第6章-霍尔式传感器
霍尔式传感器
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霍尔式传感器
四、 霍尔元件构造
霍尔元件是一块矩形半导体单晶薄片，由霍尔片、 霍尔元件是一块矩形半导体单晶薄片，由霍尔片、四 极引线和壳体组成。 极引线和壳体组成。在它的长度方向两端面上焊有两 根引线，称为控制电流端引线（图中a 控制电流端引线 根引线，称为控制电流端引线（图中a、b线）， 通常 红色导线。其焊接处称为控制电流极 控制电流极， 用红色导线。其焊接处称为控制电流极，要求焊接处 接触电阻很小，欧姆接触。 接触电阻很小，欧姆接触。
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霍尔式传感器
该电场产生的电场力F 阻止电子继续偏转。 该电场产生的电场力FE阻止电子继续偏转。当FE与FL相 电场力 等时，电子积累达到动态平衡。这时， 等时，电子积累达到动态平衡。这时，在半导体前后 两端面之间建立电场，称为霍尔电场 霍尔电场E 两端面之间建立电场，称为霍尔电场EH，相应的电势 就称为霍尔电势 霍尔电势U 就称为霍尔电势UH。
扬州大学
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霍尔式传感器
扬州大学
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霍尔式传感器
六、 霍尔元件的主要技术指标 额定激励电流I 1、额定激励电流IH 使霍尔元件温升10 所施加的控制电流值称为额 10℃ 使霍尔元件温升10℃所施加的控制电流值称为额 定激励电流。通常用I 表示。 定激励电流。通常用IH表示。 通过电流I 的载流体产生焦耳热W 通过电流IH的载流体产生焦耳热WH：
IB IB ⇒UH = − = RH ⋅ = kH ⋅ IB ned d
夹角时，则有： 当磁场于薄片法线有 α夹角时，则有： U H = k H IB cos α
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霍尔式传感器
IB IB UH = − = RH ⋅ = kH ⋅ IB ned d
霍尔传感器工作原理
霍尔传感器工作原理1. 引言霍尔传感器是一种常用于测量磁场的传感器，它基于霍尔效应原理工作。
本文将详细介绍霍尔传感器的工作原理及其应用领域。
2. 霍尔效应的基本原理霍尔效应是指当电流通过一块导体时，如果该导体处于磁场中，就会在导体的两侧产生一种电压差，这种现象被称为霍尔效应。
霍尔效应的基本原理是磁场对电子的偏转和电子在导体中的运动轨迹。
3. 霍尔传感器的结构霍尔传感器通常由霍尔元件、放大器和输出电路组成。
霍尔元件是传感器的核心部件，它是一种半导体材料，具有特殊的电子结构，能够感知磁场的变化。
放大器负责放大霍尔元件产生的微弱电压信号，以便进行后续的处理和分析。
输出电路将放大后的信号转化为可用的电压或者电流输出。
4. 霍尔传感器的工作原理当霍尔传感器处于磁场中时，磁场会对霍尔元件中的电子进行偏转。
根据霍尔效应，偏转后的电子会在霍尔元件的两侧产生电压差。
这个电压差与磁场的强度和方向成正比。
通过测量霍尔元件两侧的电压差，可以确定磁场的强度和方向。
5. 霍尔传感器的应用领域霍尔传感器具有广泛的应用领域，以下是几个常见的应用示例：- 电动汽车：霍尔传感器可以用于检测电动汽车中机电的转速和位置，从而实现精确的控制和调节。
- 磁条读卡器：霍尔传感器可以用于读取磁条卡上的信息，如银行卡、身份证等。
- 电流测量：霍尔传感器可以用于测量电流，特殊适合于高电流的测量场景，如电力系统中的电流监测。
- 磁力测量：霍尔传感器可以用于测量磁力的大小和方向，广泛应用于磁力计、磁力传感器等领域。
6. 霍尔传感器的优缺点- 优点：- 非接触式测量：霍尔传感器不需要与被测物直接接触，可以实现非接触式测量，避免了物体磨损和污染。
- 高精度：霍尔传感器具有高精度的测量能力，可以实现弱小磁场的测量。
- 快速响应：霍尔传感器的响应速度快，可以实时获取磁场变化的信息。
- 缺点：- 受温度影响：霍尔传感器的工作性能受温度影响较大，需要进行温度补偿。
霍尔传感器资料
在制动过程中，各车轮制动未出现趋于抱死 时，ABS不工作，此时制动过程与常规制动 过程完全相同。在制动过程中，当ABS电脑 判定有车轮制动趋于抱死时，就开始对相应 的控制通道进行防抱死控制，将车轮滑移率 控制在最佳范围之间，直至汽车速度很低或 停止。
在制动过程中，如果汽车为高速急转弯，当
汽车的横向加速度达到一定值时，横向加速 度开关中的一对触点就会断开，ABS电脑不 再有蓄电池电压信号，ABS电脑由此判定汽 车横向加速度已超过设定的界限值，就会对 其防抱死控制过程进行修正，使ABS更为有 效地工作
图1 HE-01霍尔转速传感器
图2 霍尔速度传感器的内部结构
❖ 利用霍尔传感器测转速的结果原理如图2所示。 它实际就是利用霍尔开关与电机轴连接的轮 片上粘有多对小磁钢（N.S极），小磁钢越 多，分辨率就越高。霍尔开关固定在小磁钢 附近，轮旋转时，磁钢经过霍尔开关集成电 路时，开关集成器就会产生一个响应的脉冲， 检测出的单位时间的脉冲数，其长度就是轮 轴的转动周期T及其转速n。
1- 2 霍尔元件 （a）外形结构示意图 （b）图形符号
霍尔传感器
霍尔电压传感器
1.2 霍尔传感器的应用
