第7章霍尔传感器
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▪ 在电磁测量中，用它测量恒定的或交变的磁感应强度、 有功功率、无功功率、相位、电能等参数；在自动检 测系统中，多用于位移、压力的测量。
1）霍尔接近开关
➢ 霍尔接近开关是一个无接触磁控开关，当磁铁靠近时， 开关接通；当磁铁离开后，开关断开。
常见霍尔接近开关实物图：
2）霍尔式压力传感器
➢ 霍尔元件组成的压力传感器包括两部分：一部分是弹 性元件，如弹簧管或膜盒等，用它感受压力，并把它 转换成位移量；另一部分是霍尔元件和磁路系统。
第7章 霍尔传感器原理及其应用
7.1 概述 7.2 霍尔传感器的测量电路和误差分析 7.3 霍尔传感器的应用电路
7.1 概述
▪ 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美 国物理学霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应。
▪ 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。
▪ 霍尔传感器是基于霍尔效应将被测量（如电流、磁场、 位移、压力、压差、转速等）转换成电动势输出的传 感器。
▪ 霍尔式传感器结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、 动态范围大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于 微型化和集成化。在测量技术、自动化技术和信息处 理得到了广泛的应用。
7.1.1 霍尔元件的结构
➢ 下图中弹性元件是弹簧管，当被测压力发生变化时， 弹簧管端部发生位移，带动霍尔片在均匀梯度磁场中 移动，作用在霍尔片的磁场发生变化，输出的霍尔电 势随之改变。
3）霍尔式转速传感器
转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动 时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器可 在每一个小磁场通过时产生一个相应的脉冲，检测出 单位时间的脉冲数，便可知道被测转速。根据磁性转 盘上小磁铁数目就可确定传感器测量转速的分辨率。
➢ 在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有 c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接 处称为霍尔电极，要求欧姆接触，且电宽度与基片 长度之比小于0.1，否则影响输出。
➢ 霍尔元件的壳体上是用非导磁金属、陶瓷或环氧树 脂封装。
7.1.2 霍尔传感器的工作原理
➢ 半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方 向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的 两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该 电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。
路。其中一个桥为热敏电阻Rt，并且Rt与霍尔元件的 等效电路的温度特性相同。 ➢ 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，此时输出不等位电势，从而使B=0时的 总输出电压为零。
不等位电势的桥式补偿电路
7.3霍尔传感器的应用电路
▪ 霍尔元件具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽、 动态性能好和寿命长等许多优点，因而得到广泛应用。
测转角
汽车速度测量：
4）霍尔式汽车无触点点火装置 传统的机电汽缸点火装置使用机械式的分电器，
存在着点火时间不准确、触点易磨损等缺点。
采用霍尔开关无触点晶体管点火装置可以克服上 述缺点，提高燃烧效率。
作业：
1. 什么是霍尔效应？
2. 画出霍尔元件的基本测量电路，并说明该电路 的工作原理。
3. 霍尔传感器中不等位电势产生的原因？有哪些 补偿方法？
➢ 目前最常用的霍尔元件材料是鍺（Ge）、硅（Si）、 锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等半导体材料。
➢ 20世纪80年代末出现了一种新型霍尔元件——超晶格 结构（砷化铝/砷化稼）的霍尔器件，它可以用来测微 磁场。
➢霍尔元件由霍尔片、4根引线和壳体组成。
➢ 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，在它的长度方 向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引 线，通常用红色导线。其焊接处称为控制电流极。 要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接 触。
➢ 在安装测量电路时，热敏元件最好和霍尔元件封装在一起或尽 量靠近，以使二者的温度变化一致。
（a）在输入回路进行补偿
（b）在输出回路进行补偿
采用热敏元件的温度补偿电路
（3）不等位电势的补偿 ➢ 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至
超过霍尔电势。实用中，若想消除不等位电势是极其 困难的，因而只有采用补偿的方法。 ➢ 不等位电势由不等位电阻产生，因此可以用分析电阻 的方法找到一个不等位电势的补偿方法。
