传感器与检测技术(演示版教材)
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用。
普通直流电动机使 用的电刷和换向器
电子与信息工程学院控制科学与工程系
无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车
无刷电动机
可充电电池组
无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材 料；三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆 变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转子之间产生 连续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。
电子与信息工程学院控制科学与工程系
（2）不等位电势补偿
当霍尔元件B=0，I≠0，UH=U0≠0。 这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。 产生这一现象的原因有:
① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； ② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不 均匀；
两电极电不在同一等电位面上
霍尔元件是一 种四端元件
电子与信息工程学院控制科学与工程系
定向运动的电子除受到洛仑兹力外，还受到霍尔电场的作用， 当fl=fE时，达到平衡，此时
B
b fE
fL v I E
FL eV B
FE
eEH
eUH b
evB e U H b
U H bvB
I
I nevbd v
f np 计数值N
N npt n N pt
电子与信息工程学院控制科学与工程系
5、霍尔式无刷电动机
霍尔式无刷电动机取消了换向器和 电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定 子之间的相对位置，其输出信号经放大 、整形后触发电子线路，从而控制电枢 电流的换向，维持电动机的正常运转。 由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨 损等问题，所以它在录像机、CD唱机、 光驱等家用电器中得到越来越广泛的应
等电位面歪斜
电子与信息工程学院控制科学与工程系 不等位电势补偿的方法
理想情况下, R1=R2=R3=R4, U0＝0
由于不等位电阻的存在,说明此四个电阻值不相等, 则 电桥不平衡。为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂 上并联电阻，或在两个桥臂上同时并联电阻。
电子与信息工程学院控制科学与工程系
电子与信息工程学院控制科学与工程系
基本电路
RW调节控制电流的大小。 RL为负载电阻，可以是放大器的内阻或指示器内阻。 霍尔效应建立的时间极短（10-12～10-14S），I即可以是直
流，也可以是交流。 若被测物理量是I、B或者IB乘积的函数，通过测量霍尔电
势UH就可知道被测量的大小。
同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系
传感器与检测技术
主讲教师：苏永清
1
电子与信息工程学院控制科学与工程系
物理现象观察
霍尔效应
电子与信息工程学院控制科学与工程系
电子与信息工程学院控制科学与工程系
第8章 霍尔传感器
霍尔传感器是基于霍尔效应的一种 传感器。1879年美国物理学家霍尔首 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。霍尔传感器广泛用于电磁测量、 压力、加速度、振动等方面的测量。
电子与信息工程学院控制科学与工程系
二、元件特性及其补偿
（1）UH-I特性
UH
IB ned
kH IB kI
dU H dI
Bc kH B
分析：
1.UH-I特性曲线是线性的；
2.kI-kH成正比∴ kI∝1/d，∴kI大 的元件，d小，不能通过较大电 流，UH∝I不一定高，
电子与信息工程学院控制科学与工程系
（2）UH-B特性
kB
UH (B) U H (B0 )
当控制电流恒定时，霍尔元件的 输出随B增加并不完全是线性关 系，B＜0.5T时， UH-B才呈较好 线性。其中Hz-4型元件线性度高 。
当磁场为交变、电流是直流时， 由于交变磁场在导体内产生涡流 而输出附加霍尔电势，因此霍尔 元件只能在几千Hz频率的交变磁 场内工作。
电子与信息工程学院控制科学与工程系
2、性能补偿 （1）温度补偿
霍尔元件是采用半导体材料制成的, 因此它们的 许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时, 霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔 系数都将发生变化, 从而使霍尔元件产生温度误 差。
1）采用恒温措施
电子与信息工程学院控制科学与工程系
四、霍尔传感器的应用
霍尔电势是关于I、B、 三个变量的 函数，即 EH=KHIBcos 。利用这个关系可
以使其中两个量不变，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。这使得霍尔传感器有许多用途 。
电子与信息工程学院控制科学与工程系
1、霍尔转速表
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，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的 转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输 出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转 速。
电子与信息工程学院控制科学与工程系
光驱用的无刷电动机内部结构
电子与信息工程学院控制科学与工程系
电子与信息工程学院控制科学与工程系
电子与信息工程学院控制科学与工程系
电子与信息工程学院控制科学与工程系
电子与信息工程学院控制科学与工程系
电子与信息工程学院控制科学与工程系
nebd
d
ห้องสมุดไป่ตู้
H
IB
IB
U H ned RH d kH IB
RH
1 ne
霍尔系数，材料确定后为常数
kH
RH d
灵敏度系数
对于导体，霍尔系数一般较小，故霍耳元件一般 用半导体制作，且愈小（薄），灵敏度愈高