（一）、差动霍尔电路制成的霍尔齿轮传感 器，如图1所示,新一代的霍尔齿轮转速传感 器，广泛用于汽车智能发动机，作为点火定 时用的速度传感器，用于ABS（汽车防抱死
制动系统）作为车速传感器等。
n=1/T
UH
=RH
IB d
K
HIB
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
RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度, 霍尔元 件常制成薄片形状。
❖ ABS（Anti-lock Braking System）防抱死 制动系统，它与传统的制动系统协同工作， 是一种安全、有效的制动辅助系统.通过安装 在车轮上的传感器发出车轮将被抱死的信号， 控制器指令调节器降低该车轮制动缸的油压， 减小制动力矩，经一定时间后，再恢复原有 的油压，不断的这样循环（每秒可达5~10 次），始终使车轮处于转动状态而又有最大 的制动力矩。
第6章霍尔传感器
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霍尔元件的主要外特性参数
最大磁感应强度BM
线性区
1T=104G
上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少
2019/8/16 高斯至正的多少高斯？7Βιβλιοθήκη 霍尔元件的主要外特性参数（续）
最大激励电流IM :
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 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， 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。
上节回顾:
1.压电式传感器
本节主要内容:
1.霍尔传感器
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第6章 霍尔传感器
本章主要学习霍尔传感器 的工作原理、霍尔集成电路的特 性及其在检测技术中的应用，还 涉及磁场测量技术。
霍尔元件是 一种四端元件
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第一节 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，这种现象称为霍尔效应。
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霍尔转速表的其他安装方法
霍尔元件
磁铁
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。
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霍尔式无触点汽车电子点火装置
汽车点火线圈
高压输出 12V低压电源
接头
输入接头
采用霍尔式无触 点电子点火装置能较 好地克服汽车合金触 点点火时间不准确、 触点易烧坏、高速时
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霍尔传感器
3.2 霍尔传感器霍尔传感器是利用霍尔元件的霍尔效应制作的半导体磁敏传感器。
半导体磁敏传感器是指电参数按一定规律随磁性量变化的传感器，常用的磁敏传感器有霍尔传感器和磁敏电阻传感器。
除此之外还有磁敏二极管、磁敏晶体管等。
磁敏器件是利用磁场工作的，因此可以通过非接触方式检验，这种方式可以保证使用寿命长、可靠性高。
利用磁场作为媒介可以检测很多物理量，例如：位移、振动、力、转速、加速度、流量、电流、电功率等。
它不仅可以实现非接触测量，并且不从磁场中获取能量。
在很多情况下，可采用永久磁铁来产生磁场，不需要附加能量，因此这一类传感器获得极为广泛的应用。
3.2.1霍尔效应1879年霍尔发现，在通有电流的金属板上加一均强磁场，当电流方向与磁场方向垂直时，在与电流和磁场都垂直的金属板的两表面间出现电势差，这个现象称为霍尔效应，这个电势差称为霍尔电动势，其成因可用带电粒子在磁场中所受到的洛伦兹力来解释。
如图3.11所示，将金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，当有电流流过薄片时，电子受到洛伦兹力F的作用向一侧偏移，电子向一侧堆积形成电场，该电场对电子又产生电场力。
电子积累越多，电场力越大。
洛伦兹力的方向可用左手定则判断，它与电场力的方向恰好相反。
当两个力达到动态平衡时，在薄片的AB方向建立稳定电场，即霍尔电动势。
激励电流越大，磁场越强，电子受到的洛仑兹力也越大，霍尔电动势也就越高。
其次，薄片的厚度、半导体材料中的电子浓度等因素对霍尔电动势也有影响。
霍尔电动势（mV）的数学表达式为=（3.9）EKIBHHK[mV/(mA·T)]——霍尔元件的灵敏度系数。
式中：H霍尔电动势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当I或B的方向改变时，霍尔电动势的方向也随之改变。
如果磁场方向与半导体薄片不垂直，而是与其法线方向的夹角为θ，则霍尔电动势为θE=（3.10）KcosIBHH图3.11 霍尔效应（a）图形符号（b）外形图图3.12 霍尔元件3.2.2霍尔元件由于导体的霍尔效应很弱，霍尔元件都用半导体材料制作。
霍尔传感器的工作原理1霍尔效应半...
