《传感器与传感网技术应用》教学课件 霍尔传感器的认知与应用

分析规划与 实施准备
智能霍尔防控系统结构分析
门窗管理和贵重物品移动报警系统结构如图3-2-10、图3-2-11 所示，其由霍尔开关模块、霍尔线 性元件模块、信号采集模块、灯光指示模块组成。门磁系统感知门窗的开关状态，货物上安装的 磁贴以供识别货物是否被人移动。
图3-2-10门禁及财物监控系统
图3-2- 11门禁及财物监控系统结构
声音传感模块的工作原理
任务二 霍尔传感器的认知与应用
01 任务资讯 03 任务实施
声
音
02 任务计划与决传感策
模
块
04 任务小结
电 路
图
测一测 声音传感器的信号检测依据是什么？涉及哪些环节？ 想一想 生活中其他用到传感器的场景，同学们说说还有哪些？
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3
门禁与重要物 品监测系统结
构分析
门禁及重要 物品监测系 统电路设计
a)霍尔元件结构 b) 霍尔片 c)电路图形符号 图3-2-2霍尔元件
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霍尔效应、应用 领域及发展趋势
霍尔元件的测量 霍尔集成电路 NEWLab霍
误差及补偿方法
尔传感模块
霍尔元件的测量误差及补偿方法
制造工艺问题和实际应用中的各种不良因素都会影响霍尔元件的性能，从而产生误差， 其中最主要的误差有不等位电势带来的零位误差以及由温度变化产生的温度误差。
指示灯模块的12V+端口连接继电器1的输出NO1端口J9， 指示灯模块12V-端口连接NEWLab实验平台的12V-； 继电器1的COM1端J8和背板上的电源端口12V+相连。 霍尔线性AD输出1即J4连接继电器模块J2口 霍尔开关输出1即J2连接红外传感模块J12口 NEWLab实验平台上红外反射模块、红外传感模块和继电器模块上的GND是相通的，所 以可以不用考虑负极的处理。
（（a）实物
（b）内部结构234
霍尔效应、应用 领域及发展趋势
霍尔元件的测量 霍尔集成电路 NEWLab霍
误差及补偿方法
尔传感模块
霍尔效应、应用领域及发展趋势
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霍尔传感器模 块电路板认知
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霍尔传感器 模块结构原理
NEWlab套件的霍尔传感模块由霍尔数字模块和霍尔线性模块构成，可实现开关量的输出
结果测量 分析
硬件环境搭建
图3-2- 13 门窗感应及货物状态感应系统实际接线图
硬件环境搭建
系统采用霍尔线性模块来检测货物放是否移动，用霍尔开关模块检测门窗开闭情况。系统搭建电 路情况如下： 先参照图3-2-12将红外模块依安装在NEWLab实验底座上。为规范清晰表达各路连接，同学们可 参考图3-2-13完成模块间的连接。
（a）实物
（b）内部结构 图3-2-5 霍尔传感器 A3144
（c）特性曲线图
霍尔效应、应用领域及发展趋势
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开关型霍尔 集成电路
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线性霍尔 集成电路
霍尔集成电路
（2）线型霍尔集成电路 线性型霍尔集成电路通常由霍尔元件、差分放大器、 射极跟随输出及稳压电路四部分组成，其输出电压与外 加磁场强度呈线性比例关系，它有单端输出和双端输出 两种形式，它们的电路如图3-2-6所示。单端输出的传 感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小 变化能做出线性响应，典型型号有UGN-3501T、UGN3501U两种，区别只是厚度不同，T型厚度为2.03mm， U型厚度为1.54mm。
任务二 霍尔传感器的认知和应用
引导案例：
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系统应用及结构
系统搭建与功能体验
本项目学习目标
项目学习目标
围绕本任务的实现可完成如下学习目标：
智能防盗系统项目学习目标
任务二 霍尔传感器的认知与应用
01 任务资讯 03 任务实施
02 任务计划与决策 04 任务小结
任务描述
任务描述： 最近公司开展了安全排查，发现需要财物部门安全防护等级。
任务二 霍尔传感器的认知和应用
引导案例：
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系统应用及结构
系统搭建与功能体验
本项目学习目标
任务二 霍尔传感器的认知和应用
引导案例：
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系统应用及结构
系统搭建与功能体验
本项目学习目标
本项目采用在NEWLab平台上安装霍尔模块，继电器模块，灯光模块来搭建 模拟霍尔防盗系统，实现了用霍尔开关模块、霍尔线性模块进行监测，实现 门禁开关状态感知、财物位置移动报警等功能。
