霍尔测速

1前言

霍尔传感器是基于霍尔效应的一种磁敏式传感器。霍尔效应1897年首次被美国物理学家霍尔在金属材料中发现，但由于霍尔效应在金属材料中太微弱而没有得到人们的重视及较好的应用。直到20世纪50年代，随着半导体技术的发展，利用半导体材料做成的霍尔元件的霍尔效应比较显著，从而霍尔效应被人们所重视和充分利用，霍尔式传感器得到了快速的应用和发展。目前霍尔传感器已经广泛的应用于电磁、电流、水位、速度、振动等的测量领域。

由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。

霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图1所示，是其中一种型号的外形图。

2霍尔元件

2.1霍尔元件及霍尔元件的命名方法

霍尔元件是根据霍尔效应进行磁电转换的磁敏元件，其典型的工作原理图如图所示。在金属或半导体薄片相对两侧面通以控制电流I ，在薄片垂直方向上施加电场B ，则在垂直于电流和磁场的方向上，即另两侧面会产生一个大小与控制控制电流I 和磁场B 乘积成正比的电压U H ，这一现象称为霍尔效应。所产生的电压U H 叫霍尔电压。即

IB K U H H

式中

K

H

------霍尔元件的灵敏度。

d

R

K

H

H

=

式中

R

H

------霍尔系数，它反映元件霍尔效应的强弱，有材料性质决定。单位

体积内导电粒子数越少，霍尔效应越强，半导体比金属导体霍尔 效应强，所以常采用半导体材料做霍尔元件；

d------霍尔元件的厚度;

图2霍尔效应原理

由上式可知对于材料和尺寸确定的元件，K H 保持常数，霍尔电压U H 仅与IB 的乘积成正比。利用这一特性，在恒定电流之下可用来测量磁感应强度B ；反之，在恒定的磁场之下，也可以用来测量电流I 。当

K

H

和B 恒定时，I 越大，

U

H

越大。同样，当

K

H

和I 恒定时 ，B 越大， U H 也越大。当所加磁场方向

改变时，霍尔电压U H 的符号也随之改变。当磁场方向不垂直于元件平面，而是与元件平面的法线成一角度θ时，实际作用于元件上的有效磁场是其法线方向的分量，即θcos B ，这时霍尔元件的输出为

θIB K U H H cos =

2.2霍尔元件的材料及结构

霍尔元件通常采用的半导体材料有N型锗（Ge），锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）、砷化镓（GaAs）及磷砷化铟（InAsP）、N型硅（Si）等。锑化铟元件的灵敏度最高，输出较大，但受温度影响也较大；砷化铟和锗元件输出虽然不如锑化铟大，但温度系数小，线性度也好；砷化镓元件的温度特性和输出特性好，但价格贵。目前使用锑化铟霍尔元件的场合较多。

霍尔元件的结构与其制造工艺有关。例如，体型霍尔元件是将半导体单晶材料定向切片，经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。而膜式霍尔元件则是在一块极薄（0.2mm）的基片上用蒸发或外延的方法制成一种半导体薄膜，然后再制作欧姆接触电极，焊接线，并最后封装。由于霍尔元件的几何尺寸及电极的位置和大小等均直接影响它输出的霍尔电压，所以在制作时都要很严格的要求。

2.3霍尔元件的技术参数

霍尔元件的主要技术参数如下。

（1）输入电阻R i

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，从而使输入电流变大，最终引起霍尔电压变化，为了减少这种影响，最好采用恒流源作为激励源。

（2）输出电阻R o

两个霍尔电压输出端之间的电阻称为输出电阻。它的数值与输入电阻同一数量级，它也随温度改变而改变。选择适当的负载电阻与之匹配，可以使由温度引起的霍尔电压的漂移减至最小。

（3）最大激励电流I M

由于霍尔电压随激励电流增大而增大，在应用中通常希望选用较大的激励电流I M,但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件温度升高，从而引起霍尔电压的温漂增大，因此，每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安到几百毫安。

（4）灵敏度K H

灵敏度IB U K M H =，它的数值约为10T ）（mA V m ?左右。 （5）最大磁感应强度B M

磁感应强度超过B M 时，霍尔电压的非线性误差将明显增大，B M 的数值一般为零点几特[斯特]（T ）或几千高斯（G s ）(1G s =T 104

-)

（6）不等位电压

在额定激励电流的作用下，当外加磁场为零时，霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电压，它是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的，使用时多采用电桥法来补偿不等位电压引起的误差。

（7）霍尔电压温度系数

在一定磁场强度和激励电流的作用下，温度每变化1度时，霍尔电压变化的百分数称为霍尔电压温度系数，它与霍尔元件的材料有关。

2.4霍尔元件的检测方法

一、电阻法：一般霍尔元件有立式和卧式两种，它们各脚之间阻值有一定关系，②、④脚间阻值等于③、④脚间阻值，①、②脚间阻值等于①、③脚间阻值。并且各脚之间阻值为300Ω～500Ω左右，正、反向测量无明显差别，否则该元件失效。