6.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器又称电动势式传感器，是利用电磁感应原理将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。
磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之间作相对运动；磁路中磁阻的变化；恒定磁场中线圈面积的变化等，一般可将磁电感应式传感器分为磁力线而产生。
这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。
磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度d x/d t 成正比的感应电动势的可达2kHz左右。
6.1.2 变磁通式磁电感应传感器结构与工作原理变磁通式磁电感应传感器一般做成转速传感器，产生感应电动势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化的频率。
式中：Z为齿轮齿数；电动势频率(Hz)。
这样当已知被测转轴带动椭圆形测量轮5在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性地变化，因而磁路磁阻和磁通也同样周期性地变化，则在线圈3中产生感应电动势，其频率2．振动测量0.7kg 质量1.9工作线圈内阻mV ·s ·cm -45mm×160mm 外形尺寸0.1～1000可测振幅范围≤10％精度5g 最大可测加速度10～500Hz m k 1、8—圆形弹簧片；2—圆环形阻尼器；3—永久磁铁；4—铝架；5—心轴；6—工作线圈；7—壳体；9—引线6.1.3 磁电感应式传感器的应用1．转速测量当转轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位差为零。
当被测轴6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器是基于一种传感器。
霍尔器件是一种磁传感器，用它们可以检测磁场及6.2.1 霍尔传感器的工作原理1．霍尔效应半导体薄片置于磁感应强度为BC DA磁感应强度B为零时的情况当有图示方向磁场B作用时作用在半导体薄片上的磁场强度霍尔效应演示BCDA当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内、B方向的端面之间建立起霍尔电式中：2．霍尔元件霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片(一般为4经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极，(a) 霍尔元件外形(b)电路符号(c) 基本应用电路3．霍尔元件的主要特性及材料1) 霍尔元件的主要特性参数制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。
hall传感器
其中Rp用来补偿 U0，霍尔输出端串入 温度补偿电桥，Rt为 热敏电阻（负温度系 数），温度变化时桥 路产生输出电压，此 时霍尔电势与桥路输 出电压相加作为传感 器输出。此补偿方法 在±40℃范围内效果 很好。
恒压源和输入回路串联电阻
霍尔元件采用恒 压源供电，且霍 尔输出在开路状 态下工作时，可 采用在输入回路 中串联电阻的方 法来补偿温度误 差。
产生不等位电势示意图
补偿方法：
■工艺上采取措施，尽量使霍尔电极对称 ■采用补偿电路
霍尔元件等效电路为一个四臂电桥，因此可在某 一桥臂并上一定电阻将其降到最小，甚至为零。 图为几种不等位电势的补偿电路，其中不对称补 偿简单，而对称补偿温度稳定性好。
霍尔元件符号及等效电路
X
X
（a)不对称补偿
X
X
（b）对称补偿
3.霍尔元件的电磁特性
U H I特性 电磁特性包括 U H B特性 R B特性
（1）U H
I 特性
指控制电流与霍尔 电势之间的关系。 当磁场恒定，在一 定环境温度下，控 制电流与霍尔电势 之间呈线性关系。
⑵ UH
B特性
指霍尔电势与磁场强度 之间的关系。控制电流 一定时，霍尔元件的开 路霍尔输出随磁感应强 度增加而增大，但不完 全呈线性关系，只有当 B 0.5T（即5000Gs） 时，才呈现较好的线性 见图示。
● ●
采用温度补偿元件
输入回路并联电阻
I
Rp
Rp
R
为霍尔元件灵敏度温度系数
i0
为元件的电阻温度系数
当
时，R pຫໍສະໝຸດ R i0 合理选择负载电阻
R L R 0o
霍尔传感器工作原理
霍尔传感器工作原理
霍尔传感器是一种基于霍尔效应的传感器，用来检测和测量磁场。
霍尔效应是指当电流通过金属板或半导体时，如果该金属板或半导体同时受到垂直于电流方向的磁场的作用，就会在它的两侧产生电势差。
这个现象被称为霍尔效应。
霍尔传感器利用了这个原理来测量外部磁场的强度。
具体来说，霍尔传感器主要由霍尔元件和信号处理电路组成。
霍尔元件一般是一块具有霍尔效应的材料，例如铟镓砷（InGaAs）、硒化铋（Bi2Se3）等。
当外部磁场作用于霍尔元件时，霍尔效应会在元件的侧面产生一个电压。
这个电压与磁场的强度成正比，可以通过信号处理电路进行放大和处理，最终得到与磁场强度相关的输出信号。
霍尔传感器具有灵敏度高、响应速度快、功耗低等特点，被广泛应用于各个领域。
例如，在汽车领域，霍尔传感器可用于测量转速、车速等；在工业领域，它可以用于检测电机的转速和位置等。
此外，霍尔传感器还常用于测量地磁场、磁体表面磁场以及磁性材料的磁场分布等。
总的来说，霍尔传感器通过利用霍尔效应来测量外部磁场的强度，具有许多优点和广泛的应用前景。
