機電類

《自動檢測技術及應用》

多媒體課件

（共13章，第八章）

統一書號：ISBN978-7-111-34300-4

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2012年7月版4/19/20251第八章霍爾傳感器

本章介紹霍爾傳感器的工作原理、霍爾集成電路的特性及其在檢測技術中的應用，還涉及交直流霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器的原理及輸出信號的換算。

霍爾元件是一種四端元件4/19/202528.1霍爾元件的工作原理及特性8.2霍爾集成電路8.3霍爾傳感器的應用第八章霍爾傳感器目錄進入進入進入4/19/20253第一節霍爾元件的結構及工作原理

霍爾效應:半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢EH，導電薄膜越薄，靈敏度就越高。

4/19/20254影響霍爾電動勢的因數

流入激勵電流端（a、b）的電流Iab越大，電子和空穴積累得就越多，霍爾電動勢也就越高。作用在薄片上的磁感應強度B越強，電子受到的洛侖茲力也越大，霍爾電動勢也就越高。薄片的厚度、半導體材料中的電子濃度等因素對霍爾電動勢也有很大的影響。設半導體薄片的厚度為δ，霍爾元件中的電子濃度為n，電子的電荷量為e，則霍爾電動勢EH可用下式表示：4/19/20255霍爾電動勢與靈敏度

式中的n、e、δ在薄片的尺寸、材料確定后均為常數，可令KH=1/(neδ)，則上式可簡化為：EH=KHIB式中：KH——霍爾元件的靈敏度。由于金屬材料中的電子濃度n很大，所以靈敏度KH非常小。而半導體材料中的電子濃度較小，所以靈敏度比較高。4/19/20256霍爾元件的工作原理分析

半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢EH，這種現象稱為霍爾效應。

磁感應強度B為零時的情況cdab4/19/20257磁感應強度B較大時的情況作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高。霍爾電勢EH可用下式表示：

EH=KHIBabcd4/19/20258霍爾效應演示當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內側（d側）偏移，在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdabdabc4/19/20259磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢

若磁感應強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos

，這時的霍爾電動勢為

EH=KHIBcos

4/19/202510磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢演示結論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應強度B成正比。當B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，霍爾電勢為同頻率的交變電勢。aacdb4/19/202511霍爾元件的主要外特性參數

最大磁感應強度BM

上圖所示霍爾元件的線性范圍是負的多少高斯至正的多少高斯？（1T＝104Gs）線性區mV調零后的B/T4/19/202512霍爾元件的主要外特性參數（續）

最大激勵電流IM:由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大，故在應用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大，因此每種型號的元件均規定了相應的最大激勵電流，它的數值從幾毫安至十幾毫安。

以下哪一個激勵電流的數值較為妥當？8μA

0.8mA

8mA

80mA

4/19/202513霍爾元件的等效電路

在a、b、c、d四個端點之間,等效于一個四臂電橋4/19/202514霍爾元件的不等位電動勢及調零

在額定激勵電流下，當外加磁場為零時，霍爾輸出端之間的開路電壓稱為不等位電動勢E0，它是由于4個電極的幾何尺寸不對稱引起的。4/19/202515霍爾集成電路的調零

當UGN3501M感受的磁場為零時，調節5、6、7之間的調零電位器，可使第1引腳相對于第8引腳的輸出電壓等于零。4/19/202516第二節霍爾集成電路霍爾集成電路可分為線性型和開關型兩大類。線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。線性型三端霍爾集成電路回目錄4/19/202517線性型霍爾特性右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當磁場為零時，它的輸出電壓等于零；當感受的磁場為正向（磁鋼的S極對準霍爾器件的正面）時，輸出為正；磁場反向時，輸出為負。請畫出線性范圍4/19/202518開關型霍爾集成電路開關型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩壓電路、放大器、施密特觸發器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。當外加磁場強度超過規定的工作點時，OC門由高阻態變為導通狀態，輸出變為低電平；當外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變為高阻態，輸出高電平。較典型的開關型霍爾器件如UGN3020等。4/19/202519開關型霍爾集成電路的外形及內部電路OC門施密特觸發電路雙端輸入、單端輸出運放霍爾元件.Vcc4/19/202520開關型霍爾集成電路（OC門輸出）的接線請按以下電路，將下一頁中的有關元件連接起來.4/19/202521開始接線開關型霍爾集成電路

