《霍尔传感器》PPT课件.ppt

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1、2023/8/3,1,第5章 霍尔传感器,本章主要学习霍尔传感器 的工作原理、霍尔元件的主要技术指标、霍尔集成电路的特性、霍尔传感器在检测技术中的应用。,5.1 霍尔元件的结构及工作原理,5.2 霍尔元件的主要技术指标,5.3 霍尔传感器集成电路,5.4 霍尔传感器的应用,霍尔元件,2023/8/3,2,5.1 霍尔元件的结构及工作原理,5.1.1 霍尔效应:霍尔发现，如果对位于磁场(B)中的导体施加一个电压(V)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压(EH)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。,2023/

2、8/3,3,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片C、D方向的端面之间建立起霍尔电势EH。,C,A,B,霍尔效应演示,5.1 霍尔元件的结构及工作原理,D,2023/8/3,4,5.1.2 霍尔传感器原理：,产生霍尔效应原因是根据电磁感应定律，电子在磁场中以速度v运动时，受到洛伦兹力fL；fL与电子的电菏量e、运动速度v及磁场强度B成正比；fL=evB；电荷在fL的作用下向一侧偏移，在半导体薄片C、D端面间形成感应电动势EH.,5.1 霍尔元件的结构及工作原理,2023/8/3,5,5.1.2 霍尔传感器原理：,感应电动势EH在半导体膜片上形成一电场，根据电磁感应

3、定律，电荷在电场中要受到电场力fE，fE 与电荷电量的多少、EH大小及两电极间距有关。fE=e EH/b,5.1 霍尔元件的结构及工作原理,2023/8/3,6,5.1.2 霍尔传感器原理：,随着感应电动势EH的增加，fE不断增加，最终fL与fE半达到某一平衡值，即：fL+fE=0 设通过半导体的电流I为:I=-envbd,5.1 霍尔元件的结构及工作原理（视频）,（n为单位体积的载流子数量）,EH=IB/end=SHIB,SH灵敏度系数,2023/8/3,7,5.1 霍尔元件的结构及工作原理,5.1.3 霍尔元件材料:,霍尔元件是一种四端元件,因：EH=IB/end,1锗(Ge)，N型及P型

4、均可。2硅(Si)N型及P型均可。3砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相似。,霍尔元件材料为什么必须用半导体材料？用金属材料可以么？,霍尔元件材料为什么必须用薄片？用厚片可以么？,2023/8/3,8,5.1 霍尔元件的结构及工作原理,5.1.3 霍尔元件材料:,霍尔元件,2023/8/3,9,磁感应强度B较大时的情况,作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。EH=SH IB,5.1 霍尔元件的结构及工作原理,5.1.4、影响霍尔电动势的因素,2023/8/3,10,5.1 霍尔元件的结构及工作原理,磁感应强度B为零时的情况,C,D,A,B,磁感应强度B较

5、小时的情况,作用在半导体薄片上的磁场强度B越小，霍尔电势也就越低。EH=SHIB,2023/8/3,11,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 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Bcos，这时的霍尔电势为:,结论：霍尔电势与输入电流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，则霍尔电势为同频率的交变电势。,EH=SHIBcos,5.1 霍尔元件的结构及工作原理,5.1.4、影响霍尔电动势的因素,2023/8/3,12,5.2 霍尔元件的主要技术指标,5.2.1 最大磁感应强

6、度BM,上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯？,线性区,2023/8/3,13,5.2.2 额定激励电流IH:,使霍尔元件温升10所施加的控制电流值称为额定激励电流。通常用IH表示。由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，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。,以下哪一个激励电流的数值较为妥当？A、5A B、0.1mA C、2mA D、80mA,5.2霍尔元件的主要技术指标,2023/8/3,14,5.2.3 输入电阻Ri:,它是指

