1、四川信息職業技術學院畢業設計說明書(論文)設計（論文）題目: 專 業: 班 級: 學 號: 姓 名: 指導教師: 2010年 10 月 日四川信息職業技術學院畢業設計（論文）任務書學 生姓 名李曉學號0618013班級應電06-1班專業應用電子技術設計（或論文）題目霍爾傳感器原理及應用研究指導教師姓名職 稱工作單位及所從事專業聯系方式備 注王志強講師四川信息職業技術學院吳志毅高級工程師081電子軍工集團設計（或論文）內容：1. 霍爾傳感器概述2. 論文研究的目的和意義3. 霍爾傳感器工作原理和特性4. 霍爾傳感器的應用進度安排：第12周：查找資料； 第34周：確定方案；第58周：進行論文的資料

2、的整理； 第912周：整理論文報告；第1315周：確定論文初稿； 第1617周：論文定稿及答辯；主要參考文獻、資料：1 成輝傳感器的理論與設計基礎及其應用北京國防工業出版社，19992 李輝霍爾傳感器及其應用電路北京電子報1994合訂本，19943 羅四維傳感器應用電路詳解M電子工業出版社，19964 賈伯年，俞樸傳感器技術M東南大學出版社，19975 劉亮等先進傳感器及其應用化學工業出版社，19966 張巖，胡秀芳傳感器應用技術福建科學技術出版社，2000審批意見教研室負責人：年 月 日備注：任務書由指導教師填寫，一式二份。其中學生一份，指導教師一份。目 錄摘 要1第1章 緒 論21.1霍爾

3、傳感器概述21.2論文研究的目的和意義2第2章 霍爾傳感器的工作原理和特性42.1霍爾傳感器的工作原理4霍爾效應4霍爾元件4霍爾傳感器52.2霍爾傳感器的特性62.2.1線性型霍爾傳感器的特性6開關型霍爾傳感器的特性6第3章 霍爾傳感器的應用73.1線性型霍爾傳感器的應用7霍爾電流傳感器7位移測量7功率測量83.2開關型霍爾傳感器的應用8測轉速或轉數8接近開關9無刷電機9各種實用電路93.3霍爾傳感器的一種特殊應用10總 結13致 謝14參考文獻15摘 要傳感器是將非電量轉化為電量的器件或裝置。它利用材料或元器件的物理、化學效應來探測各種物理量(光、熱、聲、力、磁等)、化學量(濕、氣、味等)以

4、及生物量(酵素、微生物等)的強弱大小并將之轉換成電量，然后進行信息的加工處理或直接向外傳遞。輸出信號可以有不同形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，能滿足人們對感知信息傳輸、處理、記錄、顯示、控制的各種要求，是自動檢測和自動控制系統中不可缺少的元件。其中，霍爾傳感器的發展非常迅速，在各個領域的應用也非常廣泛。 霍爾傳感器是一種磁傳感器。用它可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。霍爾傳感器以霍爾效應為其工作基礎，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器。霍爾傳感器在工業生產、交通運輸和日常生活中有著非常廣泛的應用。關鍵詞霍爾效應；霍爾元件；霍爾傳感器 第1章 緒 論1.1霍爾傳感器

5、概述早在1879年，美國物理學家霍爾(Edwin H. Hall)便發現了霍爾效應，但是實用的霍爾元件一直到人工制成半導體材料出現之后才出現。1986年，Sugiyama等采用了GaAs/AlGaAs異質結構制作霍爾元件，其電流相關靈敏度達到1000V/AT，但是靈敏度的穩定性差。而采用了超晶格結構的霍爾元件克服了這一缺陷。在之后的技術發展中，霍爾元件具有高靈敏度、低電位電勢和很高的溫度穩定性，有些霍爾元件還具有很高的信噪比。自此，霍爾傳感器也得到了飛速的發展，并在汽車、工業、計算機等行業中得到廣泛應用，如齒輪速度檢測、運動與接近檢測及電流檢測等。霍爾傳感器的出現，解決了許多讓人感到棘手的問題

