1、郑州科技学院 机械工程系1第八章 霍尔传感器课题：霍尔传感器的原理及应用 课时安排：2 课次编号：12难点： 开关型霍尔集成电路的特性教材分析重点： 霍尔传感器的应用教学目的和要求 1、了解霍尔传感器的工作原理；2、了解霍尔集成电路的分类；3、掌握线性型和开关型霍尔集成电路的特性；4、掌握霍尔传感器的应用。采用教学方法和实施步骤： 讲授、课堂互动、分 析 教具：各种霍尔元件、霍尔传感器各教学环节和内容演示 1：将小型蜂鸣器的负极接到霍尔接近开关的 OC 门输出端，正极接 Vcc 端。在没有磁铁靠近时， OC 门截止，蜂鸣器不响。当磁铁靠近到一定距离（例如 3mm）时，OC 门导通，蜂鸣器响。将
2、磁铁逐渐远离霍尔接近开关到一定距离（例如 5mm）时，OC 门再次截止，蜂鸣器停响。演示 2：将一根导线穿过 10A 霍尔电流传感器的铁芯，通入 0.11A 电流，观察霍尔 IC的输出电压的变化，基本与输入电流成正比。从以上演示，引入第一节霍尔效应、霍尔元件的工作原理。第一节 霍尔元件的工作原理及特性一、工作原理金属或半导体薄片置于磁感应强度为 B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流 I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 EH，这种现象称为霍尔效应（Hall Effect） ，该电动势称为霍尔电动势（ Hall EMF） ，上述半导体薄片称为霍尔元件（Hall Eleme
3、nt ） 。用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器（Hall Transducer） 。郑州科技学院 机械工程系2图 8-1 霍尔元件示意图a）霍尔效应原理图 b）薄膜型霍尔元件结构示意图 c）图形符号 d）外形霍尔属于四端元件：其中一对（即 a、b 端）称为激励电流端，另外一对（即 c、d 端）称为霍尔电动势输出端，c、 d 端一般应处于侧面的中点。由实验可知，流入激励电流端的电流 I 越大、作用在薄片上的磁场强度 B 越强，霍尔电动势也就越高。霍尔电动势 EH 可用下式表示EH=KH IB （8-1）式中 KH霍尔元件的灵敏度。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，
4、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，这时的霍尔电动势为EH=KHIBcos （8-2）从式（8-2）可知，霍尔电动势与输入电流 I、磁感应强度 B 成正比，且当 B 的方向改变时，霍尔电动势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电动势为同频率的交变电动势。目前常用的霍尔元件材料是 N 型硅，霍尔元件的壳体可用塑料、环氧树脂等制造。二、主要特性参数 （1）输入电阻 R i 恒流源作为激励源的原因：霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。它的数值从几十欧到几百欧，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 I
5、ab 变大，最终引起霍尔电动势变大。使用恒流源可以稳定霍尔原件的激励电流。 （2）最大激励电流 Im 激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电动势的温漂增大，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。提问：霍尔原件的最大激励电流 Im 为宜。A0mA B0.1 mA C10mA D100mA（4）最大磁感应强度 Bm 磁感应强度超过 Bm 时，霍尔电动势的非线性误差将明显增大，B m 的数值一般小于零点几特斯拉。提问：为保证测量精度，图 8-3 中的线性霍尔 IC 的磁感应强度不宜超过 为宜。郑州科技学院 机械工程系3A0T B0.10T
6、 C0.15T D100Gs第二节 霍尔集成电路霍尔集成电路（又称霍尔 IC）的优点：体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小、对电源稳定性要求低等。霍尔集成电路的分类：线性型和开关型两大类。线性型的内部电路：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。开关型霍尔集成电路的内部电路：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。图 8-2 线性型霍尔集成电路a
7、）外形尺寸 b）内部电路框图图 8-3 线性型霍尔集成电路输出特性图 8-4 开关型霍尔集成电路郑州科技学院 机械工程系4a）外形尺寸 b）内部电路框图图 8-5 开关型霍尔集成电路的史密特输出特性注：1 特斯拉（T）10 4 高斯（Gs ）提问：磁铁从远到近，逐渐靠近图 8-5 所示的开关型霍尔 IC，问，多少高斯时，输出翻转？成为什么电平？表 8-1 具有史密特特性的 OC 门输出状态与磁感应强度变化之间的关系磁感应强度 B 的变化方向及数值 B/ TOC 门输出状态OC 门接法 0 0.02 0.023 0.03 0.02 0.016 0接上拉电阻 RL 高电平 高电平 低电平 低电平