二、波形法：在通电的情况下，用示波器接到霍尔元件输出端，应有0.1Vp-p ～0.3Vp-p 的方波波形输出，其脉冲宽度应达到电路要求。

三、寻迹法：在通电的情况下，用手转动相应电机或带盘，把寻迹器接在霍尔元件输出端，应在喇叭中能听到脉冲放电声，否则该元件损坏。

四、模拟法：拆下待测霍尔元件，在其电源正、负端上加上额定电压2V ～5V ，用强磁性物体靠近元件表面并上下晃动，同时用示波器或寻迹器在输出端测其输出信号，如无，则该元件损坏。

3霍尔集成传感器

由霍尔元件及有关电路组成的传感器称为霍尔传感器。随着微电子技术的发展，目前霍尔传感器都已集成化，即把霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源或恒流电源等集成在一个芯片上，由于其外形与集成电路相同，故又称霍尔

集成电路。

霍尔传感器的霍尔材料仍以半导体硅作为主要材料，按其输出信号的形式可分为线性型和开关型两种。当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不等位电压小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔器件。

3.1线性型霍尔传感器

线性型霍尔传感器是将霍尔元件、恒流源、线性放大器和射极跟随器等做在同一芯片上，输出电压较高，它输出模拟量。

线性型霍尔传感器的特性

输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图3所示，可见，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。3.2开关型霍尔传感器

开关型霍尔传感器由稳压电路、霍尔元件、差分放大器，施密特触发器、OC 门等组成，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。它输出数字量。

开关型霍尔传感器的特性

如图4所示，其中B op为工作点“开”的磁感应强度，B rp为释放点“关”的磁感应强度。

当外加的磁感应强度B 超过霍尔元件磁场工作点B op 时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到工作点B op 以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点B rp 时，传感器才由低电平跃变为高电平。B op 与B rp 之间的滞后使开关动作更为可靠。

霍尔元件的磁场工作点B op 和释放点B rp 之差B ?为磁感应强度的回差宽度

B

op

和B ?是霍尔元件德尔两个重要参数。B op 越小，器件灵敏度越高；B ?越大，

器件抗干扰能力越强。霍尔元件所具备的回差特性使其抗干扰能力显著提高，外来杂散磁场干扰不易使其产生误动作。

4霍尔传感器的应用---霍尔测速仪

4.1系统结构图

此设计是利用测量A1302的磁电特性与磁钢产生的电压脉冲频率进而测量转速的，为了更精确方便的测量与显示脉冲频率，采用了频率转换电压电路，因此霍尔磁力测速仪的基本系统结构如图4所示，整个系统可以分为四个模块：检测脉冲产生模块、频率/电压转换模块、AD 转换模块和计算显示模块。在电机的转动轴上装上小磁钢，每当小磁钢经过霍尔传感器时就会产生一个脉冲，测量出脉冲数和测量时间，计算得到的频率就是我们要得到的转速，然后显示出来。

检测脉冲频率AD 计算显示产生模块

/电压转换模块

转换模块

模块

图4

霍尔磁力测速仪系统结构图

4.2检测脉冲产生模块

转动轴

霍尔传感器

图5 检测装置

检测脉冲产生模块如图5所示，在被测转速的转轴上装上齿盘，每当齿盘经过霍尔传感器时，就会引起传感器输出电压发生变化[2]。本设计选用A1302EUA-T 连续型比例式线性霍尔传感器,具有低噪声输出，灵敏度高，快速上电，温度稳定性好，寿命长，高可靠性等优点，非常适合用在线性目标移动和旋转目标移动的位置检测系统中。可精确提供与所适用磁场成比例的电压输出，灵敏度为1.3mv/G 。其静态输出电压为电源电压的50%，所以在信号进入频率/电压转换模块之前需要对变化量进行调零和放大，如图6所示

图 6 调零放大电路

此电路是用来实现两个电压相减的差分放大电路[3]，在理想运放条件下利用虚短和虚断的概念p n v v =，0i i =，可以得到：

V R R V R R R R R R V i i 1108211121112108

o 11-???? ?

?+

???? ?