與繼電器的接線?接線完畢4/19/202522開關型霍爾集成電路的史密特輸出特性

回差越大，抗振動干擾能力就越強。當磁鐵從遠到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時輸出翻轉？當磁鐵從近到遠地遠離霍爾IC，到多少特斯拉時輸出再次翻轉？回差為多少特斯拉？相當于多少高斯（Gs）？4/19/202523第三節霍爾傳感器的應用

霍爾電勢是關于I、B、

三個變量的函數，即：EH=KHIBcos

。利用這個關系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器可以有許多用途。霍爾傳感器主要用于測量能夠轉換為磁場變化的其他物理量。回目錄4/19/202524霍爾特斯拉計（高斯計）

霍爾元件4/19/202525霍爾特斯拉計、高斯計

高斯計是測量物體于空間上一個點的靜態或動態(交變)磁感應強度的儀器。物體發出的磁力線垂直穿過霍爾傳感器，從而產生與被測B成正比的輸出電壓，由液晶板顯示出磁感應強度。單位為高斯(Gs)或特斯拉(T)。１T（特斯拉)＝1000mT（毫特斯拉）＝10000Ｇs（高斯）測量范圍：+/-19999.

9Gs信噪比：0.01Gs分辨力：0.01Gs霍爾元件被測物(剩磁)4/19/202526霍爾高斯計（特斯拉計）的使用

霍爾元件被測磁極4/19/202527霍爾傳感器用于測量磁場強度

霍爾元件測量電磁繞組鐵心氣隙的B值B4/19/202528霍爾轉速表在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統靠近齒盤。齒盤的轉動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。此處應采用線性霍爾傳感器。SN線性霍爾磁鐵4/19/202529霍爾轉速表原理

當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出低電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，磁力線從上下側通過，輸出為高電平。4/19/202530霍爾轉速傳感器在汽車防抱死裝置

（ABS）中的應用

（具體見第十三章課件）

若汽車在剎車時車輪被抱死，將產生危險。用霍爾轉速傳感器來檢測和保持車輪的轉動，有助于控制剎車力的大小和防止側偏。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質霍爾4/19/202531霍爾轉速表的其他安裝方法

只要黑色金屬（導磁體）旋轉體的表面存在缺口或突起，就可產生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產生轉速脈沖。霍爾元件磁鐵4/19/202532霍爾式無觸點汽車電子點火裝置

采用霍爾式無觸點電子點火裝置能較好地克服汽車合金觸點點火時間不準確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。

汽車點火線圈高壓輸出電纜接頭12V低壓電源輸入接頭4/19/202533傳統點火系統組成4/19/202534霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理

桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖

1-觸發器葉片

2-槽口

3-分電器轉軸

4-永久磁鐵

5-霍爾集成電路（PNP型霍爾IC）

a）帶缺口的觸發器葉片

b）觸發器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關系c）葉片位置與點火正時的關系

4/19/202535霍爾式無觸點汽車電子點火裝置(續）

汽車電子點火電路及波形

1—點火開關2—達林頓晶體管功率開關3—點火線圈低壓側4—點火線圈鐵心5—點火線圈高壓側

6—分火頭

7—火花塞

a）電路

b）霍爾IC及點火線圈高壓側輸出波形

4/19/202536霍爾式無觸點汽車電子點火裝置(續）

當葉片遮擋在霍爾IC面前時，PNP型霍爾IC的輸出為低電平，晶體管功率開關處于導通狀態，點火線圈低壓側有較大電流通過，并以磁場能量的形式儲存在點火線圈的鐵心中。當葉片槽口轉到霍爾IC面前時，霍爾IC輸出跳變為高電平，經反相變為低電平，達林頓管截止，切斷點火線圈的低壓側電流。由于沒有續流元件，所以存儲在點火線圈鐵心中的磁場能量在高壓側感應出30~50kV的高電壓。