8、低电平 高电平 高电平不接上拉电阻 RL 高阻态 高阻态 低电平 低电平 低电平 高阻态 高阻态：OC 门输出的高电平电压由 VCC 决定；、：OC 门的迟滞区输出状态必须视 B 的变化方向而定.第三节 霍尔传感器的应用霍尔电动势是关于 I、B、 三个变量的函数，即 EH=KHIBcos，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，三个变量的多种组合等。1）维持 I、 不变，则 EH=f(B） ，这方面的应用有：测量磁场强度的高斯计、测量转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔加速度计、微压力计等。2）维持 I、B 不变，
9、则 EH=f(） ，这方面的应用有角位移测量仪等。3）维持 不变，则 EH=f(IB） ，即传感器的输出 EH 与 I、B 的乘积成正比，这方面的应用有模拟乘法器、霍尔功率计、电能表等。1角位移测量仪角位移测量仪结构示意图如图 8-8 所示。霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电动势 EH 就反映了转角 的变化。郑州科技学院 机械工程系5图 8-8 角位移测量仪结构示意图1极靴 2霍尔器件 3励磁线圈发散性思维：将图 8-8 的铁芯气隙减小到夹紧霍尔 IC 的厚度。则 B 正比于 Ui，霍尔 IC 的 Uo 正比于 B，可以改造为霍尔电压传感器。与交流互感器不同的
10、是：可以测量直流电压，如右图所示。4霍尔接近开关在第四章里，曾介绍过接近开关的基本概念。用霍尔接近开关也能实现接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。霍尔接近开关应用示意图如图图 8-12 所示。在图 8-12b 中，磁极的轴线与霍尔接近开关的轴线在同一直线上。当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔接近开关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（否则将撞坏霍尔接近开关）起到限位的作用。图 8-12 霍尔接近开关应用示意图a）外形 b）接近式 c）滑过式 d）分流翼片式1运动部件 2软铁分流翼片提问：b）接近式
11、c）滑过式哪一种不易损坏？为什么？在图 8-12d 中，磁铁和霍尔接近开关保持一定的间隙、均固定不动。软铁制作的分流翼片与运动部件联动。当它移动到磁铁与霍尔接近开关之间时，磁力线被屏蔽郑州科技学院 机械工程系6（分流） ，无法到达霍尔接近开关，所以此时霍尔接近开关输出跳变为高电平。改变分流翼片的宽度可以改变霍尔接近开关的高电平与低电平的占空比。发生性思维：电梯“平层”如何利用分流翼片的原理？霍尔传感器的其他用途：霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、霍尔电能表、霍尔高斯计、霍尔液位计、霍尔加速度计等。5霍尔电流传感器能够测量直流电流，弱电回路与主回路隔离，能够输出与被测电流波形相同的“跟随电压”，容
12、易与计算机及二次仪表接口，准确度高、线性度好、响应时间快、频带宽，不会产生过电压等。（1）工作原理 用一环形（有时也可以是方形）导磁材料作成铁心，套在被测电流流过的导线（也称电流母线）上，将导线中电流感生的磁场聚集在铁心中。在铁心上开一与霍尔传感器厚度相等的气隙，将霍尔线性 IC 紧紧地夹在气隙中央。电流母线通电后，磁力线就集中通过铁心中的霍尔 IC，霍尔 IC 就输出与被测电流成正比的输出电压或电流。霍尔电流传感器原理及外形如图 8-13 所示。图 8-13 霍尔电流传感器原理及外形a）基本原理 b）外形1被测电流母线 2铁心 3线性霍尔 IC（2）技术指标及换算 霍尔电流传感器可以测量高达
13、 2000A 的电流；电流的波形可以是高达 100kHz 的正弦波和电工技术较难测量的高频窄脉冲；它的低频端可以一直延伸到直流电；响应时间小于 1s，电流上升率（di/dt ）大于 200A/s。被测电流称为一次测电流 IP，将霍尔电流传感器的输出电流称为“二次侧电流” IS（霍尔传感器中并不存在二次侧）。“匝数比”概念：I S/IP 和 NP/NS。在霍尔电流传感器中，N P 被定义为“一次测线圈”的匝数，一般取 N P=1；N S 为厂家所设定的“二次侧线圈的匝数” 。因此有：（8-3）PSI依据霍尔电流传感器的额定技术参数和输出电流 IS 以及式（8-3 ） ，就可以计算得到被测电流。如
14、果将一只负载电阻 RS 并联在 “二次侧”的输出电流端，就可以得到一个与“一次测电流”（被测电流）成正比的、大小为几伏的电压输出信号。隔离作用：霍尔电流传感器的“一次测”与“二次侧”电路之间的击穿电压可以郑州科技学院 机械工程系7高达 6kV，可直接将“二次侧 ”的输出信号接到计算机电路。提问：有一个额定值很高的传感器（例如 100A） 、而欲测量的电流值又低于额定值很多时（例如 10A） ，如何提高测量准确度？可以把“一次测”导线在铁心中间多绕几圈。例如，当用额定值为 200A 的传感器去测量 10A 的电流时，为提高准确度，可将“一次测”导线在传感器的铁心内孔中心绕 10 圈，即 NP=1
15、0，则 NP10A=100A，达到传感器额定值的一半，从而提高了准确度。缺点：当被测导线在铁心之间穿绕的匝数太多时，被测回路的感抗将增大许多，有可能人为地减小被测回路的电流，因此这种方法不予提倡。例 8-1 设某型号霍尔电流传感器的额定匝数比 NP/NS=1/2000，标准额定电流值IPN=300A，二次侧的负载电阻 RS=30。现将被测电流母线在铁心中穿绕两圈，通电后，用电流表测得二次侧电流 IS=0.15A，求输出到弱电回路的电压 US 和被测电流IP。解 1）U S=RSIS=4.5V2）根据式（8-3） ，被测电流 I P 为： A150.20SN课外学习指导安排每周二下午，在机械设计制造及自动化办公室进行答疑课外作业 P178：5、9检测教学目标实现程度考察学生能否利用霍尔 IC 测量磁场和计算电流传感器的输入、输出。
