第8节课 霍尔元件.反馈测量
霍尔传感器的工作原理
霍尔传感器的工作原理一、霍尔元件的测量电路1、基本测量电路霍尔元件的基本测量电路如下图所示。
激励电流由电压源E供给，其大小由可变电阻来调节。
▲基本测量电路2、霍尔元件的输出电路在实际应用中，要根据不同的使用要求采用不同的连接电路方式。
如在直流激励电流情况下，上图基本测量电路为了获得较大的霍尔电压，可将几块霍尔元件的输出电压串联，如下图a所示。
在交流激励电流情况下，几块霍尔元件的输出可通过变压器接成下图b所示的形式，以增加霍尔电压或输出功率。
▲霍尔元件的输出电路a）直流激励b）交流激励二、霍尔元件补偿1、霍尔元件不等位电动势及其补偿不等位电动势是一个主要的零位误差。
由于在制作霍尔元件时，不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上，如下图所示。
▲不等位电动势示意图因此当控制电流I流过元件时，即使磁场强度B等于零，在霍尔电极上仍有电动势存在，该电动势就称为不等位电动势。
在分析不等上图不等位电动势示意图位电动势时，把霍尔元件等效为一个电桥，如下图所示。
▲霍尔元件的等效电路电桥臂的四个电阻分别为r1、r2、r3、r4。
当两个霍尔电极在同一等位面上时，r1=r2=r3=r4，电桥平衡，这时输出电压U o等于零。
当霍尔电极不在同一等位面上时，因r3增大，r4减小，则电桥失去平衡，因此输出电压U o就不等于零。
恢复电桥平衡的办法是减小r2、r3。
在制造过程中如确知霍尔电极偏离等位面的方向，就应采用机械修磨或用化学腐蚀元件的方法来减小不等位电动势。
不等位电动势与霍尔电动势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电动势，而实用中要消除不等位电动势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。
分析不等位电动势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电动势。
几种补偿线路如下图所示。
图a、图b所示为常见的补偿电路，图b、图c相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻，图d用于交流供电的情况。
▲不等位电动势的几种补偿线路2、霍尔元件温度补偿霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。
全方位解析霍尔开关原理电路及失效检测
全方位解析霍尔开关原理电路及失效检测霍尔开关是一种基于霍尔效应工作的磁敏传感器，常用于检测磁场信号。
它由霍尔元件、电源电路和输出电路组成。
霍尔元件是其核心部件，其内部有一片半导体材料，正常情况下无磁场作用时，霍尔元件上电流为零。
但当有外部磁场作用时，霍尔元件上就会产生电势差，进而引起霍尔元件内部电流的变化，从而实现磁场信号的检测。
霍尔开关的原理电路包括霍尔元件、电源电路和输出电路。
电源电路可以为霍尔元件提供所需的电源供电，通常为直流电源。
输出电路用于检测霍尔元件产生的电流变化，并将其转换为可用的输出信号。
通常情况下，输出电路由一个比较器和一个开关组成，当霍尔元件上的电流变化达到一定阈值时，比较器会触发并输出一个高电平信号，从而驱动开关动作。
在实际应用中，霍尔开关主要用于检测磁场信号。
当有磁场接近霍尔元件时，磁场线会穿过霍尔元件的半导体材料，从而改变霍尔元件内部的载流子活动情况，最终导致霍尔元件上的电流变化。
根据霍尔电流的变化情况，可以判断磁场的方向和强度。
除了磁场信号的检测，霍尔开关还可以用于实现电流和电压的检测。
例如，可以将霍尔开关连接在电路中的电流回路上，通过检测霍尔电流的变化来判断电路中的电流大小和方向。
类似地，霍尔开关也可以用于检测电路中的电压情况，通过检测霍尔电流的变化来判断电压的大小和极性。
失效检测是霍尔开关的一项重要功能，主要用于检测霍尔开关是否正常工作。
常见的失效检测方法包括电源电压检测、输出电路检测和灵敏度检测。
电源电压检测主要用于检测霍尔开关电源电压是否在正常范围内，以保证霍尔元件正常供电。
输出电路检测主要用于检测输出电路的工作情况，通常通过检测输出信号的变化来判断。
灵敏度检测主要用于检测霍尔开关对磁场信号的敏感程度，可以通过改变外部磁场的强度和方向来测试。
总之，霍尔开关是一种基于霍尔效应工作的磁敏传感器，其原理电路包括霍尔元件、电源电路和输出电路。
它可以用于检测磁场信号、电流和电压。
霍尔元件高中物理知识点
霍尔元件高中物理知识点霍尔元件是一种由高中物理考试经常考到的重要元件，它是由电磁学理论中著名的德国物理学家爱伦霍尔提出的。
由于霍尔元件具有重要的物理性质，所以它们应用于许多领域，如电力系统、磁性学等。
因此，熟练掌握霍尔元件的相关知识，对于深入了解高中物理有重要的帮助。
霍尔元件的物理属性非常好，因此有一系列的应用。
其中最重要的应用便是电力系统的建设，如发电、运行和维护。
例如，在火力发电厂中，会涉及到一系列的霍尔元件，如发电机、变压器、发电线等，以及发电机的运行维护等。
熟悉霍尔元件的基本特性，有助于更好地理解发电机、变压器和电力线的结构和工作原理。
此外，霍尔元件还常常应用于磁性学的研究中，如磁体的磁通量、磁场的强度及其变化等。
这项研究便是利用霍尔元件实现磁场测量的技术，它能够检测出物质所产生的磁场，并可以帮助我们更好地分析物质中的磁性结构。
