霍尔传感器的原理及应用

第八章霍尔传感器

课题：霍尔传感器的原理及应用课时安排：2 课次编号：12 教材分析

难点：开关型霍尔集成电路的特性

重点：霍尔传感器的应用

教学目的和要求1、了解霍尔传感器的工作原理；

2、了解霍尔集成电路的分类；

3、掌握线性型和开关型霍尔集成电路的特性；

4、掌握霍尔传感器的应用。

采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种霍尔元

件、霍尔传感器

各教学环节和内容

演示1：

将小型蜂鸣器的负极接到霍尔接近开关的OC门输出

端，正极接V cc端。在没有磁铁靠近时，OC门截止，蜂鸣

器不响。

当磁铁靠近到一定距离（例如3mm）时，OC门导通，

蜂鸣器响。将磁铁逐渐远离霍尔接近开关到一定距离（例

如5mm）时，OC门再次截止，蜂鸣器停响。

演示2：

将一根导线穿过10A霍尔电流传感器的铁芯，通入0.1~1A电流，观察霍尔IC的输出电压的变化，基本与输入电流成正比。

从以上演示，引入第一节霍尔效应、霍尔元件的工作原理。

第一节霍尔元件的工作原理及特性

一、工作原理

金属或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E H，这种现象称为霍尔效应（Hall Effect），该电动势称为霍尔电动势（Hall EMF），上述半导体薄片称为霍尔元件（Hall Element）。用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器（Hall Transducer）。

图8-1霍尔元件示意图

a）霍尔效应原理图b）薄膜型霍尔元件结构示意图c）图形符号d）外形霍尔属于四端元件：

其中一对（即a、b端）称为激励电流端，另外一对（即c、d端）称为霍尔电动势输出端，c、d端一般应处于侧面的中点。

由实验可知，流入激励电流端的电流I越大、作用在薄片上的磁场强度B越强，霍尔电动势也就越高。霍尔电动势E H可用下式表示

E H=K H IB（8-1）式中K H——霍尔元件的灵敏度。

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θ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B cosθ，这时的霍尔电动势为

E H=K H IB cosθ（8-2）

从式（8-2）可知，霍尔电动势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电动势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电动势为同频率的交变电动势。

目前常用的霍尔元件材料是N型硅，霍尔元件的壳体可用塑料、环氧树脂等制造。

二、主要特性参数

（1）输入电阻R i恒流源作为激励源的原因：霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。它的数值从几十欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高，输入电阻变小，从而使输入电流I ab变大，最终引起霍尔电动势变大。使用恒流源可以稳定霍尔原件的激励电流。

（2）最大激励电流I m激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电动势的温漂增大，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。

提问：霍尔原件的最大激励电流I m为宜。

A．0mA B．±0.1 mA C．±10mA D．100mA

（4）最大磁感应强度B m磁感应强度超过B m时，霍尔电动势的非线性误差将明显增大，B m的数值一般小于零点几特斯拉。

提问：为保证测量精度，图8-3中的线性霍尔IC的磁感应强度不宜超过为宜。

A．0T B．±0.10T C．±0.15T D．±100Gs

第二节霍尔集成电路

霍尔集成电路（又称霍尔IC）的优点：体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小、对电源稳定性要求低等。

霍尔集成电路的分类：线性型和开关型两大类。

线性型的内部电路：

霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。

开关型霍尔集成电路的内部电路：

霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。

图8-2线性型霍尔集成电路

a）外形尺寸b）内部电路框图

图8-3线性型霍尔集成电路输出特性

图8-4开关型霍尔集成电路

a）外形尺寸b）内部电路框图

图8-5开关型霍尔集成电路的史密特输出特性

注：1特斯拉（T）＝104高斯（Gs）

提问：磁铁从远到近，逐渐靠近图8-5所示的开关型霍尔IC，问，多少高斯时，输出翻转？成为什么电平？

表8-1具有史密特特性的OC门输出状态与磁感应强度变化之间的关系

B/T OC门输出状态OC门接法

磁感应强度B的变化方向及数值

0 →0.02 →0.023 →0.03 →0.02 →0.016 →0

接上拉电阻R L高电平①高电平②低电平低电平低电平③高电平高电

不接上拉电阻R L高阻态高阻态低电平低电平低电平高阻态高

①：OC门输出的高电平电压由V CC决定；

②、③：OC门的迟滞区输出状态必须视B的变化方向而定.

第三节霍尔传感器的应用

霍尔电动势是关于I、B、θ三个变量的函数，即E H=K H IB cosθ，使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量、其余两个量都作为变量，三个变量的多种组合等。

1）维持I、θ不变，则E H=f(B），这方面的应用有：测量磁场强度的高斯计、测量转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔加速度计、微压力计等。

2）维持I、B不变，则E H=f(θ），这方面的应用有角位移测量仪等。

3）维持θ不变，则E H=f(IB），即传感器的输出E H与I、B的乘积成正比，这方面的应用有模拟乘法器、霍尔功率计、电能表等。

1．角位移测量仪

角位移测量仪结构示意图如图8-8所示。霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电动势E H就反映了转角θ的变化。