7.2 霍尔传感器的测量电路和误差分析
7.2.1 霍尔传感器的测量电路
➢ 霍尔元件的基本测量电路如图。控制电流I由电压源 E供给，R是调节电阻，用以根据要求改变I的大小。 所施加的外电场B一般与霍尔元件的平面垂直。控 制电流也可以是交流电。
霍尔元件的基本测量电路
7.2.2 霍尔传感器的误差分析
➢ 霍尔元件对温度的变化很敏感，因此，霍尔元件的 输入电阻、输出电阻、乘积灵敏度等将受到温度变 化的影响，从而给测量带来较大的误差。
（1）基本补偿电路
➢ 霍尔元件的不等位电势补偿电路有很多形式。
➢ 图a是在造成电桥不平衡的电阻值较大的一个桥臂上 并联RP，通过调节 RP 使电桥达到平衡状态，称为不 对称补偿电路
➢ 图b相当于在两个电桥臂上并联调用电阻，称为对称 补偿电路。
（a） 不对称补偿
（b） 对称电路
（2）具有温度补偿的补偿电路 ➢ 下图是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电
➢ 在垂直于外磁场B的方向上放置半导体薄片，当有电 流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场方向上将产生 霍尔电势EH。作用在半导体薄片上的磁场强度B越强， 霍尔电势EH也就越高。
B0
霍尔效应原理图
B0
7.1.3 霍尔传感器的命名方法 ▪ 国产霍尔元件型号命名的方法如图所示。
➢ 霍尔电势可用下式表示：
Байду номын сангаас
➢ 为了减少测量中的温度误差，除了选用温度系数小 的霍尔元件或采取一些恒温措施外，也可使用以下 的温度补偿方法。
（1）恒流源供电
恒流源温度补偿电路
（2）采用热敏元件
➢ 对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，可采用以 下温度补偿电路。
➢ 图a是在输入回路进行温度补偿； ➢ 图b是在输出回路进行温度补偿。
EH =KHIB
➢ KH——霍尔器件的灵敏度，它表示霍尔器件在单位磁 感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小。
KH =1/ned
➢ 当磁场和环境温度一定时，霍尔元件输出的霍尔电势 EH与控制电流 I成正比。
➢ 当控制电流和环境温度一定时，霍尔元件的输出电势 与磁感应强度B的乘积成正比。
7.1.4 霍尔传感器的特性参数 1）额定控制电流与最大控制电流 2）输入电阻和输出电阻 3）乘积灵敏度 4）不等位电势和不等位电阻
霍尔元件的等效电路
➢ 由于矩形霍尔片有两对电极，各个相邻电极之间有4 个电阻R1，R2，R3，R4，因而可把霍尔元件视为一个 4臂电阻电桥，这样不等位电势就相当于电桥的初始 不平衡输出电压。
➢ 理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于 R1=R2=R3=R4 ，则所有能够使电桥达到平衡的方法均 可用于补偿不等位电势，使不等位电势为零。
1）霍尔接近开关
➢ 霍尔接近开关是一个无接触磁控开关，当磁铁靠近时， 开关接通；当磁铁离开后，开关断开。
常见霍尔接近开关实物图：
2）霍尔式压力传感器
➢ 霍尔元件组成的压力传感器包括两部分：一部分是弹 性元件，如弹簧管或膜盒等，用它感受压力，并把它 转换成位移量；另一部分是霍尔元件和磁路系统。
第7章 霍尔传感器原理及其应用
7.1 概述 7.2 霍尔传感器的测量电路和误差分析 7.3 霍尔传感器的应用电路
7.1 概述
▪ 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美 国物理学霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应。
▪ 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。
▪ 霍尔传感器是基于霍尔效应将被测量（如电流、磁场、 位移、压力、压差、转速等）转换成电动势输出的传 感器。
▪ 霍尔式传感器结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、 动态范围大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于 微型化和集成化。在测量技术、自动化技术和信息处 理得到了广泛的应用。
7.1.1 霍尔元件的结构
➢ 下图中弹性元件是弹簧管，当被测压力发生变化时， 弹簧管端部发生位移，带动霍尔片在均匀梯度磁场中 移动，作用在霍尔片的磁场发生变化，输出的霍尔电 势随之改变。
3）霍尔式转速传感器
转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动 时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器可 在每一个小磁场通过时产生一个相应的脉冲，检测出 单位时间的脉冲数，便可知道被测转速。根据磁性转 盘上小磁铁数目就可确定传感器测量转速的分辨率。
➢ 在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有 c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接 处称为霍尔电极，要求欧姆接触，且电宽度与基片 长度之比小于0.1，否则影响输出。
➢ 霍尔元件的壳体上是用非导磁金属、陶瓷或环氧树 脂封装。
7.1.2 霍尔传感器的工作原理