7、控制电流极间的电阻值。它规定要在室温(205)的环境温度中测取。,5.2霍尔元件的主要技术指标,5.2.4 输出电阻RL：,它是指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在(205)的条件下测取。,当霍尔元件通以控制电流IH而不加外磁场时，它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，称为不等位电势。,5.2.5 不等位电势E0,2023/8/3,15,5.2.6 寄生直流电势V0:,5.2霍尔元件的主要技术指标,当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时，霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和。其中的交流霍尔电势与前述零位电势相对应，而直流霍尔电势是个寄生量，称为寄生直流电势V。,5.2.7 热阻RQ:,它表示

8、在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输入lmW的电功率时产生的温升，单位为/mW。所以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定条件下与电阻有关。,2023/8/3,16,5.3 霍尔传感器集成电路,霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。,线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、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。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。,线性型三端 霍尔集成电路,5.3.1 线性型霍尔传感器特性,2023/8/3,17,5.3.1 线性型霍尔传感器特性,右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零

9、；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时，输出为正；磁场反向时，输出为负。,请画出线性范围,2023/8/3,18,5.3.2、开关型霍尔传感器集成电路,开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、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。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。,5.3 霍尔传感器集成电路,2023/8/3,19,OC门,施密特触发电路,双端输入 单端输出运放,霍尔 元件,.,5.3 霍尔传感器

10、集成电路,开关型霍尔集成电路的外形及内部电路,5.3.2、开关型霍尔传感器集成电路,2023/8/3,20,请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来.,5.3 霍尔传感器集成电路,开关型霍尔集成电路（OC门输出）的接线,5.3.2、开关型霍尔传感器集成电路,开关型霍尔集成电路与继电器的接线,?,2023/8/3,22,开关型霍尔集成电路的史密特输出特性,回差越大，抗振动干扰能力就越强。,当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？相当于多少高斯（Gs）？,5.3.2、开关型霍尔传感器集成电路,2023/8/

11、3,23,5.4 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=SHIBcos。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。,霍尔传感器优点：磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。,2023/8/3,24,讫今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：分电器上作信号传感器;ABS系统中的速度传感器;汽车速度表和里程表;液体物理量检测器;各种用电负载的电流检测及工作状态诊断;发动机转速及曲轴角度传感器;

12、各种开关，等等;,5.4 霍尔传感器的应用,2023/8/3,25,霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。目前的霍尔器件都可承受一定的振动，可在零下40摄氏度到零上150摄氏度范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。,5.4 霍尔传感器的应用,2023/8/3,26,5.4 霍尔传感器的应用,1、霍尔接近开关,2、霍尔特斯拉计（高斯计）,3、霍尔转速表,4、霍尔式无触

13、点汽车电子点火装置,5、霍尔式无刷电动机,6、霍尔式电流传感器,7、霍尔钳形电流表,8、霍尔式位移传感器,9、霍尔式压力传感器,2023/8/3,27,1、霍尔接近开关 霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。,5.4 霍尔传感器的应用,2023/8/3,28,1、霍尔接式近开关,当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。,2023/8/3,

14、29,用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。,在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。,1、霍尔接式近开关,2023/8/3,30,霍尔式接近开关用于转速测量演示,n,=,60,f,4,(r/min),软铁分流翼片,开关型霍尔IC,T,1、霍尔接式近开关,2023/8/3,31,2、霍尔特斯拉计（高斯计）,霍尔元件,2023/8/3,32,霍尔高斯计（特斯拉计）的使用,霍尔元件,磁铁,2、霍尔特斯拉

15、计（高斯计）,2023/8/3,33,霍尔传感器用于测量磁场强度,霍尔元件,测量铁心 气隙的B值,2、霍尔特斯拉计（高斯计）,2023/8/3,34,3、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。,S,N,线性霍尔,磁铁,2023/8/3,35,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。,霍尔转速表原理,3、霍尔转

16、速表,2023/8/3,36,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。,带有微型磁铁的霍尔传感器,钢质,霍尔,霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用,3、霍尔转速表,2023/8/3,37,霍尔转速表的其他安装方法,只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。,霍尔元件,磁铁,3、霍尔转速表,2023/8/3,38,4、霍尔式无触点汽车电子点火装置,采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。,汽车点火线圈,高压