霍尔式传感器原理及应用(共9张PPT)
•纯金属中自由电子浓度过高，霍尔效应微弱，无实用价值
•半导体是霍尔元件的常用材料 •材料的厚度 d 愈小，则 KH 就愈大、灵敏度愈高
第3页，共9页。
2. 霍尔传感器的应用
VH KHIBsin
•式(3-48)可知，改变 I 或 B，或两者同时改
变均会引起 VH 的变化 •利用该原理可以做成各种传感元件
该当现霍象 尔称元为件霍相尔对效于—应磁—，极所作霍产x方生尔向的位元电移动件时势，就V可H成得称到了为输霍出一尔电种电压势V两H=个VH模1-V拟H2，信且号ΔV的H数乘值正法比器于位移量Δx，正负方向取决于位移Δx的方向
第8页，共9页。
The End
第9页，共9页。
•在a、b两端通入控制电流 i
所测外界信号频率可以很高 单位控制电流下所得的开路霍尔电势，
结洛构伦•简 兹左单力半可的靠作产用生结果的，霍使带尔电电粒子势偏V向Hc1，和d 右电极半产生的霍尔电势VH2方向相反
当霍尔元件相对于磁极作x方向位移时，可得到输出电压VH=VH1-VH2，且ΔVH数值正比于位移量Δx，正负方向取决于位移Δx的方向
该现象称为霍尔效应，所产生的电动势 VH 称为霍尔电势
第2页，共9页。
霍尔电势 VH 的大小 由下式决定：
VH KHIBsin
(3-48)
式中 KH——霍尔常数，表示单位磁感应强度和 单位控制电流下所得的开路霍尔电势，
取决于材质、元件尺寸，并受温度变化影响；
α——电流方向与磁场方向夹角，如两者垂直，则sinα＝1。
VH KHIBsin
(3-48)
•在磁场和控制电流的作用下，输出端有电压输出
•使用时，I 和 B 都可作为输入信号，输出信号正比于两者的乘积 •建立霍尔电势所需的时间极短(10-12~10-14) •所测外界信号频率可以很高
霍尔式曲轴位置传感器工作原理
霍尔式曲轴位置传感器工作原理一、引言霍尔式曲轴位置传感器是一种常用的汽车发动机控制系统中的传感器，它能够准确测量曲轴的转速和位置信息，并将这些信息传递给ECU （发动机控制单元），从而实现对发动机的精确控制。
本文将详细介绍霍尔式曲轴位置传感器的工作原理。
二、霍尔效应为了理解霍尔式曲轴位置传感器的工作原理，我们首先需要了解霍尔效应。
霍尔效应是指当一个电流通过一块导体时，在导体内部会产生电场，如果在导体两侧施加一个垂直于电场方向的磁场，那么就会在导体两侧产生一个电势差，这个现象就叫做霍尔效应。
三、霍尔元件霍尔元件是利用霍尔效应测量磁场强度和方向的一种半导体元件。
它通常由三个部分组成：P型半导体、N型半导体和中间夹层。
当一个电流通过P型半导体时，在P型半导体中形成了一个正电荷区域；同样地，当一个电流通过N型半导体时，在N型半导体中形成了一个负电荷区域。
当这两个区域接触时，它们会形成一个电势差，这个电势差就是霍尔电压。
四、霍尔式曲轴位置传感器的构造霍尔式曲轴位置传感器通常由霍尔元件、磁铁和信号调制电路组成。
其中，磁铁被安装在曲轴上，而霍尔元件则被安装在发动机上的一个支架上。
当曲轴转动时，磁铁也会随之转动，并在霍尔元件的旁边产生一个磁场。
这个磁场会影响到霍尔元件内部的电流流向和大小，从而产生一个电势差。
信号调制电路会将这个电势差转换为数字信号，并将其发送给ECU。
五、工作原理当发动机启动时，ECU会向霍尔式曲轴位置传感器发送一个起始脉冲信号。
随后，在每个曲轴旋转周期的开始和结束时，ECU都会发送一系列脉冲信号给传感器。
这些脉冲信号包含了关于曲轴当前位置和速度的信息。
当磁铁靠近霍尔元件时，霍尔元件内部的电流流向会发生变化，并产生一个电势差。
信号调制电路会将这个电势差转换为数字信号，并将其发送给ECU。
ECU通过分析这些数字信号，就能够确定曲轴的当前位置和速度信息。
六、总结霍尔式曲轴位置传感器是一种常用的汽车发动机控制系统中的传感器，它能够准确测量曲轴的转速和位置信息，并将这些信息传递给ECU，从而实现对发动机的精确控制。
霍尔传感器简介
霍尔传感器简介江苏省洪泽中学程如林引言：霍尔效应是新课标高中物理教材（人教版）选修3-1中的一个研究课题，霍尔元件在新课标高中物理教材（人教版）选修3-2第六章“传感器”中也有简略介绍。
课本两处出现此内容，体现了新课标的理念，即关注现代科技、联系生产实际，同时也是为了拓宽学生知识面、增强学生的创新设计能力和激发学生的兴趣。
为了便于大家在教学中了解更为细致的内容，笔者查阅了相关资料，现将有关内容整理出来，供各位同行参考。
摘要：本文简略介绍霍尔传感器的工作原理、分类及其简单应用。
关键词：霍尔效应霍尔元件霍尔传感器分类特性应用霍尔传感器是一种磁传感器。
用它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。
霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。
霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。
一、霍尔效应霍尔元件霍尔传感器（一）霍尔效应如图1所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为U H的霍尔电压，它们之间的关系为。
式中d 为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。
上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。
（二）霍尔元件根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。
它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。