4/19/202537汽車電子點火裝置使用的點火控制器、霍爾傳感器及點火總成磁鐵點火總成4/19/202538霍爾式無刷電動機

霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉子和定子之間的相對位置，其輸出信號控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉。由于無刷電動機不產生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機、CD唱機、光驅等家用電器中得到越來越廣泛的應用。

普通直流電動機使用的電刷和換向器4/19/202539霍爾式無刷電動機

采用霍爾開關來檢測轉子和定子之間的相對位置，經編碼和邏輯換向電路，觸發功率開關，從而控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉。1－定子底座2－定子鐵心3－霍爾開關4－三相繞組線圈5－外轉子6－轉軸7－磁極4/19/202540無刷電動機在電動自行車上的應用

電動自行車可充電電池組無刷電動機4/19/202541無刷電動機在電動自行車上的應用

無刷直流電動機的外轉子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個霍爾位置傳感器產生六個狀態編碼信號，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內定子線圈與外轉子永磁磁極之間產生連續轉矩。具有效率高、無火花、可靠性強等特點。4/19/202542電動自行車的無刷電動機及控制電路去速度控制器利用PWM調速4/19/202543

無刷電動機的結構由定子、轉子、位置傳感器及換相電路組成，定子繞組多采用三相星形方式連接。4/19/202544將3只(a、b、c)鎖相式霍爾傳感器安裝在靠近轉子磁極的位置。當N極逐漸靠近霍爾傳感器即磁感應強度達到一定值時，其輸出翻轉為低電平；當N極逐漸離開霍爾傳感器、磁感應強度逐漸減小時，其輸出仍然保持為低電平；只有磁場轉變為S極并達到一定值時，其輸出才翻轉為高電平。在S-N交替變化磁場下，傳感器輸出波形高、低電平各占50%。如果轉子是一對極，則電機旋轉一周霍爾傳感器輸出一個周期的電壓波形，如果轉子是兩對極，則輸出兩個周期的電壓波形。4/19/202545直流無刷電機中一般安裝3個霍爾傳感器，間隔120度或60度按圓周分布。如果間隔120度，則3個霍爾傳感器的輸出波形相差120度電角度；輸出信號中高、低電平各占180度電角度。如果規定輸出信號高電平為“1”，低電平為“0”，則輸出的三個信號可用3位二進制編碼表示。4/19/202546直流三相全控無刷電動機的控制原理圖

14/19/202547單片三相無刷直流電動機控制器SI9979

4/19/202548由DSP控制的BLDC系統4/19/202549光驅用的無刷電動機內部結構4/19/202550霍爾式接近開關

當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關動作。霍爾接近開關一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。4/19/202551霍爾式接近開關

用霍爾IC只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強的閉合磁場。

當磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變為低電平，使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC），起限位的作用。a）外形b）接近式c）滑過式d）分流翼片式1－運動部件2－軟鐵分流翼片4/19/202552霍爾式接近開關用于轉速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關型霍爾IC

T4/19/202553霍爾電流傳感器當有電流通過導線時，在導線周圍將產生磁場，磁力線集中在鐵心內，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產生與電流成正比的霍爾電壓。將被測電流的導線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。4/19/202554霍爾電流傳感器演示鐵心

