霍尔传感器的工作原理及实际应用论文

《工程测试技术基础》

论文题目：霍尔传感器的工作原理及实际应用班级：

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霍尔传感器的工作原理及实际运用

谭振超

摘要：霍尔器件是一种磁传感器。用它们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。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。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、位置重复精度高（可达μm 级）。取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℃。

关键词：霍尔器件；霍尔效应；检测；补偿；

1霍尔传感器的工作原理

按照霍尔器件的功能可将它们分为: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。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

霍尔线性电路, 它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B 成比例，它的功能框图和输出特性示于图2 和图3。

图 2 霍尔线性电路的功能框图

图 3 霍尔线性电路UGN3501 的磁电转换特性曲线差动霍尔电路(双霍尔电路)，它的霍尔电压发生器由一对相距2.5mm 的霍尔元件组成，其功能框图见图6。

图 6 差动霍尔电路的工作原理图

使用时在电路背面放置一块永久磁体，当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时，一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反，经差分放大后，使器件灵敏度大为提高。用这种电路制成的汽车齿轮传感器具有极优的性能。

霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。由霍尔效应原理可知, 当霍尔片处于磁场中, 并在垂直于磁场的方向上通以电流时, 霍尔片上与电流和磁场垂直的方向上将会有霍尔电势差V H= K B I输出. 当通过霍尔片的电流恒定不变时, 改变磁场的大小, 可以改变霍尔电势差V H.开关型霍尔传感器由稳压器A、硅霍尔片B、差分放大器C、

施密特触发器D和OC门输出E 五部分组成, 如图1 所示. 从输入端1 输入电压VCC, 经稳压器A 稳压后加在硅霍尔片B的两端, 以提供恒定不变的工作电流. 在垂直于霍尔片的感应面方向施加磁场, 产生霍尔电势差V H,该V H信号经差分放大器C放大后送至施密特触发器 D 整形. 当磁场达到“工作点”( 即Bop) 时, 触发器D 输出高电压( 相对于地电位) , 使三极管E导通, 输出端V o输出低电位,此状态称为“开”.

图1开关型霍尔传感器构成

当施加的磁场达到“释放点”( 即Brp) 时, 触发器 D 输出低电压, 使三极管E截止, 输出端V o 输出高电位, 此状态称为“关”.这样 2 次高低电位变换, 使霍尔传感器完成了1 次开关动作. 如图 2 所示. Bop- B rp称为磁滞.在此差值内, 输出电位Vo保持高电位或低电位不变, 因而输出稳定可靠.

图2开关型霍尔传感器输出电压与外加磁感应强度关系

2 霍尔传感器测量的物理量及应用范围

霍尔元件可以测量磁物理量及电量，还可以通过转换测量其他非电量。

霍尔元件在工程技术上的应用相当广泛，如测量技术、无线电技术、计算机技术及自动控制技术等。具体的应用产品有高斯计在、霍尔逻盘、大电流计、功率计、调制器、位移传感器、微波功率计、频率倍增器、回转器、乘法器、磁带或磁鼓读出器以及霍尔马达等。

3 开关型霍尔传感器的工程实现

开关型霍尔传感器的设计方案很多, 这里提供一种工程上实用的实施方案.

3. 1元件的选择与确定

硅霍尔片灵敏度K = 21. 7mV/ ( mA·T ) ,工作电流的范围为0～10mA, 本文将工作电流定为4mA.选用的磁钢是直径为D-= 11. 812m m,厚度为h-= 3. 806mm 的钕铁硼.选用的施密特触发器为CD40106( 六反相器) . 当电源电压为VCC= 15V 时, 触发器正触发的阈值电压为8. 3V, 负触发的阈值电压为5. 2V( 实测) .

初步选定霍尔开关的“工作点”为Bop=70mT ,此时磁钢与霍尔片的距离为r =4. 2m m. 根据霍尔效应原理, 当Bop= 70mT 时,霍尔电势差为VH= 6. 1mV. 若要使D 触发器输出转换为高电平, 它的输入要大于8. 3V,要将V H放大 1 360 倍以上. 由此增益推出, 若要使 D 触发器输出转换为低电平, 它的输入要小于5. 2V, 对应的VH 小于 3. 8mV, “释放点”为B rp= 44mT ,此时磁钢与霍尔片的距离为r =5. 4m m.硅霍尔片提供的差模直流信号V H放大后要用单端方式输出, 虽然它的差模信号只有几m V, 但是共模噪声可高达几V, 且差模信号的放大倍数要求上千倍之高, 因此放大器减小输入漂移、噪声的能力和抑制共模信号的能力等因素对总的精度至关重要. 考虑到上述这些特点, 若采用单级放大, 一个微小的扰动都会使输出达到饱和, 而且单级放大倍数过大容易引起线路自激振荡, 同时降低频带宽度. 通过对多种方案的试验、比较, 我们认为应该采用多级放大, 本实验中采用的 2 级放大的高输入阻抗差分放大器效果最好.所设计的开关型霍尔传感器的电路如图3所示, 其中: A1～A4 运算放大器全部采用±15V电源.3. 2差分放大器的设计3. 2. 1输入电阻仅使用 2 个放大器的高输入阻抗放大电路如图 3 中的虚线框( 1) 部分, 它是 2 个同相放大器的简单串联组合, 差动输入信号从 2 个放大器的同相端送入, 从而获得很高的输入电阻. 根据运算放大器的理论知识, 由图 3 不难看出, 差动输入电阻几乎就是2个运算放大器的共模输入电阻之和. 当A1, A2 的共模输入电阻rC相等时, 本电路的差动输入电阻可表示为r id≈2rC ( 1)共模输入电阻为r iC ≈12rC ( 2)

3.2差分放大电路的增益