➢ 半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方 向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的 两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该 电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。
路。其中一个桥为热敏电阻Rt，并且Rt与霍尔元件的 等效电路的温度特性相同。 ➢ 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，此时输出不等位电势，从而使B=0时的 总输出电压为零。
不等位电势的桥式补偿电路
7.3霍尔传感器的应用电路
▪ 霍尔元件具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽、 动态性能好和寿命长等许多优点，因而得到广泛应用。
测转角
汽车速度测量：
4）霍尔式汽车无触点点火装置 传统的机电汽缸点火装置使用机械式的分电器，
存在着点火时间不准确、触点易磨损等缺点。
采用霍尔开关无触点晶体管点火装置可以克服上 述缺点，提高燃烧效率。
作业：
1. 什么是霍尔效应？
2. 画出霍尔元件的基本测量电路，并说明该电路 的工作原理。
3. 霍尔传感器中不等位电势产生的原因？有哪些 补偿方法？
➢ 目前最常用的霍尔元件材料是鍺（Ge）、硅（Si）、 锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等半导体材料。
➢ 20世纪80年代末出现了一种新型霍尔元件——超晶格 结构（砷化铝/砷化稼）的霍尔器件，它可以用来测微 磁场。
➢霍尔元件由霍尔片、4根引线和壳体组成。
➢ 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，在它的长度方 向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引 线，通常用红色导线。其焊接处称为控制电流极。 要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接 触。
➢ 在安装测量电路时，热敏元件最好和霍尔元件封装在一起或尽 量靠近，以使二者的温度变化一致。
（a）在输入回路进行补偿
（b）在输出回路进行补偿
采用热敏元件的温度补偿电路
（3）不等位电势的补偿 ➢ 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至
超过霍尔电势。实用中，若想消除不等位电势是极其 困难的，因而只有采用补偿的方法。 ➢ 不等位电势由不等位电阻产生，因此可以用分析电阻 的方法找到一个不等位电势的补偿方法。
7.2 霍尔传感器的测量电路和误差分析
7.2.1 霍尔传感器的测量电路
➢ 霍尔元件的基本测量电路如图。控制电流I由电压源 E供给，R是调节电阻，用以根据要求改变I的大小。 所施加的外电场B一般与霍尔元件的平面垂直。控 制电流也可以是交流电。
霍尔元件的基本测量电路
7.2.2 霍尔传感器的误差分析
➢ 霍尔元件对温度的变化很敏感，因此，霍尔元件的 输入电阻、输出电阻、乘积灵敏度等将受到温度变 化的影响，从而给测量带来较大的误差。
（1）基本补偿电路
➢ 霍尔元件的不等位电势补偿电路有很多形式。
➢ 图a是在造成电桥不平衡的电阻值较大的一个桥臂上 并联RP，通过调节 RP 使电桥达到平衡状态，称为不 对称补偿电路
➢ 图b相当于在两个电桥臂上并联调用电阻，称为对称 补偿电路。
（a） 不对称补偿
（b） 对称电路
（2）具有温度补偿的补偿电路 ➢ 下图是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电
➢ 在垂直于外磁场B的方向上放置半导体薄片，当有电 流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场方向上将产生 霍尔电势EH。作用在半导体薄片上的磁场强度B越强， 霍尔电势EH也就越高。
B0
霍尔效应原理图
B0
7.1.3 霍尔传感器的命名方法 ▪ 国产霍尔元件型号命名的方法如图所示。
➢ 霍尔电势可用下式表示：
Байду номын сангаас
➢ 为了减少测量中的温度误差，除了选用温度系数小 的霍尔元件或采取一些恒温措施外，也可使用以下 的温度补偿方法。
（1）恒流源供电
恒流源温度补偿电路
（2）采用热敏元件
➢ 对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，可采用以 下温度补偿电路。
➢ 图a是在输入回路进行温度补偿； ➢ 图b是在输出回路进行温度补偿。
EH =KHIB
➢ KH——霍尔器件的灵敏度，它表示霍尔器件在单位磁 感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小。
KH =1/ned
➢ 当磁场和环境温度一定时，霍尔元件输出的霍尔电势 EH与控制电流 I成正比。
➢ 当控制电流和环境温度一定时，霍尔元件的输出电势 与磁感应强度B的乘积成正比。
7.1.4 霍尔传感器的特性参数 1）额定控制电流与最大控制电流 2）输入电阻和输出电阻 3）乘积灵敏度 4）不等位电势和不等位电阻
霍尔元件的等效电路
➢ 由于矩形霍尔片有两对电极，各个相邻电极之间有4 个电阻R1，R2，R3，R4，因而可把霍尔元件视为一个 4臂电阻电桥，这样不等位电势就相当于电桥的初始 不平衡输出电压。
➢ 理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于 R1=R2=R3=R4 ，则所有能够使电桥达到平衡的方法均 可用于补偿不等位电势，使不等位电势为零。