6、。霍爾傳感器具有許多優點：1霍爾傳感器的結構牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、功耗小、頻率高（可達1MHZ）。2霍爾傳感器耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。3線性霍爾傳感器的精度高、線性度好；開關型霍爾傳感器無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置精度高。現在，霍爾傳感器己成為使用最廣泛的傳感器之一。1.2論文研究的目的和意義隨著傳感器技術的發展，霍爾傳感器的應用范圍越來越廣。就目前的市場分析，霍爾傳感器廣泛應用在檢測齒輪齒速、油門位置、尾氣再循環閥位置、馬達與傳動的速度和位置，用于防鎖閘、牽引系統的車輪速度測量、腳踏板、座椅安全帶、剎車與離合器的位置、車鎖、車

7、窗及油耗等諸多方面上。本論文圍繞線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器，目的在于介紹線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器的工作原理和特性，并研究它們是怎樣應用在各種實用電路和常見器件中的。因為霍爾傳感器具有環保、耐用、抗震、易安裝等優點，一些專家認為，霍爾傳感器走進游戲機手柄、電動玩具等電子消費市場將是大勢所趨。因此，研究霍爾傳感器的原理及其應用在理論上對霍爾傳感器走進電子消費市場奠定了一定的基礎，對霍爾傳感器的發展有非常重大的意義。 第2章 霍爾傳感器的工作原理和特性2.1霍爾傳感器的工作原理2.1.1霍爾效應1879年，美國物理學家霍爾經過大量的實驗發現：如果讓恒定電流通過金屬薄片，并將薄片置于

8、強磁場中，在金屬薄片的另外兩側將產生與磁場強度成正比的電動勢。這個現象后來被人們稱為霍爾效應。霍爾效應的本質是：固體材料中的載流子在外加磁場中運動時，因為受到洛侖茲力的作用而使軌跡發生偏移，并在材料兩側產生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側建立起一個穩定的電勢差即霍爾電壓。正交電場和電流強度與磁場強度的乘積之比就是霍爾系數。平行電場和電流強度之比就是電阻率。大量的研究揭示：參加材料導電過程的不僅有帶負電的電子，還有帶正電的空穴。在半導體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將

9、產生電勢差為UH的霍爾電壓，它們之間的關系為：UH=K·I·B/d （2-1）式中d 為薄片的厚度，K稱為霍爾系數，它的大小與薄片的材料有關。 霍爾元件根據霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。霍爾元件多采用N型半導體材料。霍爾元件越薄(d越小)，UH就越大，薄膜霍爾元件厚度只有1m左右。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點。因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。當通有小電流的半導體薄片置于磁場中時，半導體內的載流子受洛倫茲力的作用發生偏轉，使半導體兩側產生電勢差，該電勢差即為霍爾電壓UH

10、，UH與磁感應強度B及控制電流IC成正比，經過理論推算有： UH=（RH/d）·B·IC （2-2）式中：B 為磁感應強度；IC為控制電流；RH為霍爾系數；d 為半導體厚度。式（2-2）中，若保持控制電流IC不變，在一定條件下，可通過測量霍爾電壓推算出磁感應強度的大小，由此建立了磁場與電壓信號的聯系。根據這一關系式，人們研制出了用于測量磁場的半導體器件，即霍爾元件。目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導體材料。2.1.3霍爾傳感器由于霍爾元件產生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大電路、溫度補償電路及穩壓電源電路等集成

11、在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器。霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。 線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。開關型霍爾傳感器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。1線性霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器的輸出電壓與外加磁場強度在一定范圍內呈線性關系，廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量、控制。這種傳感器有單端輸出和雙端輸出（差動輸出）兩種電路。線性霍爾傳感器的精度高、線性度好。2開關型霍爾傳感器開關型霍爾傳感器可分為單穩態和雙穩態，內部均有五個

