第9章 磁敏式传感器

RH
1 ne 1 RH pe
RH 被定义为霍尔传感器的霍尔系数，霍尔系数由材料性质决定。 它决定霍尔电势的强弱。 （2）灵敏度： 设
RH KH d
IB U H RH d
则 KH 既为霍尔元件的灵敏度
9
UH＝KH IB
UH KH IB
霍尔元件的灵敏度就是指在单位磁感应强度和单位控制电流作用时， 所能输出的霍尔电势的大小。
UH =KHIBcos
6
2. 工作原理
霍尔效应是物质中的运动电荷受磁场中洛仑兹（Lorentz)力作用而产生 的一种特性。
霍尔元件(设为N 型半导体)臵于磁场B中，当通以电流I 时，运动电荷 （载流子电子）受磁场中洛仑兹力fL 的作用，向垂直于B 和电流I的方向偏 移，其方向符合右手螺旋定律，即运动电荷（电子）有向某一端积聚的现 象，使霍尔元件一端面产生负电荷积聚，另一端面则为正电荷积聚。由于 电荷聚积，产生静电场，该静电场对运动电荷（电子）的作用力fE 与洛仑兹 力fL方向相反，阻止其偏转，当二力相等时，电荷积累达到动态平衡，此时
磁场强度。由于 UGN3501M 的灵敏度为
14mV ／ mT ，则在 0~50A 电流范围内， 其输出电压变化为0~4.2V。
22
霍尔钳形电流表（交直流两用）
豁口
压舌
霍尔式电流谐波分析仪
23
3. 霍尔高斯计（特斯拉计）
磁铁
霍尔元件
在磁场强度为0.1T时，UGN3501M 的典型输出电压为1400mV，因此可以 制成0.1T的高斯计，如图所示。电源电 压为8~16V。在5、6脚接一个 20的调 零电位器，在1、8脚接一可调灵敏度的10k电位器及内阻常数最小 为10k/V的电压表。若在5、 6两脚上各接一只47电阻后，再接 20电位器，其线性范围可达0.3T。
过霍尔元件，从而产 生与电流成正比的霍
线性霍尔IC
尔电压。
I→B→UH
21
下面以 UGN3501M 霍尔传感器为例，
阐明其测量电流的原理。
标准软磁材料圆环中心直径为40mm， 截面积为 4×4mm2 （方形），圆环上有
一缺口，放入霍尔传感器，圆环上绕有
11 匝线，并通过检测电流。根据磁路理 论，可以算出电流为50A时，可产生0.3T
UH＝KH IB
基本电路
ห้องสมุดไป่ตู้
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
UH ，所以在测量中，可以把 I 和 B 的乘积，或者 I ，或者 B 作为 输入信号，则霍尔元件的输出电势分别正比于 I B 或 I 或 B 。
11
2. 霍尔元件的驱动方式
霍尔元件的控制电流可以采用恒流驱动或恒压驱动。
磁敏式传感器是利用半导体中的自由电子或空穴随磁场改变运动方向这 一特性而制成的一种传感器。分为体型和结型两大类。
体型：霍尔传感器（InSb,InAs,Ge,Si,GaAs）和磁敏电阻（InSb,InAs）; 结型：磁敏二极管（Ge,Si）、磁敏三极管（Si）。 9.1 霍尔传感器 9.2 磁敏电阻 9.3 结型磁敏管
当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔器件。
14
三、集成霍尔器件
将霍尔元件及其放大电路、温度补偿电 路和稳压电源等集成在一个芯片上构成独立 器件 ——集成霍尔器件（也称集成霍尔传感 器） 。 不仅尺寸紧凑便于使用，而且有利于减 小误差，改善稳定性。 根据功能的不同，集成霍尔器件分为霍 尔线性集成器件和霍尔开关集成器件两类。 尽管硅的载流子浓度较小，制作霍尔元件时灵敏度较低，但是由 于硅集成电路工艺非常成熟，所以仍把硅材料作为集成霍尔传感器的 主要材料。
26
霍尔式接近开关用于限位作用
在右图中，当磁铁随运动部件移动到 距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出 由高电平变为低电平，经驱动电路使继电 器吸合或释放，控制运动部件停止移动， 起到限位的作用。
霍尔式接近开关用于转速测量
f n 60 ( r / min) 4
软铁分流翼片
开关型霍尔IC
27
5. 霍尔转速传感器
24
4. 霍尔计数装置（接近开关）
UGN3501T具有较高的灵敏度，能感受到很小的磁场变化，因 而可以检测铁磁物质的有无，利用这一特性可以制成计数装臵。
从图中还可以看出，霍尔元件也是一种接近开关。
25
霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近、并 达到动作距离时，霍尔式接近开 关动作。霍尔接近开关一般还配 一块钕铁硼磁铁（永磁）。 用开 关型霍尔IC也能完成接近开关的 功能，但是它只能用于铁磁材料 的检测，并且还需要建立一个较 强的闭合磁场。
由于材料电阻率与载流子浓度和其迁移率 有关，即 1 1 或 ne pe RH 则 ，于是得到 RH＝。
要想霍尔电势强，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，但其载流子 迁移率低。因此，只有半导体材料为最佳的霍尔传感器材料。
1.位移测量 3.霍尔高斯计 5.霍尔转速传感器 7.霍尔电机 2.霍尔电流传感器 4.霍尔计数装置（接近开关） 6.霍尔开关电子点火器 8.液位控制
18
1．位移测量