（三）霍尔传感器由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。
霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图2所示，是其中一种型号的外形图。
二、霍尔传感器的分类霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。
6 霍尔式传感器特性实验
6 霍尔式传感器特性实验一、实验目的了解霍尔式传感器原理与应用；了解开关式霍尔传感器测转速的原理与应用。
二、需用器件与单元主板F/V表、+5V电源、1.2~12V可调电源、电机驱动、转速盘；霍尔转速传感器、传感器安装片、磁性座；机头静态位移安装架、传感器输入插座、线性霍尔传感器、测微头；±4V电源、霍尔输出口、电桥、差动放大器。
三、相关单元简介1. 本实验采用的霍尔式位移(小位移1mm~2mm)传感器是由线性霍尔元件、永久磁钢组成，其它很多物理量如力、压力、机械振动等本质上都可转变成位移的变化来测量。
霍尔式位移传感器的工作原理和实验电路原理如图1 (a)、(b)所示。
将磁场强度相同的两块永久磁钢同极性相对放置，线性霍尔元件置于两块磁钢间的中点，其磁感应强度为０，设这个位置为位移的零点，即Ｘ=０，因磁感应强度Ｂ=０，故输出电压U H=０。
当霍尔元件沿Ｘ轴有位移时，由于Ｂ≠０，则有一电压U H输出，U H经差动放大器放大后输出为电压为V o，V o与Ｘ有一一对应的特性关系。
＊注意：线性霍尔元件有四个接线端。
涂黑两端1 (V s+)、3 (V s-)是控制电流极，用于输入激励电压，另外两个2 (V o+)、4 (V o-)是霍尔电极，用于输出霍尔电势。
接线时，控制电流极与霍尔电极千万不能颠倒，否则霍尔元件将被损坏。
(a)工作原理(b)实验电路原理图1霍尔式位移传感器工作原理图2. 开关式霍尔传感器是线性霍尔元件的输出信号经放大器放大，再经施密特电路整形成矩形波(开关信号)输出的传感器。
开关式霍尔传感器测转速的原理框图如图2所示。
被测圆盘上装有6只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化6次，开关式霍尔传感器就同频率f相应变化输出，再经频率表显示f，则转速为n = 10f（rpm）。
图2 开关式霍尔传感器测转速原理框图四、预习思考题1. 何为霍尔效应？2．霍尔传感器测量位移实验中，电桥单元的作用是什么？3. 霍尔传感器测量转速的优点是什么？五、实验步骤1. 差动放大器调零；2. 调节测微头的微分筒；3. 按图1(b)在机头上安装传感器与测微头并接线。
霍尔效应原理图
3、输入电阻Ri和输出电阻R0
Ri是指流过控制电流的电极（简称控制 电极）间的电阻值，R0是指霍尔元件的 霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间 的电阻，单位为Ω。可以在无磁场即B ＝0和室温（20 5）℃时，用欧姆表等 测量。
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若温度变化，则引起输入电阻变化，从 而使输入电流发生改变，最终导致霍尔 电势变化。输出电阻也会随着环境温度 的变化而变化。 适当选择负载与之匹配，可以减小霍尔 电势的温度漂移。
第六章 霍尔传感器
本章主要讲述内容：
1、霍尔传感器的工作原理
2、霍尔元件的基本结构和主要技术指标
3、霍尔元件的测量电路 4、霍尔传感器举例
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第一节 霍尔元件的基本工作原理
概述：
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器， 得到广泛的应用。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。
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UM RM IC
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不平衡电势 UH 是主要的零位误差。因为在工 艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等 电位面上。如下图(a)所示。当控制电流 I流过时， 即使末加外磁场，A、B两电极此时仍存在电位差， 此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）UH。
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在该电桥的负载电阻RP2上 取出电桥的部分输出电压 （称为补偿电压），与霍尔 元件的输出电压反向串联。 在磁感应强度B为零时，调 节RP1和RP2，使补偿电压抵 消霍尔元件此时输出的不等 位电势，从而使B＝0时的总 输出电压为零。
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传感器技术及应用第6章 霍尔式传感器
第 霍尔元件在两磁铁中间产生相对位移，霍尔元件感受到的
6 磁感应强度也随之改变，这时有输出U，其量值大小反映出
章 霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量。这种结构的传感
器，其动态范围可达5mm，当位移小于2mm时，输出霍尔电
霍 压与位移之间有良好的线性关系。图6-4（b）所示的是一
尔 种结构简单的霍尔位移传感器，是由一块永久磁铁组成磁
感
器
传
感
器
技
术
及