12、部分，即由穩壓源、霍爾電勢發生器、差分放大器、施密特觸發器以及輸出級組成。當有磁場作用在開關型霍爾傳感器上時，根據霍爾效應原理，霍爾元件輸出霍爾電壓，該電壓經放大器放大后，送至施密特整形電路。當放大后的霍爾電壓大于“開啟” 閾值時，施密特電路翻轉，輸出高電平，使晶體管導通，整個電路處于開狀態。當磁場減弱時，霍爾元件輸出的電壓很小，經放大器放大后其值仍小于施密特的“關閉”閾值時，施密特整形器又翻轉，輸出低電平，使晶體管截止，電路處于關狀態。這樣，一次磁場強度的變化，就使傳感器完成一次開關動作。開關型霍爾傳感器無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置精度高。取用各種補償和保護措施的霍爾傳

13、感器的工作溫度范圍寬，可達55150。2.2霍爾傳感器的特性線性型霍爾傳感器的特性圖2-1 線性型霍爾傳感器的特性線性型霍爾傳感器的輸出電壓與外加磁場強度呈線性關系，如圖2-1所示。可見，在B1B2的磁感應強度范圍內有較好的線性度，磁感應強度超出此范圍時則呈飽和狀態。開關型霍爾傳感器的特性如圖2-2所示，其中BOP為工作點“開”的磁感應強度，BRP為釋放點“關”的磁感應強度。圖2-2 開關型霍爾傳感器的特性 圖2-3 鎖鍵型開關型霍爾傳感器特性當外加的磁感應強度超過動作點Bop時，傳感器輸出低電平，當磁感應強度降到動作點Bop以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點BRP時，傳感器才由低電

14、平躍變為高電平。Bop與BRP之間的滯后使開關動作更為可靠。另外還有一種“鎖鍵型”（或稱“鎖存型”）開關型霍爾傳感器，其特性如圖2-3所示。當磁感應強度超過動作點Bop時，傳感器輸出由高電平躍變為低電平，而在外磁場撤消后，其輸出狀態保持不變（即鎖存狀態），必須施加反向磁感應強度達到BRP時，才能使電平產生變化。第3章 霍爾傳感器的應用霍爾傳感器的應用按被檢測對象的性質分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測受檢對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，這個磁場是被檢測的信息的載體。通過它，將許多非電、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化

15、的時間等轉變成電學量來進行檢測和控制。3.1線性型霍爾傳感器的應用線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測量。霍爾電流傳感器由于通電螺線管內部存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測量出磁場，從而確定導線中電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器，如圖3-1所示。其優點是不與被測電路發生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。圖3-1 電流傳感器霍爾電流傳感器工作原理是：在標準圓環鐵芯有一個缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環上繞有線圈，當電流通過線圈時產生磁場，則霍爾傳感器有信號輸出。霍爾電流傳感器在車用電源系統中的應用，實現了對電源系統

16、輸出電流的隔離測量，并通過反饋控制電源系統的輸出電流。當電源的輸出電流接近電源系統的設計功率輸出時，電源輸出電流將不再增加，從而限制了電源系統的輸出功率，保護了電源系統不會因用電負載的變化而損壞。位移測量如圖3-2所示，將兩塊永久磁鐵同極性相對放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應強度為零，這個點可作為位移的零點。當霍爾傳感器在Z軸上作X位移時，傳感器有一個電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。圖3-2 位移測量用線性型霍爾傳感器測量位移的優點是：慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長。 如果把拉力、壓力等參數變成位移，便可測出拉力及壓力的大小。如圖3-3所示，是按這一原理制成的力傳感器

17、。 圖3-3 壓力測量3.1.3功率測量在電路中若外加磁場正比于外加電壓，即霍爾電勢正比于被測功率，可利用線性霍爾元件進行直流功率測量。該電路適用于直流大功率的測量。指示儀表一般采用功率刻度的伏特表，霍爾元件采用 N 型鍺材料元件。其測量誤差一般小于1。這種功率測量方法有下列優點：由于霍爾電勢正比于被測功率，因此可以做成直讀式功率計；功率測量范圍可從微瓦到數百瓦；裝置中設有轉動部分，輸出和輸入之間相互隔離，穩定性好、精度高、結構簡單、體積小、壽命長、成本低廉。3.2開關型霍爾傳感器的應用開關型霍爾傳感器主要用于測轉數、測轉速、測風速、測流速、接近開關、關門告知器、報警器、自動控制電路等。測轉速