图3-2-1 霍尔效应原理图
在垂直于外磁场B的方向上放置一金属或半导 体薄片，其两端通过方向如图所示的控制电流I， 则在垂直于电流和磁场的另两端就会产生正比 于控制电流I和磁感应强度B的电动势 UH。利 用这一霍尔效应制成的传感元件称为霍尔元件。
霍尔效应
霍尔效应运动电荷受磁场中洛仑兹力作用的结果。当运动 电子所受的电场作用力 FE 和洛仑兹力 FL 相等时，电子的积累 达到平衡状态，此时在薄片两端建立电场称为霍尔电场，相应 的电势UH称为霍尔电势。霍尔电势正比于激励电流及磁感应强 度，其灵敏度与霍尔常数成正比而与霍尔片厚度成反比。为了 提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。
（1）开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是把霍尔
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。这种集 成电路一般由霍尔元件、稳压电路、 差分放大器、施密特触发器以及集 电极开路输出门电路等组成，其电 路框图如图3-2-4所示，各部分电 路的功能如下。
①稳压源进行电压调整。电源电压在 4.5V～24V 范围变化时，输出稳定。该电 路还具有反向电压保护功能。 ②霍尔元件将磁信号转变为电信号后送给下级电路。 ③差分放大器用于将霍尔元件产生的微弱的电信号进行放大处理 ④施密特触发器用于将放大后的模拟信号转变为数字信号后输出，以实现开关功 能（输出为矩形脉冲）。 ⑤恒流电路作用主要是进行温度补偿，保证温度在-40℃～+130℃范围内变化时， 电路仍可正常工作。 ⑥输出级通常设计成集电极开路输出结构，带负载能力强， 接口方便， 输出电 流可达20mA 左右。
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霍尔效应、应用 领域及发展趋势
霍尔元件的测量 霍尔集成电路 NEWLab霍
误差及补偿方法
尔传感模块
霍尔效应、应用领域及发展趋势
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开关型霍尔 集成电路
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线性霍尔 集成电路
霍尔集成电路
随着集成技术的发展，用集成 电路工艺把霍尔元件和相关的信号 处理部件集成在一个单片上制成的 单片集成霍尔元件，称作集成霍尔 元件。按照输出信号的形式，可分 为开关型和线性型两种。
霍尔效应、应用 领域及发展趋势
霍尔元件的测量 霍尔集成电路 NEWLab霍
误差及补偿方法
尔传感模块
霍尔效应、应用领域及发展趋势
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霍尔效应
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霍尔元件基本结构
霍尔效应
置于磁场中的静止金属或半导体薄片当有电流流过时，若该电流方向与磁场方向不 一致，则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。
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门禁与重要物 品监测系统结
构分析
门禁及重要 物品监测系 统电路设计
分析规划与 实施准备
智能霍尔防控系统电路设计
本次任务主要应用霍尔线性模块和霍尔开关模块，根据传感器采集到的数据，识别物品有无 被移动和门禁开关状态。通过灯光显示门禁开关状态和风险等级的判断结果。
图3-2- 12 门禁与霍尔状态系统接线图
和线性电压量的输出。
模块各接口的名称及功能如下：
4④
1①
2②
①线性霍尔传感器 SS49E 及相对应由霍
尔线性元件构成的电路，共四个；②③霍
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尔开关传感器及相对应由霍尔线性元件构
5⑤ 6
7⑤
3③
10 9⑨
成的电路，共两个；④⑤⑥⑦线性 AD 输 出 1、2、3、4 接口 J4、J6、J7、J5， 测量霍尔线性元件电路的输出电压； ⑧ ⑨霍尔开关输出 1、2 接口 J2、J3，测量
要严格财物室门禁管理，并对重要财物实现不间断监控管理。
任务要求： 利用霍尔开关完成财物室门禁开启和关闭检测； 利用霍尔线性传感完成不间断监控重要财物； 搭建系统电路，并对传感数据进行测量和分析。
引导问题
案例： 生活中的霍尔现象
问题1： 霍尔线性在生活中还有那些用途，在防盗方面可以怎么用？
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霍尔集成电路
以霍尔传感器A3144为例，图 3-2-5 所示霍尔传感器 A3144 的实物、内部结构和特性曲线图。它是 宽温的开关型霍尔效应传感器，其工作温度范围可达-40℃~150℃。它由电压调整电路、反相电源保护电 路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和 OC 门输出级构成，通过使用上拉电路可 以将其输出接人 CMOS 逻辑电路。该芯片具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特点。该传感器的输出开 关信号可直接用于驱动继电器、三端双向晶闸管、晶闸管、LED等负载。