6.2.3 构成金属计数器
应
用
第•
如图6-6所示是应用于计数的霍尔接近开
6 关原理图。当带磁性的物体接近霍尔元件时，
章 霍尔元件就输出一个脉冲电压，经过放大整形
后驱动光电管工作，计数器便进行计数，并由
霍 显示器进行显示。
尔
式
传
感
器
传 感 器 技 术 及 应 用
第
6 章
霍
尔
图6-6 霍尔式接近开关应用于计数电原理图
第
6 章
霍 尔 式 传 感 器
传
感 器
6.1 霍尔效应及霍尔元件
技
术
及 应
6.1.1 霍尔效应
用
第•
霍尔式传感器是利用半导体在磁场中的霍
6 尔效应制成的一种传感器。1879年美国物理学
章 家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但
由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。
霍 随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制
及 应 用
EH
IB nebd
（6-6）
第 将式（6-6）代入式（6-1），得
6
章
IB
霍
U H ned
霍尔式传感器工作原理
霍尔式传感器工作原理
霍尔式传感器是一种常用的磁敏传感器，它利用霍尔效应来检测磁场的存在和
强度。
霍尔效应是指当导体中有电流通过时，放置在导体两侧的磁场会引起电压差，这种现象被称为霍尔效应。
在霍尔式传感器中，通过测量这种电压差来确定磁场的特性，从而实现对磁场的检测和测量。
霍尔式传感器通常由霍尔元件、电源和信号处理电路组成。
当磁场作用于霍尔
元件时，会产生电压差，这个电压差与磁场的强度成正比。
电源为霍尔元件提供工作所需的电流，而信号处理电路则对霍尔元件输出的电压进行放大、滤波和处理，最终将其转换为可供系统使用的电信号。
在实际应用中，霍尔式传感器有着广泛的用途。
例如在汽车行业中，霍尔式传
感器被用于发动机的转速检测、车速检测和曲轴位置检测等方面。
此外，在工业自动化控制领域，霍尔式传感器也被广泛应用于位置检测、速度测量和角度测量等方面。
由于其结构简单、响应速度快、精度高等特点，霍尔式传感器在工业生产中发挥着重要的作用。
霍尔式传感器的工作原理可以简单总结为，当磁场作用于霍尔元件时，会产生
电压差，这个电压差与磁场的强度成正比。
通过电源和信号处理电路的配合，最终将霍尔元件输出的电压转换为可供系统使用的电信号。
这种工作原理使得霍尔式传感器能够准确、快速地检测和测量磁场，从而满足各种应用场景的需求。
总之，霍尔式传感器以其简单、快速、精确的特点，在工业控制、汽车电子、
家用电器等领域得到了广泛的应用。
通过对磁场的检测和测量，霍尔式传感器为各种系统的正常运行提供了重要的支持，也为现代科技的发展做出了重要贡献。
霍尔传感器压电传感器磁电式传感器
而改变了磁路的磁阻，引起线圈中磁通量发生变化，在线圈中便产生感应电动势。这个感
应电动势的大小与磁通量的变化率成正比，也就是与被测物体的运动速度成正比
磁电式传感器
应用
磁电式传感器广泛应用于汽车、航空航天、工业自动化、机器人、水下装置等领域。在汽
磁电式传感器
工作原理
磁电式传感器的核心是磁电元件，通常是由线圈和磁铁组成。当磁铁和线圈相对运动
时，线圈中会产生感应电动势。这个感应电动势的大小与磁铁和线圈的相对运动速度
成正比。通过测量这个感应电动势，就可以知道磁铁和线圈的相对运动速度
磁电式传感器
应用
磁电式传感器广泛应用于各种领
域，如速度和位置的测量，无接
xxxx
霍尔传感器，
压电传感器，
磁电式传感器
-
1
霍尔传感器
2
压电传感器
3
磁电式传感器
4
总结
5
1
霍尔传感器
霍尔传感器
霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁传感器
霍尔效应是指当电流通过磁性材料时，磁场会
受到电流的影响，从而产生一个电压差，这个
电压差与磁场和电流的乘积成正比
霍尔传感器
工作原理
霍尔传感器的核心是霍尔元件，
车工业中，磁电式传感器常被用于测量发动机的转速、曲轴的位置、车速等。在航空航天
领域，磁电式传感器用于测量飞机的飞行速度、高度和方向等。在机器人领域，磁电式传
感器被用于测量机器人的关节角度和位置等。在水下装置领域，磁电式传感器被用于测量
水深和水流速度等
5
总结
总结
霍尔传感器
另
KH
RH
d
（V . m 2 .Wb ）霍尔元件灵敏度 A
则 VH K H IB 可以看出 ：
R ①霍尔电压 VH 与材料的性质有关。材料的 , 大， H 就 大。金属 虽然很大，但 是很小，故不宜做成元件。 在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大， 即n ，所以，霍尔元件一般采用N型半导体材料； p K ②霍尔电压 VH 与元件的尺寸有关。 d 愈小， H愈大，霍 尔元件灵敏度越高，所以霍尔元件的厚度都比较薄， 但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。 ③霍尔电压 VH与控制电流及磁场强度有关。VH 正比于I V 及B。当控制电流恒定时，B愈大， H愈大。当磁场改变 V 方向时，H 也改变方向。同样，当霍尔灵敏度 R H及磁感 应强度B恒定时，增加控制电流I，也可以提高霍尔电 压的输出。
110 20% 110 20% 45 20% 0.8 20% 0.8 20%
8 4 0.2
1.2 20%
1 20% 1 20%
0.003
R i0
R v0
100 20% 100 20% 100 20% 40 20% 0.5 20% 0.5 20%
四、实际应用
Байду номын сангаас