电子与信息工程学院控制科学与工程系
霍尔元件基本结构
由霍尔片、引线和壳体组成, 如图所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、 1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′引线 为霍尔输出引线，称为霍尔电极。 霍尔元件壳体由非导磁金 属、陶瓷或环氧树脂封装而成。 在电路中霍尔元件可用两种 符号表示。
2）UH=KHIB：采用恒流源供电, 可以使霍尔电势稳 定（减小由于输入电阻R随温度t变化而引起的激励 电流I变化所带来的影响。）
电子与信息工程学院控制科学与工程系
3）热敏电阻补偿
➢霍尔元件一般具有正温度系数，即输出随温度升高而下 降，若能使控制电流随温度升高而上升。
➢输入回路串热敏电阻（当温度上升时其阻值下降，使 控制电流上升。） ➢输出回路补偿负载上得到的霍尔电势随温度上升而下 降被热敏电阻阻值减小所补偿。 ➢在使用时，热敏电阻或电阻丝最好和霍尔元件封在一起 或靠近，使它们温度变化一致。
霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）
中的应用
带有微 型磁铁
霍尔
的霍尔 传感器
钢质
若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危 险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状 态有助于控制刹车力的大小。
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另一种转速测量安装方法
磁性转盘的输入轴与被测转轴相连, 当被测转轴转动时, 磁 性转盘随之转动, 固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可 在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲, 检测出单位 时间的脉冲数, 便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目 的多少决定了传感器测量转速的分辨率。
f = np N = npt ⇒n = N / pt
线性霍尔
n 60 f 22
NS
磁铁
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霍尔转速表原理
当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿 过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势， 放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮 的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。
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普通直流电动机使 用的电刷和换向器
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无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车
无刷电动机
可充电电池组
无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材 料；三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆 变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转子之间产生 连续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。
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（2）不等位电势补偿
当霍尔元件B=0，I≠0，UH=U0≠0。 这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。 产生这一现象的原因有:
① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； ② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不 均匀；
两电极电不在同一等电位面上
霍尔元件是一 种四端元件
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定向运动的电子除受到洛仑兹力外，还受到霍尔电场的作用， 当fl=fE时，达到平衡，此时
B
b fE
fL v I E
FL eV B
FE
eEH
eUH b
evB e U H b
U H bvB
I
I nevbd v
f np 计数值N
N npt n N pt
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5、霍尔式无刷电动机
霍尔式无刷电动机取消了换向器和 电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定 子之间的相对位置，其输出信号经放大 、整形后触发电子线路，从而控制电枢 电流的换向，维持电动机的正常运转。 由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨 损等问题，所以它在录像机、CD唱机、 光驱等家用电器中得到越来越广泛的应
等电位面歪斜
电子与信息工程学院控制科学与工程系 不等位电势补偿的方法
理想情况下, R1=R2=R3=R4, U0＝0
由于不等位电阻的存在,说明此四个电阻值不相等, 则 电桥不平衡。为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂 上并联电阻，或在两个桥臂上同时并联电阻。
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基本电路
RW调节控制电流的大小。 RL为负载电阻，可以是放大器的内阻或指示器内阻。 霍尔效应建立的时间极短（10-12～10-14S），I即可以是直
流，也可以是交流。 若被测物理量是I、B或者IB乘积的函数，通过测量霍尔电
势UH就可知道被测量的大小。