17、输出接头,12V低压电源输入接头,2023/8/3,39,4、霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理,采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足。,桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图,1-触发器叶片 2-槽口 3-分电器转轴 4-永久磁铁 5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC）,a）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系 c）叶片位置与点火正时的关系,2023/8/3,40,当叶片遮挡在霍尔IC面前时，PNP型霍尔IC的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。,汽车电子点火电路

18、及波形,1点火开关 2达林顿晶体管功率开关 3点火线圈低压侧 4点火线圈铁心 5点火线圈高压侧 6分火头 7火花塞,a）电路 b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形,当叶片槽口转到霍尔IC面前时，霍尔IC输出跳变为高电平，经反相变为低电平，达林顿管截止，切断点火线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出3050kV的高电压。,4、霍尔式无触点汽车电子点火装置,2023/8/3,41,汽车电子点火装置使用的 点火控制器、霍尔传感器及点火总成,磁铁,点火总成,4、霍尔式无触点汽车电子点火装置,2023/8/3,42,5、霍尔式无刷电动机,霍尔式无刷电动机取消

19、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用。,普通直流电动机使用的电刷和换向器,2023/8/3,43,无刷电动机在电动自行车上的应用,电动自行车,可充电电池组,无刷电动机,5、霍尔式无刷电动机,2023/8/3,44,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、

20、无火花、可靠性强等特点。,无刷电动机在电动自行车上的应用,5、霍尔式无刷电动机,2023/8/3,45,电动自行车的无刷电动机及控制电路,去速度控制器,利用PWM调速,5、霍尔式无刷电动机,2023/8/3,46,光驱用的无刷电动机内部结构,5、霍尔式无刷电动机,2023/8/3,47,霍尔电流传感器,将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。,6、霍尔式电流传感器,2023/8/3,48,霍尔电流传感器演示,铁心,线性霍尔IC,EH=SH IB,I,所实现的多媒体界面

21、：,I,2023/8/3,49,其他霍尔 电流传感器,6、霍尔式电流传感器,2023/8/3,50,其他霍尔电流传感器,6、霍尔式电流传感器,2023/8/3,51,压舌,豁口,霍尔钳形电流表（交直流两用）,7、霍尔钳形电流表,2023/8/3,52,霍尔钳形电流表演示,直流200A量程,被测电流的导线未放入铁心时示值为零,70.9A,7、霍尔钳形电流表,2023/8/3,53,钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过,霍尔钳形 电流表演示,霍尔钳形 电流表演示,霍尔钳形 电流表演示,70.9A,2023/8/3,54,霍尔钳形电流表的使用,被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心,手指按下此处

22、，将钳形表的铁心张开,将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中,将空调电源的“三芯护套线”夹到钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？,2023/8/3,55,霍尔钳形电流表的使用（续）,叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便,用钳形表测量 电动机的相电流,2023/8/3,56,霍尔式电流谐波分析仪,被测电流的谐波频谱,铁心的 开合缝隙,铁心的 杠杆压舌,2023/8/3,57,霍尔式位移传感器原理示意图,8、霍尔式位移传感器,2023/8/3,58,霍尔式压力传感器结钩原理图及磁钢外形,退出,9 霍尔式压力传感器,2023/8/3,59,思考题：,1、用霍尔效应原理设计一个液位传感器，用于高楼供水自动控制系统。要求提供开关量信号，检测水箱最高水位及最底水位。画出结构图、电路图并简要说明工作原理,2、用霍尔效应原理设计一个车高位置传感器，用于检测汽车车高。要求提供模拟量信号，能检测汽车空载至满载的高度变化。画出结构图、电路图并简要说明工作原理,2023/8/3,60,退出,不等位电势的补偿电路,返回,2023/8/3,61,采用分流电阻法的温度补偿电路,返回,