例如：利用霍尔元件测量机械加工工件的凹和凸。如 图7—6所示。若工件凸，则霍尔元件向上移动Δx位移， 磁感应强度B发生变化，将引起霍尔电势UH的变化； 若工件凹，则霍尔元件向下移动Δx位移，磁感应强度 B发生变化，将引起霍尔电势UH的变化。 若测得输出量UH为正，则可判断工件为凸，再利用转 换电路和控制电路去控制车床去车掉多余的部分。若 测得输出量UH为负，则可判断工件为凹，再利用转换 电路和控制电路判断该工件凹的程度，以便决定是报 废该工件还是留用该工件。
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OP-27 噪声电压特别小,小于OP-07的十分之一;
当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔 器件。
例如 K H20m V/m A .kG s，如果采用2x 3x 5(mm)的
衫磁钢的器件，控制电流为2mA，施加一个距离器 件为5mm的300G s的磁场，则输出霍尔电势为
U H m a x K H I B 2 0 m V / m A . k G s 2 m A 3 0 0 1 0 3 k G s 1 2 m V
果两个霍尔电势极不在同一等位面上．电桥不平衡，
不断等应位在电 某势 一桥U臂0 上 0并。联此一时个根电据阻A．、使B电两桥点平电衡位．高从低而判
第一节 霍尔效应和工作原理
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种 传感器。霍尔效应自1879年被发现自今已有100多年 的历史，但直到本世纪50年代，由于微电子学的发展， 才被人们所重视和利用，开发了多种霍尔元件。我国 从70年代开始研究霍尔器件，经过30余年的研究和开 发、目前已经能生产各种性能的霍尔元件，例如普通 型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁型和开关 式的霍尔元件。
这里所必需的包括：各种传感器、可快速处理来自传 感器的大量信息的处理器、驱动激励器的高耐压 （LSI），以及能够将LSI的可靠性提高到与飞机相媲 美的技术。所有这些元件均为尖端技术的结晶。
在机器人的发展过程中，车载元件技术起着关键 作用。因为机器人所需的关键技术包含于车载元件中。 对于两者来说，传感器、激励器和信号处理等都至关 重要。机器人也必须像汽车一样如同电子茧似地配备 传感器，并快速判断所接收到的信息。比如躲避运动 的障碍物行走的动作，必须识别障碍物、预测其动作， 并在不破坏平衡的条件下控制双足等。
场，即为霍尔电场该静电场对电子的作F 用E 力 与洛
仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为：
FE
eEH
eUH b
静电场作用于运动电子上的 F E 与洛仑兹力 F L 相等
时，电子积累达到动态平衡，即
ev B eUH b
所以： UH bvB
流过霍尔元件的电流I为：Id d Q t bdvdd tn t(e)bdvn(e)
n为单位体积内自由电子数(载流子浓度)
所以：
v I bdn(e)
代入 UH bvB 中得：
UH
IB dne
若P霍为尔单元位件体为积P内型空半穴导数体(、载则流：子U浓H 度 )。PI dBe
三、 霍尔系数和灵敏度
在上式中令：
RH
1 ne
或
IB
则式
UH
和式 U
dne
H
RH
IB
1 pe
P d e 变为：U H
图4
B ——穿过手心
大拇指——指向的是力的方向
Sensor
新型传感器不断用于汽车、
机器人等行业
人们过去的常识是“汽车并不使用最尖端技术”。 要对生命负责的汽车厂商，采用实用化技术的原则今 后恐怕也不会改变。但是为了安全而必须使用最尖端 技术的话，那么强烈希望采用最尖端技术的趋势必将 越来越强。丰田汽车已经制定了在2020年把日本国内 汽车事故减少一半的目标，并将为此采取逐步把汽车 设计成“电子茧”的方针。也就是说，利用数百个传 感器把车辆包围起来，根据来自这些传感器的信息， 利用激励器对刹车和方向盘进行电控。
Ri是指控制电流极之间的电阻值， Ro指霍尔元 件电极间的电阻，单位为欧姆。 Ri和Ro可在无磁场
即B=0时，用欧姆表等测量。
3．不平衡电势Uo
在额定控制电流I之下，不加磁场时，霍尔电极间的 空载霍尔电势称为不平衡(不等)电势，单位为mv。不 平衡电势和额定控制电流I之比为不平衡电阻ro。有些 产品也提供不平衡电阻参数值。
表9—3列出中国科学院半导体研究所生产的砷化镓 (GaAs)霍尔元件的主要技术参数。
砷化镓霍尔元件的主要技术参数
第三节、霍尔元件连接方式和输出电路
1．基本测量电路
霍尔元件的基本测量电路 如图4所示,控制电流I由电源E 供给、电位器W调节控制电 流I的大小。霍尔元件输出接 负载电阻RL． RL可以是放 大器的输入电阻或测量仪表 W 的内阻。由于霍尔元件必须 在磁场与控制电流作用下， 才会产生霍尔电势，所以在 测量中．可以把I和B的乘积、 或者I，或者B作为输人信号， 则霍尔元件的输出电势分别 正比于I或B。
这时选用一般的放大器即可满足。
低失调低漂移运放OP–07
输入失调电压UIOS 和输入失调电流IIOS 很小；
输入失调电压温漂αUIOS 和输入失调电流温漂αIIOS 很小； 精度比较高；价格不高,很受欢迎。
第四节 霍尔元件的测量误差和补偿方法
霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测 量精度，造成测量误差的主要因素优两类:
一类是半导体固有特性；一类为半导体制造工艺 的缺陷。其表现为零位误差和温度引起的误差。
1、零位误误差及补偿方法：
