霍尔传感器的原理及应用[1].doc

上海电机学院电气学院

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教材分析难点：开关型霍尔集成电路的特性重点：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0.1~1A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（HallEffect），该电动势称为霍尔电动势（HallEMF），上述半导体薄片称为霍尔元件（HallElement）。用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器（HallTransducer）。

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=KHIB（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θ时，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Bcosθ，这时的霍尔电动势为
EH=KHIBcosθ（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Ri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Iab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。
A．0mAB．±0.1mAC．±10mAD．100mA
（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，Bm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。
A．0TB．±0.10TC．±0.15TD．±100Gs
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）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
a）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）＝104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
B/T
OC门输出状态
OC门接法磁感应强度B的变化方向及数值00.020.0230.030.020.0160接上