传感器原理3.1霍尔传感器

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1、3.1霍尔传感器霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。一、霍尔效应在置于磁场的导体或半导体中通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象就是霍尔效应，是由美国科学家爱德文·霍尔在

2、1879年发现的。产生的电势差称为霍尔电压。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。IBADzBCdlybUHxA、B-霍尔电极C、D-控制电极霍尔效应的本质：固体材料中的载流子在外磁场中运动时，受到洛仑兹力的作用，轨迹发生偏转而产生电动势。理论上，所有金属材料都可以产生霍尔效应。IB根据推导：UHRHKIBHd式中，RH为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱K为霍尔灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控H制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小，RH它的单位是mV/(mA·T)KHd从公式可以看出:1)霍尔电压U与材料的性质有关。在半导

3、体材料中，霍尔元H件一般采用N型半导体材料。2)霍尔电压U与元件的尺寸有关。根据公式，d愈小，KHH愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。霍尔电压UH与控制电流及磁场强度B有关。根据式正比于B。当控制电流恒定时愈大UH愈大。当磁场改变方向时，UH也改变方向。同样，当霍尔灵敏度及磁感应强度恒定时，增加控制电流，也可以提高霍尔电压的输出。二、霍尔元件（略）三、霍尔元件的主要外特性参数1、最大磁感应强度BH2、最大激励电流BH四、集成霍尔传感器集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线

4、路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越爱到众的重视。集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。1、线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器外形特性曲线2、开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数

5、字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。五、霍尔传感器的应用1、一般应用（1）测量磁场使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场进行检测。（2）霍尔开关电路用在直流无刷电机中直流无刷电

6、机使用永磁转子，在定子的适当位置放置所需数量的霍尔器件，它们的输出和相应的定子绕组的供电电路相连。当转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令已通电的霍尔器件输出一个电压使定子绕组供电电路导通，给相应的定子绕组供电，产生和转子磁场极性相同的磁场，推斥转子继续转动。到下一位置，前一位置的霍尔器件停止工作，下位的霍尔器件导通，使下一绕组通电，产生推斥场使转子继续转动。如此循环，维持电机的工作。其工作原理示于图。IC2VccIC1H2V3PV4PSNSNNSVccNHS1V3NV4NV1PV2PV1NV2N在这里，霍尔器件起位置传感器的作用，检测转

7、子磁极的位置，它的输出使定子绕组供电电路通断，又起开关作用，当转子磁极离去时，令上一个霍尔器件停止工作，下一个器件开始工作，使转子磁极总是面对推斥磁场，霍尔器件又起定子电流的换向作用。无刷电机中的霍尔器件，既可使用霍尔元件，也可使用霍尔开关电路。使用霍尔元件时，一般要外接放大电路，使用霍尔开关电路，可直接驱动电机绕组，使线路大为简化。（3）无损探伤铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高，磁阻小，磁力线都集中在材料内部。若材料均匀，磁力线分布也均匀。如果材料中有缺陷，如小孔、裂纹等，在缺陷处，磁力线会发生弯曲，使局部磁场发生畸变。用霍尔探头检出

8、这种畸变，经过数据处理，可辨别出缺陷的位置，性质（孔或裂纹）和大小（如深度、宽度等），图示出两种用于无损探伤的探头结构。(b)检测板材用。(a)无损探伤的探头结构(b)检测板材用