線性霍爾IC

EH=KBB=

KI

I

I導線穿過電流傳感器的過程I穿過鐵心的磁感應強度B與被測電流I比成正。霍爾IC的輸出電動勢EH與B成正比，所以也與被測電流I比成正。4/19/202555其他霍爾電流傳感器4/19/202556其他霍爾電流傳感器（續）4/19/202557霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口4/19/202558霍爾鉗形電流表演示直流200A量程被測電流的導線未放入鐵心時示值為零。70.9A4/19/202559鉗形表的環形鐵心可以張開，導線由此穿過霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示70.9A4/19/202560霍爾鉗形電流表的使用被測電流的導線從此處穿入鉗形表的環形鐵心手指按下此處，將鉗形表的鐵心張開將被測電流導線逐根夾到鉗形表的環形鐵心中將空調電源的“三芯護套線”夾到鉗形表的環形鐵心中，鉗形表的示值為多少？為什么？4/19/202561各種霍爾電流傳感器磁力線磁力線4/19/202562霍爾鉗形電流表的使用（續）叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便

用鉗形表測量電動機的相電流4/19/202563霍爾式電流諧波分析儀

被測電流的諧波頻譜鐵心的開合縫隙

鐵心的杠桿壓舌諧波分析儀將非正弦周期性電流信號按傅立葉級數展開，得到頻率為基波頻率整數倍的各正弦分量幅值。4/19/202564霍爾電流傳感器的技術指標某型號霍爾電流傳感器技術指標額定輸入電流（交直流兩用）：300A

額定輸出電壓：5V，或額定輸出電流：4~20mA電源電壓：±15V

失調電壓：25mV

失調電壓漂移：≤±1mV/℃

線性度：≤1%FS

響應時間：≤2μS

絕緣電壓：50Hz，1min，2.5kV

工作溫度：-10～+70℃

匝數比：1：2000

4/19/202565霍爾電流傳感器的技術指標（續）4/19/202566閉環霍爾電流傳感器的原理電路

“磁平衡式霍爾電流傳感器”的鐵心上繞有二次繞組，與負載電阻RS串聯。霍爾電動勢經放大，并轉換成與被測電流IP成正比的輸出電流Is。Is流經多匝的二次繞組后，在鐵心中所產生的磁通與一次電流IP所產生的磁通相抵消，這樣，鐵心不易飽和。霍爾器件在測量中起到指示零磁通的作用，屬于閉環測量,溫漂較小。4/19/202567霍爾電流傳感器的技術指標與計算

“匝數比”

：根據磁場有關定律，同一個鐵心中的一次繞組與二次繞組必須有相等的安匝數，即：IPNP=ISNS，或：NP被定義為“一次測線圈”的匝數，一般取NP=1；NS為廠家所設定的“二次側線圈的匝數”

開環型的霍爾電流傳感器沒有二次側線圈。4/19/202568霍爾電流傳感器的匝數比計算

例：設某型號霍爾電流傳感器的額定匝數比NP/NS=1/2000，標準額定電流值IPN=300A，二次側的負載電阻RS=30Ω。通電后，用電流表測得二次側電流IS=0.1A，求輸出到弱電回路的輸出電壓US和被測電流IP。

解：1）US=RS×IS=30Ω×0.1A=3V2）根據匝數比公式，被測電流IP為：

4/19/202569霍爾電流傳感器的電流比計算

電流比定義為：

IPN被定義為“一次測線圈”的額定電流；ISN被定義為“二次側線圈”的額定電流例：設某型號霍爾電流傳感器的額定電流比KN=IPN/ISN=300:0.3（匝數比i=NP/NS=1/1000），NP=1，“二次負載電阻”RS=30Ω。通電后，用數字電壓表測得二次輸出電壓US=4.5V，求：1）額定電流比IPN；2）流過RS的二次電流IS；3）被測電流IP。4/19/202570霍爾電流傳感器的技術指標與計算（續）

“電流比”：

IPN被定義為“一次測線圈”的額定電流；ISN為廠家所設定的“二次側線圈”的額定電流。解：1）由額定電流比KN=300:0.3可知，

IPN=300A；“二次側線圈”的額定電流ISN=0.3A

2）IS=US/RS=4.5V/30Ω=0.15A。

3）根據電流比與匝數比的概念，被測電流I

P為：4/19/202571霍爾交直流電流表的接線例：設某霍爾電流傳感器的額定輸出電流為4~20mA，希望在一次額定電流(例如300A)時，得