自动检测技术霍尔传感器论文

焦作大学

自

动

检

测

技

术

霍

尔

传

感

器

机电工程学院

电气自动化四班

姓名：乔永生

学号：100101434

2011年12月

摘要

在工业生产和试验过程中，经常会遇到各种转速的测量和控制

问题。多数情况下可以通过电磁或光电等方法，将转速测量转变为

频率测量。测量频率的方法有很多，不同的方法各有不同的适用范围。近年来随着电子技术的迅速发展，工业测控设备不断更新，频

率测量的方法和设备也有新的进展。在实际应用中，选择不同的技

术设计方案，效果可能相差甚远。本文以普通电机的转速测量为例，利用霍尔传感器作为转速检测元件，并利用设计的调试电路对霍尔

转速传感器输出的信号进行滤波和整形,在经过频率测试仪的分析得

到电机的转速。实际测试表明，该霍尔传感器测试系统能满足普通

的电机转速测试要求。

一引言

近年来，随着科技的发展，各种用电设备增多，用电量越来越大，用电环境需求精密，对电流的检测要求日益严格，为了自动检

测和显示电流，并在过流、过压等危害情况发生时具有自动保护功

能和更高级的智能控制，具有传感检测、传感采样、检测电流或电

压的传感器，即霍尔感器便日益被广泛应用于变频调速装置、逆变

装置、UPS电源、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机

监测系统、电网监控系统和需要隔离检测大电流、电压的各个领域中。

霍尔转速传感器的应用优势：

霍尔转速传感器的应用优势主要有三个，一是霍尔转速传感器

的输出信号不会受到转速值的影响，二是霍尔转速传感器的频率相

应高，三是霍尔转速传感器对电磁波的抗干扰能力强，因此霍尔转

速传感器多应用在控制系统的转速检测中。

同时，霍尔转速传感器的稳定性好，抗外界干扰能力强，如抗

错误的干扰信号等，因此不易因环境的因素而产生误差。霍尔转速

传感器的测量频率范围宽，远远高于电磁感应式无源传感器。另外，霍尔转速传感器在防护措施有效的情况下，可以不受电子、电气环

境影响。

霍尔转速传感器的测量结果精确稳定，输出信号可靠，可以放

油、防潮，并且能在温度较高的环境中工作，普通霍尔转速传感器

的工作温度可以达到100℃。霍尔转速传感器的安装简单，使用方

便，能实现远距离传输。

霍尔转速传感器目前在工业生产中的应用很是广泛，例如电力、

汽车、航空、纺织和石化等领域，都采用霍尔转速传感器来测量和

监控机械设备的转速状态，并以此来实施自动化管理与控制。

二 工作原理

2.1霍尔效应原理

将一块半导体或导体材料，沿Z 方向加以磁场，沿X 方向通以工

作电流I ，则在Y 方向产生出电动势，如图1所示，这现象称为

霍尔效应。称为霍尔电压。

B H V H V

(a) (b)

图1 霍尔效应原理图

实验表明，在磁场不太强时，电位差与电流强度I 和磁感应

强度B 成正比，与板的厚度d 成反比，即

(1)

或

(2)

式（1）中称为霍尔系数，式（2）中称为霍尔元件的灵敏度，

单位为mv / (mA ·T)。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运

动的带电粒子即载流子（N 型半导体中的载流子是带负电荷的电子，

P 型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑

兹力作用而产生的。

如图1（a ）所示，一快长为l 、宽为b 、厚为d 的N 型单晶薄

片，置于沿Z 轴方向的磁场中，在X 轴方向通以电流I ，则其中的载流子——电子所受到的洛仑兹力为

(3)

式中为电子的漂移运动速度，其方向沿X 轴的负方向。e 为电

H V d IB R V H H IB K V H H H R H K B j eVB B V e B V q F m V

子的电荷量。指向Y 轴的负方向。自由电子受力偏转的结果，向

A 侧面积聚，同时在

B 侧面上出现同数量的正电荷，在两侧面间形

成一个沿Y 轴负方向上的横向电场（即霍尔电场），使运动电子

受到一个沿Y 轴正方向的电场力，A 、B 面之间的电位差为（即

霍尔电压），则

(4)

将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有

即

得

(5) 此时B 端电位高于A 端电位。

若N 型单晶中的电子浓度为n ，则流过样片横截面的电流

I =nebdV

得

(6)

将(6)式代入(5)式得

(7) 转速测量原理：

m F H E e F H V j b V e j eE E e E q F H H H H e 0 e m F F 0 j b V e j eVB H b V e eVB H VBb V H nebd I V IB K d IB R IB ned V H H H 1

霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为 l 、ｂ、ｄ。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ｄ）方向施加外磁场Ｂ，在沿ｌ方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：qVB f

式中：f —洛仑磁力， ｑ—载流子电荷， Ｖ—载流子运动速度， Ｂ—磁感应强度。

这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差H U 称为霍尔电压。

霍尔电压大小为： H U H R d B I / (mV)

式中：H R —霍尔常数， ｄ—元件厚度， Ｂ—磁感应强度， Ｉ—控制电流

设 H K H R d /, 则H U =H K d B I / (mV)

H K 为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度Ｂ反向时，霍尔电动势也反向。下图为霍耳元件的原理结构图。

若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而

变化，根据这一原理，可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