霍尔开关元件电路的输出电压； ⑩接地
GND 接口 J1。
NEWLab霍尔传感模块认识
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霍尔传感器模 块电路板认知
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霍尔传感器 模块结构原理
霍尔传感模块的电路原理
（a）霍尔线性元件电路 图 3-2-9 霍尔传感模块电路板功能电路图
模块中的霍尔线性传感检测模 块主要由四个霍尔线性元件电路构 成，图 3-2-9（a ）所示为其中一 个霍尔线性元件电路。磁场增大时 霍尔线性传感电路输出电压同时增 加。当区域磁场发生变化时，四个 霍尔线性传感电路构成的模块可清 晰反应该区域的磁场变化情况。
图3-2-3温度补偿电路
半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度变化。 对温度的变化很敏感，霍尔元件的性能参数如输入电阻、输出 电阻、霍尔电势等都会随温度的变化而变化，这将给测量带来 较大的误差，为了减少这一测量误差，除选用温度系数小的元 件或采用恒温措施外，还可以采用适当的方法进行补偿。 采用 恒流源提供恒定的控制电流可以减小温度误差，但元件的霍尔 灵敏度系数也是温度的系数，对于具有正温度系数的霍尔元件， 可在元件控制极并联分流电阻来提高的温度稳定性
图3-2-6 线性型霍尔集成电路单端输出
霍尔集成电路
以线性霍尔传感器 SS49E 为例，图 3-2-7 所示为线性霍尔传感器 SS49E 的实物、内部结构和特性曲 线图。它是一款体积小、功能多的线性霍尔效应器件，在永久磁铁或电磁铁产生的磁场控制下工作，线性 输出电压由电源电压设置并随磁场强度的变化而等比例改变。先进的内置功能电路设计确保了它的低输出 噪声，使用时无需搭配外部滤波电路。
目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、锑化铟等 半导体材料，其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能 和线性度都较好，应用最为普遍。
霍尔效应、应用领域及发展趋势
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霍尔效应
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霍尔元件基本结构
霍尔元件的基本结构
霍尔元件结构简单，由霍尔片、引线和壳体组成，结 构见图3-2-2(a)。霍尔片是矩形半导体单晶薄片,见图 3-22(b)。国产霍尔片的尺寸一般为 4mm×2mm×0.1mm。 在元件的长度方向的两个端面上焊有a、b两根控制电流端 引线，通常用红色导线，称为控制电流级；在元件的另两 侧端面的中间以点的形式对称地焊接c、d两根霍尔端输出 引线，通常用绿色导线，称为霍尔电极。霍尔元件的壳体 采用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。
序号 1
主要步骤
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声音传感模块的工作原理
任务二 霍尔传感器的认知与应用
01 任务资讯 03 任务实施
声
音
02 任务计划与决传感策
模
块
04 任务小结
电 路
图
测一测 声音传感器的信号检测依据是什么？涉及哪些环节？ 想一想 生活中其他用到传感器的场景，同学们说说还有哪些？
任务实施
模块电路 搭建
明确工作 状态
霍尔传感模块的电路原理
（b）霍尔开关元件电路 图 3-2-9 霍尔传感模块电路板功能电路图
霍尔开关传感检测模块主要由 两个霍尔开关元件电路构成，图 32-9(b) 所示为其中一个霍尔线性元 件电路。当磁场增大到一定程度时 霍尔开关传感电路输出电压发生跳 变，从高电平变成低电平。利用两 个霍尔开关元件模拟实现对门窗管 理，当区域磁场增加时，门会有打 开状态变成关闭状态，窗户会有关 闭状态变成打开状态。
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2
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门禁与重要物 品监测系统结
构分析
门禁及重要 物品监测系 统电路设计
分析规划与 实施准备
智能霍尔防控系统分析与规划
项目名称 任务名称 计划方式
计划要求
智能防盗系统 门禁和财物防盗系统搭建 分组完成、团队合作、学材分析、资料调研 1.了解霍尔传感模块的信号采集方式，能搭建系统电路； 2.能实现单片机模块从霍尔模块采集数据； 4.能完成单一元件状态检测项目的创建和调试； 5.能分析项目的执行结果，归纳本节所学的知识与技能；