18、或轉數如圖3-4所示，在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，開關型霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉一周，開關型霍爾傳感器就輸出一個脈沖，接入計數器，可測出轉數。若接入頻率計，便可測出轉速。圖3-4測轉速或轉數如果把開關型霍爾傳感器按預定位置有規律地布置在軌道上，當裝在運動車輛上的永磁體經過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據脈沖信號的分布可以測出車輛的運動速度。接近開關當霍爾元件通過恒定的控制電流，且有磁體近距離接近霍爾元件然后再離開時，元件的霍爾輸出將發生顯著變化，輸出一個脈沖霍爾電勢。利用這種特性可制成接近開關。這種情況下，對霍爾元件本身的線性和溫度穩定性等要求不高，只要有足夠大的輸

19、出即可。另外，作用于霍爾元件的磁感應強度變化值，僅與磁體和元件的相對位置有關，與相對運動速度無關，這就使接近開關的結構既簡單又可靠。3.2.3無刷電機開關型霍爾元件最具特點的應用是在無刷電機上。通常的直流電機采用電刷型整流子供電，這種供電機構工作時噪聲大，電機的壽命由于轉換器的磨損而大大減短。利用霍爾傳感器代替整流子不僅可以根治電機的上述弊端，而且可以對電機直接調速。如日本勝利公司的HR7200型錄像機中，采用兩個霍爾元件和旋轉磁鋼構成電機本體，利用霍爾元件去驅動開關晶閘管，從而通過控制流過電機繞組的電流方向來完成轉向。調速則通過同服系統控制定子中的電流來完成。由于采用電子轉向，該電機運轉十分

20、平穩，幾乎無干擾。各種實用電路開關型霍爾傳感器尺寸小、工作電壓范圍寬、工作可靠、價格便宜，因此獲得極為廣泛的應用。下面列舉兩個實用電路加以說明：1防盜報警器圖3-5 防盜報警器電路如圖3-5所示，將小磁鐵固定在門的邊緣上，將霍爾傳感器固定在門框的邊緣上，讓兩者靠近，即門處于關閉狀態時，磁鐵靠近霍爾傳感器，輸出端3為低電平。當門被非法撬開時，霍爾傳感器輸出端3為高電平，非門輸出端Y為低電平，繼電器J吸合，Ja閉合，蜂鳴器得電后發出報警聲音。2公共汽車門狀態顯示器圖3-6公共汽車門狀態顯示器電路 使用霍爾傳感器，只要再配置一塊小永久磁鐵就很容易做成車門是否關好的指示器。例如公共汽車的三個

21、門必須關閉，司機才可開車。如圖3-6所示電路，三片開關型霍爾傳感器分別裝在汽車的三個門框上，在車門適當位置各固定一塊磁鋼，當車門開著時，磁鋼遠離霍爾開關，輸出端為高電平。若三個門中有一個未關好，則或非門輸出為低電平，紅燈亮，表示還有門未關好；若三個門都關好，則或非門輸出為高電平，綠燈亮，表示車門關好，司機可放心開車。3.3霍爾傳感器的一種特殊應用等離子自動高低調節器是切割機中必不可少的配套設備，廣泛應用于大型裝備制造、造船和切割等領域，其主要功能是保證切割割炬與被切割工件保持最佳切割距離，消除由被切割工件的不平度變化引起的加工精度誤差。切割機在工作過程中不能準確獲取切割割炬與鋼板的距離，這就必