零位误差是霍尔元件在加控制电流或不加外磁场 时，而出现的霍尔电势称为零位误差。由制造霍尔元 件的工艺问题造成的不等位电势是主要的零位误差。 因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电级焊接在同 一等电位面上．
电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小
与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势 U
rr
H
，
即UHKHIB，其中 K H为霍尔元件的灵敏度。这
一现象称为霍尔效应，该电势 U H 称为霍尔电势，半
导体薄片就是霍尔元件。
图1
二、工作原理:
霍尔效应是半导体中自由电荷受磁场中洛仑兹力 作用而产生的。
第六章 霍尔式传感器
第一节 霍尔效应和工作原理 第二节霍尔元件的主要技术参数 第三节、霍尔元件连接方式和输出电路 第四节 霍尔元件的测量误差和补偿方法 第五节 霍尔式传感器应用
霍尔式传感器简介
霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原 理而将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换 成电动势输出的一种传感器。虽然它的转换效率较 低，温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温 度补偿，但霍尔式传感器结构简单，体积小，坚固， 频率响应宽(从直流到微波)，动态范围(输出电势的 变化)大，无触点，使用寿命长，可靠性高，易微型 化和集成电路化，因此在测量技术、自动化技术和 信息处理等方面得到广泛的应用。
B
RL UH
E
图4基本测量电路
2．连接方式
除了霍尔元件基本电路形式之外，如果为了获得 较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式、 如图5(a)所示。
图5（a）为直流供电情况。控制电流端并联，由w1、 w2调节两个元件的输出霍尔电势，A、B为输出端，则 它的输出电势为单块的两倍。
图 5(b)为交流供电情况。控制电流端串联，各元件 输出端接输出变压器B的初级绕组，变压器的次级便有 霍尔电势信号叠加值输出。
第二节、霍尔元件的主要技术参数
1．额定功耗P0
霍尔元件在环境温度T＝25c时，允许通过霍尔元 件的电流I和电压E的乘积，分最小、典型、最大三档， 单位为mw。当供给霍尔元件的电压确定后，根据额 定功耗可以知道额定控制电流I，因此有些产品则提 供额定控制电流I，不给出额定功耗P0。
2．输入电阻Ri和输出电阻Ro。
4．霍尔电势稳定系数
在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时， 霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数.
5．内阻温度系数
霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1℃ 时，输入电阻与输出电阻变化的百分率称为内阻温度 系数，一般取不同温度时的平均值。
6．灵敏度系数 K H
其定义同前述，有时某些产品给出无负载时灵敏度， 在某一控制电流和一定强度磁场中，输出极开路时元件 的灵敏度。
ne
则有 RH 由此可见，要想霍尔电势强，半导体
材料的电阻率必须要高，且迁移率也要大。虽然，金 属导体的载流子迁移率很大，但其电阻率低；绝缘体 电阻率很高，但其载流于迁移率低。因此，只有半导 体材料为最佳霍尔传感器的材料。表9—1列出了一些 霍尔元件材料特性。霍尔电势除了与材料的载流子迁 移率和电阻率有关，同时还与霍尔元件的几何尺寸有 关。
由于霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定 性高、体积小和耐高温等特性，它已广泛应用于非电 量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技术等各 个领域。
一、霍尔效应
如图1所示的一块半导体薄片，其长度为L，宽度
为b，厚度为d，当它被置于磁感应强度为B的磁场中，
如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与
图5霍尔元件输出叠加连接方式
3．霍尔电势的输出电路
霍尔器件是一种四端器件．本身不带放大器。霍 尔电势一般在毫伏量级，在实际使用中必须加差分放 大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使 用方式。
因此，输出电路如图6所示两种结构。下面以我国 科学院半导体研究所生产的GaAs霍尔元件为例，给 出两种参考电路，分别如图6(a)和(b)所示。
RH
IB d
则 R H 被定义为霍尔传感器的霍尔系数。很明显，霍
尔系数由半导体材料性质决定。它决定霍尔电势的强弱。
设：
KH
R H则有： d
rr UHKHIB
霍尔元件的灵敏度就是指在单位磁感应强度B和单位 控制电流I作用时，所能输出的霍尔电势的大小。
n 由于材料电阻率 与超流子浓度 和其迁移率
有关，即 1 则： R H
图6 霍尔元件的输出电路
当霍尔元件作线性测量时．最好选用灵敏度低一点、 不等位电势小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。 例如，选用 KH5m V/m A.kG s，控制电流为5mA的霍 尔元件作线性测量元件，若要测量1Gs一10kGs的磁场，
则霍尔器件最低输出电势 U H m in为：
U H m i n K H I B 5 m V / m A . k G s 5 m A 1 0 3 k G s 2 5 V