?+=

在上式中，如果选取阻值满足8101211//R R R R =的关系，输出电压可简化为

()V V R

R V

1

i 2

i 10

8

o

-=

在图中我们可以看到两个输入电压分别为传感器输出电压和可变电阻16R 上的分压，在磁场强度为零时，传感器输出电压为电源电压的1/2，改变16R 的阻值，使

差分放大电路输出电压为零，达到调零效果。选取阻值满足8101211//R R R R =的关系，调整放大倍数，使输出电压在小磁钢经过传感器时幅度在1V 以上，这样就形成了检测脉冲信号FIN 。

4.3频率/电压转换模块

为了使系统能够更精确的测量频率（转速），本设计采用速度（频率）／电压转换芯片LM2907/LM2917只需接少量的外围元件即可构成模拟式转速表，LM2907为集成式频率／电压转换器，芯片中包含了比较器、充电泵、高增益运算放大器，能将频率信号转换为直流电压信号，将转速（频率）的变化与模拟信号输出相对应。

LM2907进行频率倍增时只需使用一个RC 网络；以地为参考点的转速计（频率）输入可直接从输入管脚接入；运算放大器／比较器采用浮动三极管输出；最大50mA 的输出电流可驱动开关管、发光二极管等；内含的转速计使用充电泵技术，对低纹波有频率倍增功能；比较器的滞后电压为30mV 利用这个特性可以抑制外界干扰；输出电压与输入频率成正比，线性度典型值为±0.3%；具有保护电路，不会受高于Vcc 值或低于地参考点输入信号的损伤；在零频率输入时，LM2907的输出电压可根据外围电路自行调节；当输入频率达到或超过某一给定值时，可将输出用于驱动继电器、指示灯等负载。应用电路如图7所示

图 7 频率电压转换电路

当充电泵把从输入级输入来的频率转换成为直流电压时，需外接定时电容

4C 、输出电阻14R 以及积分电容或滤波电容7C ，当第一级输出的状态发生改变时

（这种情况可能发生在输入端上有合适的过零电压或差分输入电压时），定时电容在电压差/2cc V 的两电压值之间被线性地充电或放电，在输入频率信号的半周期中，定时电容上的电荷变化量为4*/2cc C V ，泵入电容中的平均电流或流出电容中的平均电流为：

()V C F AVG T Q cc 4in c i ??==?

输出电路把这一电流准确地送到负载电阻（输出电阻）14R 中，14R 电阻的另一端

接地，这样滤波后的电流被滤波电容积分后得到输出电压：

K R

C F V V ????=14

4

in

cc

o

其中Ｋ为增益常数，典型值为１。电容7C 的值取决于纹波电压的大小和实际应用中所需要的响应时间。输出精度0/V FIN 也可根据实际应用中所测量的频率大小来决定。图7所示电路的输出灵敏度为66Hz/V 。

4.4AD 转换模块

由于测量值为模拟量，必须用AD 转换后读入单片机，AD 转换模块采用一种逐次比较式8路模拟输入，8位数字量输出的AD 转换器ADC0809。应用电路如图8所示

图8 AD 转换电路

片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C 、B 、A 引脚的编码来决定所选通道，在这里我们只需要一路，方便起见将A 、B 、C 三个引脚全部接地，选通IN0路，转换频率/电压转换的输出电压。直接用+5V 的供电电源作为基准电压。由于ADC0809为8位数字量输出，当输入电压为5.00V 时，输出数据值为255（FFH ），因此最高数值分辨率为0.0196V （5/255）。当输入值大于5V 电压时，可在输入口使用分压电阻，而程序中只要将计算程序的除数进行调整就可以了。但是量程越大测量精度会降低[4]。由于ADC0809片内无时钟，可利用单片机提供的地址锁存允许信号ALE 经74hc393进行2分频后获得。输出数据口直接跟单片机P0口连接上，然后通过单片机处理。

4.5计算显示模块

霍尔磁力测速仪的计算显示模块使用STC89C52单片机进行控制和计算，显

示部分用1602液晶显示，电路简单，界面友好。单片机的P0口为AD 转换电压的数据接收口，P2口控制ADC0809的转换和1602液晶模块功能的实现，P1口为与1602液晶的数据传输口，实际电路如图9 所示

图9 计算显示电路

4.6调试与结论

系统在调试过程中，需要注意在放大调零模块，调试之前一定要先调零，选取阻值须满足R

R R

R 11

1210

8

的关系，才能掌握电路的放大倍数。在频率/电

压转换模块，由于元件的误差导致输出精度FIN V o 跟理论值之间存在误差，实际操作时应多测量几组数据，求出平均精度，然后给单片机处理。实践证明，经过调节，系统基本稳定，达到预想要求，能够较为准确的测量电机的转速，整个系统简单易实现，此设计还可进一步扩展推广到其他工程领域，如测量磁场强度，数字里程表等。

参考文献

[1]陈杰，黄鸿.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2002:107-108. [2]李娟.一种廉价的基于霍尔元件的电机转速测量装置的实现[J].仪表技术与传感器，2002(1).

[3]康华.光电子技术基础（模拟部分）[M].北京：高等教育出版社，2006（5）:34-35. [4]楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007：3-5.