22、然影響鋼板的切割質量。切割的弧電流強光會給操作人員造成視覺疲勞。因此，給出了一種基于霍爾傳感器的設計方案，保證切割過程中割縫寬度均勻，切割精度提高。該設計方案利用霍爾效應原理產生隨磁場變化而產生變化的電壓，把變化的電壓送到自動高低調節器，控制割炬的上升與下降，形成一個閉環的自動高低調節系統。該閉環自動控制系統由霍爾傳感器、自檢器、高平濾波器、運算放大器、比較器、斷弧提升器、模擬開關手動自動轉換器、光電耦合器、三態門互鎖器、電機驅動器以及機械絲桿傳遞定位系統組成。將一塊導體板置于磁場，使磁場的磁感應強度B的方向與板垂直，當導體板中流經一定電流時，垂直于磁場和電流方向的導體板的橫向兩側會產生一定的

23、電勢差，這一現象稱為霍爾效應。霍爾傳感器是根據該原理制成的。圖3-7是一個霍爾傳感器，它共有4個接線端，分別為接地、+5 V，-5 V和電壓輸出，水電纜通過中間空心圓。圖3-7 應用到數控切割中的霍爾傳感器等離子發生器起弧后，霍爾傳感器采集割炬與鋼板之間的電流，水電纜中的電流穿過霍爾傳感器，在其周圍產生恒定磁場。向霍爾傳感器預先施加一恒壓，產生一恒定電流，霍爾傳感器則輸出霍爾電壓。如果切割電流有微小變化，則產生變化的磁場，而輸出的霍爾電壓也是變化的，這樣就把切割中的變化電流轉化為變化電壓，輸出的霍爾電壓包含有干擾信號，其高頻信號的范圍較寬，這就需對信號電壓進行高頻濾波，從而獲取有用信號，再將其

24、信號送至等離子自動高低調節器。以運算放大器C1的引腳1的輸出電壓作為自檢電壓，并通過調節VR1改變其輸出電壓，也可以模擬霍爾傳感器輸出電壓。割炬定位機械結構是由霍爾傳感器、水電纜、微動開關、觸頭、上夾緊盤、割炬夾、壓縮彈簧、下夾緊盤、信號線、絲桿、直流電機組成。上夾緊盤、下夾緊盤和壓縮彈簧夾緊割炬，割炬穿過割炬夾圓孔。割炬夾圓孔直徑比割炬直徑稍大一些，這樣可在夾圓孔中上下活動。由于彈簧和重力的作用，割炬平穩垂直地放在割炬夾圓盤上，水電纜穿過霍爾傳感器，霍爾傳感器采集切割變化的電流，如圖3-8所示。割炬定位時向下運動，割炬碰到鋼板后，鋼板頂起割炬，這時割炬與割炬夾產生相對運動，彈簧被壓縮，直到割

25、炬觸頭碰到微動開關L1。L1閉合產生的觸發信號通過信號線傳給自動高低調節器，通過觸發單穩延時電路，產生割炬上升定位時間，也是直流電動機反轉提升割炬時間。由于割炬的提升，壓縮彈簧逐漸恢復，如果事先通過自動高低調節器設定割炬提升時間常數，從而確定割炬提升后割炬與鋼板的距離，獲到割炬與鋼板的最佳起弧距離。 圖3-8 割據定位結構圖霍爾傳感器應用到數控切割中是等離子切割機一種新的調節方法。這種方法不但切割后工件質量好，精度達到要求，同時還減輕了操作者的勞動強度。該系統設計不但可用于常規的套料切割，還可以用于水下套料切割，省時、省力、自動化程度高，安全可靠，通過多年的實際應用，使用效果良好。總 結傳感器技術的發展是21世紀科技進步的一大產物。其中，霍爾傳感器的發展更是彰顯著科技的力量。霍爾傳感器主要分為兩類：線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器。線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。開關型霍爾傳感器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器、斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測量。開關型霍爾傳感器主要用于測轉數、轉速、風速、流速、接近開關、關門告知器、報警器、自動控制電路等。憑借著高可靠性等優勢，霍爾傳感器在汽車領