同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系
传感器与检测技术
主讲教师：苏永清
1
电子与信息工程学院控制科学与工程系
物理现象观察
霍尔效应
电子与信息工程学院控制科学与工程系
电子与信息工程学院控制科学与工程系
第8章 霍尔传感器
霍尔传感器是基于霍尔效应的一种 传感器。1879年美国物理学家霍尔首 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。霍尔传感器广泛用于电磁测量、 压力、加速度、振动等方面的测量。
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二、元件特性及其补偿
（1）UH-I特性
UH
IB ned
kH IB kI
dU H dI
Bc kH B
分析：
1.UH-I特性曲线是线性的；
2.kI-kH成正比∴ kI∝1/d，∴kI大 的元件，d小，不能通过较大电 流，UH∝I不一定高，
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（2）UH-B特性
kB
UH (B) U H (B0 )
当控制电流恒定时，霍尔元件的 输出随B增加并不完全是线性关 系，B＜0.5T时， UH-B才呈较好 线性。其中Hz-4型元件线性度高 。
当磁场为交变、电流是直流时， 由于交变磁场在导体内产生涡流 而输出附加霍尔电势，因此霍尔 元件只能在几千Hz频率的交变磁 场内工作。
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2、性能补偿 （1）温度补偿
霍尔元件是采用半导体材料制成的, 因此它们的 许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时, 霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔 系数都将发生变化, 从而使霍尔元件产生温度误 差。
1）采用恒温措施
电子与信息工程学院控制科学与工程系
四、霍尔传感器的应用
霍尔电势是关于I、B、 三个变量的 函数，即 EH=KHIBcos 。利用这个关系可
以使其中两个量不变，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。这使得霍尔传感器有许多用途 。
电子与信息工程学院控制科学与工程系
1、霍尔转速表
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，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的 转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输 出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转 速。
电子与信息工程学院控制科学与工程系
光驱用的无刷电动机内部结构
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nebd
d
ห้องสมุดไป่ตู้
H
IB
IB
U H ned RH d kH IB
RH
1 ne
霍尔系数，材料确定后为常数
kH
RH d
灵敏度系数
对于导体，霍尔系数一般较小，故霍耳元件一般 用半导体制作，且愈小（薄），灵敏度愈高
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霍尔元件基本结构
由霍尔片、引线和壳体组成, 如图所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、 1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′引线 为霍尔输出引线，称为霍尔电极。 霍尔元件壳体由非导磁金 属、陶瓷或环氧树脂封装而成。 在电路中霍尔元件可用两种 符号表示。
2）UH=KHIB：采用恒流源供电, 可以使霍尔电势稳 定（减小由于输入电阻R随温度t变化而引起的激励 电流I变化所带来的影响。）
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3）热敏电阻补偿
➢霍尔元件一般具有正温度系数，即输出随温度升高而下 降，若能使控制电流随温度升高而上升。
➢输入回路串热敏电阻（当温度上升时其阻值下降，使 控制电流上升。） ➢输出回路补偿负载上得到的霍尔电势随温度上升而下 降被热敏电阻阻值减小所补偿。 ➢在使用时，热敏电阻或电阻丝最好和霍尔元件封在一起 或靠近，使它们温度变化一致。
霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）
中的应用
带有微 型磁铁
霍尔
的霍尔 传感器
钢质
若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危 险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状 态有助于控制刹车力的大小。
电子与信息工程学院控制科学与工程系
另一种转速测量安装方法
磁性转盘的输入轴与被测转轴相连, 当被测转轴转动时, 磁 性转盘随之转动, 固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可 在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲, 检测出单位 时间的脉冲数, 便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目 的多少决定了传感器测量转速的分辨率。
f = np N = npt ⇒n = N / pt
线性霍尔
n 60 f 22
NS
磁铁
电子与信息工程学院控制科学与工程系
霍尔转速表原理
当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿 过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势， 放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮 的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。
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