线性集成霍尔传感器
R8
1
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4.11.3 应用
1）若I为常数，VH 正比于B。将霍
尔元件置于非线性均匀磁场中，可 用于测量各种机械量、热工量以及 电磁量。若B为运动中的磁场，判 断B是否存在，可用于同步传递装 置、无整流子电动机、信号发信以 及产品计数等。
开关型集成霍尔传感器的这一特性， 正是我们所需要的，它大大增强了开 关电路的抗干扰能力，保证开关动作 稳定，不产生振荡现象。
U0 UOH
UOL
B(L→ H)
B(H→L) B
输出电平与磁场的关系
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2.线性集成霍尔传感器
线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输 出信号与磁感应强度成比例。通常由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出 及稳压四部分组成。与分立元件霍尔传感器相比，灵敏度大为提高。
集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号 的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两 种类型。
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1. 开关型集成霍尔传感器
开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低 电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差 分放大器，斯密特触发器和输出级组成，其典型电路如图所示。
EH=KHIBcos
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。
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霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。
基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半
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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。 霍尔 接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸 控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检 测等等。霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特 点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的 工作。