自动检测技术梁森版第八章.ppt

机电类《自动检测技术及应用》多媒体课件 （共13章，第八章）统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4课程配套网站或 2012年7月版 第八章 霍尔传感器 本章介绍霍尔传感器 的工作原理、霍尔集成电路的特性及其在检测技术中的应用，还涉及交直流霍尔电流传感器、霍尔电压传感器的原理及输出信号的换算。 第八章 霍尔传感器 目录 8.1 霍尔元件的工作原理及特性 8.2 霍尔集成电路 8.3 霍尔传感器的应用 第一节 霍尔元件的结构及工作原理 霍尔效应: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，导电薄膜越薄，灵敏度就越高。 影响霍尔电动势的因数 流入激励电流端（a、b）的电流Iab越大，电子和空穴积累得就越多，霍尔电动势也就越高。 作用在薄片上的磁感应强度B越强，电子受到的洛仑兹力也越大，霍尔电动势也就越高。 薄片的厚度、半导体材料中的电子浓度等因素对霍尔电动势也有很大的影响。设半导体薄片的厚度为δ，霍尔元件中的电子浓度为n，电子的电荷量为e，则霍尔电动势EH可用下式表示： 霍尔电动势与灵敏度 式中的n、e、δ在薄片的尺寸、材料确定后均为常数，可令KH=1/(neδ)，则上式可简化为： EH=KH IB 式中： KH——霍尔元件的灵敏度。 由于金属材料中的电子浓度n很大，所以灵敏度KH非常小。而半导体材料中的电子浓度较小，所以灵敏度比较高。 霍尔元件的工作原理分析 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。 磁感应强度B 较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示： EH=KH IB 霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧（d 侧）偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 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，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? 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势演示 结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比。当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。 如果所施加的磁场为交变磁场，霍尔电势为同频率的交变电势。 霍尔元件的主要外特性参数 最大磁感应强度BM 霍尔元件的主要外特性参数（续） 最大激励电流IM : 霍尔元件的等效电路 在a、b、c、d四个端点之间,等效于一个四臂电桥 霍尔元件的不等位电动势及调零 在额定激励电流下，当外加磁场为零时，霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电动势E0，它是由于4个电极的几何尺寸不对称引起的。 霍尔集成电路的调零 当UGN3501M感受的磁场为零时，调节5、6、7之间的调零电位器，可使第1引脚相对于第8引脚的输出电压等于零。 第二节 霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。 线性型霍尔特性 右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零； 当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时， 输出为正； 磁场反向时，输出为负。 开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、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。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。 开关型霍尔集成电路的外形及内部电路 开关型霍尔集成电路（OC门输出）的接线 请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来. 开关型霍尔集成电路与继电器的接线 开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越大，抗振动干扰能力就越强。 第三节 霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于I、B、? 三个变量的函数，即： EH=KHIBcos? 。 利用这个关系可以使其中两个量不变，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。这使得霍尔传感器可以有许多用途。 霍尔传感器主要用于测量能够转换为磁场变化的其他物理量。