霍尔位移传感器可制成两种结构。在梯度磁 场中放臵一个霍尔元件。当控制电流 I 恒定不变时， 霍尔电势UH 与磁感应强度成正比；若磁场在一定 范围内沿x方向的变化梯度 dB / dx 为一常数，则当 霍尔元件沿 x 方向移动时，霍尔电势变化为
1
9.1 霍尔传感器
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。
1879 年美国物理学家霍尔（ E.H.Hall ）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。 随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件, 由于它 的霍尔效应显著而得到应用和发展。
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。
（a）
（b）
13
4. 霍尔电势的输出电路
霍尔元件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏 量级，在实际使用时必须加差分放大器。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，输出电路有两种结构。
（a）线性应用
（b）开关应用
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。
优点：灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小、重量轻、 寿命长、安装方便、功耗小、频率高（可达1MHz）、耐高温、 耐震动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 已广泛应用于非电量测量、自动控制、计算机装臵和现代军 事技术等各个领域。
2
按功能可将它们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件 。前者 输出模拟量，后者输出数字量。 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、位臵重复精度高（可达m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℃。
一、霍尔效应和工作原理
二、霍尔元件的应用电路
三、集成霍尔器件 四、霍尔传感器的应用
3
一、霍尔效应和工作原理
1. 霍尔效应
霍尔效应原理图
图形符号
一块半导体薄片，其长度为l ，宽度为b ，厚度为d ，当它被臵 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UH，这一现象称为霍尔效 应，该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。
（a）恒流驱动
（b）恒压驱动
12
3. 霍尔元件的连接方式
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。 图（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片的两倍。 图（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9章 磁敏传感器
磁电式传感器是通过磁电作用将被测非电量转换成电信号的一种传感器。 主要有磁电感应式传感器、磁栅式传感器和磁敏式传感器。 磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电势，该类 传感器只适用于动态测量，可直接测量振动物件的速度或旋转体的角速度。 磁栅式传感器是利用磁头和磁栅相对移动，从而在磁头上感应出电信号， 此类传感器属于数字式传感器的一种。
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。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件的厚度 d 与 KH 成反比，因此，霍尔元件的厚度越小其灵敏度越高（一般0.1mm）。
10
二、霍尔元件的应用电路
1. 基本测量电路
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的内阻。
15
1. 霍尔线性集成器件
霍尔线性集成器件的输出电压与外加磁场强度在一定范围内呈线 性关系，有单端输出和双端输出（差动输出）两种电路。其内部结构 如图所示。
16
2. 霍尔开关集成器件
开关型集成霍尔传感器是把霍尔器件的电压经过一定的阈值甄别处 理和放大，而输出一个高电平或低电平的数字信号。 由霍尔元件、放大器、施密特整形电路和集电极开路输出等部分组 成。 BOP为工作点“开”的磁场强度， BRP为释放点“关”的磁场强度。 锁定型：当磁场强度超过工作点开时，其输出导通；而在磁场撤销 后，其输出状态保持不变，必须施加反向磁场并使之超过释放点，才能 使其关闭。
19
2. 霍尔电流传感器（霍尔传感器测电流）
霍尔传感器广泛用于测量电流，从而可以制成电流过载检测器 或过载保护装臵；在电机控制驱动中，作为电流反馈元件，构成电 流反馈回路。