传感器技术与应用第3版教学课件作者金发庆第6章节霍尔传感器及其他磁传感器课件

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1、第6章霍尔传感器及其他磁传感器6.1霍尔传感器工作原理6.2霍尔传感器6.3其他磁传感器6.4霍尔传感器及其他磁传感器应用实例6.5实训6.1霍尔传感器工作原理6.1.1霍尔效应在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，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，这种现象称为霍尔效应。如图6-1所示，长、寛、高分别为L、W、H的N型半导体薄片的相对两侧a、b通以控制电流，在薄片垂直方向加以磁场B。在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由c側指向d側方向力的作用，这个力就是洛仑兹力，大小为FL=qvB图6-1霍尔效应与霍尔元件（a）霍尔效应（b）霍尔元件结构（c）图形符号（d）

2、外形c、d两端面因电荷积累而建立了一个电场EH，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡。这时有qEH=qvB霍尔电场的强度为EH=vB在c与d两側面间建立的电势差称为霍尔电压：UH=EHW或UH=vBW当材料中的电子浓度为n时，，电子速度为得：设：得霍尔电压：设：得：式中RH为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱;KH为霍尔灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小。可以看出，霍尔电压UH大小（1）与材料的性质有关。（2）与元件的尺寸有关。（3）与控制电流及磁场强度有关。6.1.2霍

3、尔元件的主要技术参数利用霍尔效应制成的磁电转换元件称为霍尔元件。霍尔元件由霍尔片、引线和壳体组成,如图6-1(c)所示。霍尔片是矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1′两根引线加激励电流，称为激励电极；2、2′引线为霍尔电压输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。图6-1霍尔元件（c）外型结构示意图（d）图形符号在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图6-1(d)所示。霍尔元件主要技术参数为：1.输入电阻RIN和输出电阻ROUT；2.额定控制电流IC；3.不等位电势U0，即未加磁场时的输出电压，一般小于1mV；4.霍尔电压UH；5.霍尔电压的温度特性。6.2霍

4、尔传感器6.2.1霍尔开关集成传感器霍尔开关集成传感器是利用霍尔元件与集成电路技术制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。图6-2所示为内部组成框图。当有磁场作用在霍尔开关集成传感器上时，霍尔元件输出霍尔电压UH。一次磁场强度变化，使传感器完成一次开关动作。图6-2霍尔开关集成传感器内部框图具有使用寿命长，无触点磨损，无火花干扰，无转换抖动，工作频率高，温度特性好，能适应恶劣环境等优点。常见型号有UGN-3020,UGN-3030,UGN-3075。工作电压为4.5～25V，输出低电平<0.04mV。常用于：点火系统、保安系统、转速测量、里程测量、机械设备

5、限位开关、按钮开关、电流的测量和控制、位置及角度的检测，等等。6.2.2霍尔线性集成传感器霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系。一般由霍尔元件和放大器组成，当外加磁场时，霍尔元件产生与磁场成线性的霍尔电压，经放大器放大后输出。霍尔线性集成传感器有单端输出型和双端输出型两种，典型产品分别为SL3501T和SL3501M两种。图6-3为SL3501T，单端输出型，工作电压8～12V，输出电压2.5～5V，灵敏度3500～7000mV/mA·T。图6-3单端输出型传感器的电路结构图6-4为SL3501M，双端输出型，两个输出端输出正、负差分信号，还可提供输出失调调零。工作电压8～

6、16V，输出电压0～3.6V，灵敏度700～1400mV/mA·T。霍尔线性集成传感器常用于：位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量和控制。图6-4双端输出型传感器的电路结构6.3其他磁传感器6.3.1磁阻元件当霍尔元件受到与电流方向垂直的磁场作用时，不仅会出现霍尔效应，而且还会出现半导体电阻率增大的现象，称为磁阻效应。利用磁阻效应做成的电路元件，叫磁阻元件。1.基本工作原理在没有外加磁场时，磁阻元件的电流密度矢量，如图6-5(a)所示。当磁场垂直作用在磁阻元件表面上时，由于霍尔效应，使得电流密度矢量偏移电场方向某个霍尔角θ，如图6-5(b)所示。这使电流流通的途径变长，导致元件两端金

7、属电极间的电阻值增大。(a)在无磁场时(b)有磁场作用时图6-5磁阻元件工作原理示意图2.磁阻元件的基本特性1）B-R特性磁阻元件的B-R特性，用无磁场时的电阻R0和磁感应强度为B时的电阻RB来表示。2）灵敏度K磁阻元件的灵敏度K，可由下式表示，即K=R3/R0一般来说，磁阻元件的灵敏度K≥2.73）温度系数磁阻元件的温度系数约为‐2%/℃，是比较大的。可以用两个磁敏元件串联起来，采取分压输出，可