此外，霍尔元件还可以用于科学研究，如实验室中的一些精密仪器，包括物理学用的高精度计时装置和测量装置，以及电子学用的各种计算机。
当这些仪器工作时，霍尔元件会发出电磁辐射，它们的特性决定着这些仪器的准确性和精度。
因此，熟练掌握霍尔元件的知识，有助于更好地利用精密仪器实现科学研究。
霍尔元件在高中物理考试中也是一个重要的知识点，它不仅涉及到电磁学的知识，还涉及到电力系统、磁性学及精密仪器的工作原理等知识。
这些知识能够帮助学生更加全面地去理解它们的应用，从而更好地掌握和应用高中物理考试中的霍尔元件知识点。
总之，霍尔元件是一种高中物理考试中常考的重要元件，它的特性有助于高效的利用精密仪器实现科学研究，并且在电力系统建设、磁性学方面也有着重要的应用。
掌握霍尔元件的相关知识，将有助于更好地理解物理规律，从而在高中物理考试中取得更好的成绩。
霍尔元件测速原理说明及应用
霍尔元件测速原理说明及应用霍尔元件是一种具有特殊结构和特殊材料的电子元件，是由半导体材料组成的。
霍尔元件的测速原理是基于霍尔效应。
霍尔效应是指当电流通过垂直于磁场的导体时，导体两侧产生电压差。
霍尔元件利用霍尔效应，可以将电流和磁场转换为电压信号。
霍尔元件的结构一般由霍尔片和固定在霍尔片上的金属触点组成。
霍尔片一般是在P型或N型半导体上叠加一层接近绝缘的金属层，这两个结构相对于磁场磁通线垂直。
当通过霍尔元件的电流流过时，霍尔片两侧会产生电压差。
这个电压差与磁场的强度、电流的大小及方向，以及霍尔元件的几何尺寸相关。
应用方面，霍尔元件主要用于测速和位置检测。
以下是几个常见的应用示例：1.汽车速度传感器：霍尔元件可以用来检测汽车轮胎凹凸不平引起的震动，从而测量汽车的速度。
它可以代替传统的速度传感器，具有精度高、反应快和不易受环境影响等优点。
2.磁盘驱动器：霍尔元件可用于检测磁盘的转速。
通过检测旋转磁盘上的磁头是否通过霍尔元件附近的磁场来测量转速。
这对于磁盘驱动器的控制和数据读取非常重要。
3.电动机控制：霍尔元件可以用于检测电动机的转速。
通过将霍尔元件固定在电动机旋转轴上，可以通过检测每个霍尔元件通过磁场所产生的电压来测量电动机的转速。
4.位置检测：通过将霍尔元件固定在物体上，可以实时检测物体的位置。
这在一些自动控制系统中很有用，比如门禁系统、自动灯光调节和行车记录仪。
霍尔元件在工业和生活中有很广泛的应用。
它具有高灵敏度、快速响应、抗干扰能力强等优点，可以实现非接触测量和控制。
随着科技的进步和应用领域的扩大，霍尔元件的应用将会更加广泛。
霍尔元件测速原理说明及应用
霍尔测速测速是工农业生产中经常遇到的问题，学会使用单片机技术设计测速仪表具有很重要的意义。
要测速，首先要解决是采样的问题。
在使用模拟技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。
使用单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计数法。
只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数，即可获得转速的信息。
下面以常见的玩具电机作为测速对象，用CS3020设计信号获取电路，通过电压比较器实现计数脉冲的输出，既可在单片机实验箱进行转速测量，也可直接将输出接到频率计或脉冲计数器，得到单位时间内的脉冲数，进行换算即可得电机转速。
这样可少用硬件，不需编程，但仅是对霍尔传感器测速应用的验证。
1 脉冲信号的获得霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。
如图1所示是CS3020的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc，地，输出。
图1 CS3020外形图使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。
如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。
在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。
这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。
2 硬件电路设计测速的方法决定了测速信号的硬件连接，测速实际上就是测频，因此，频率测量的一些原则同样适用于测速。
通常可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。
所谓计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间内计数输入的脉冲个数；测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。
霍尔元件原理动画课件
线性度
选择线性度好的霍尔 元件，能够提高测量 的准确性和可靠性。
温度稳定性
选择温度稳定性好的 霍尔元件，能够减小 温度对测量结果的影 响。
可靠性
选择经过严格质量检 测和具有较长寿命的 霍尔元件，能够保证 长期使用的稳定性和 可靠性。
使用注意事项
详细描述
温度稳定性是衡量霍尔元件在不同温度下性能稳定性的重要参数。温度稳定性好 的元件能够在较宽的温度范围内保持稳定的输出电压，从而提高测量的准确性和 可靠性。
05 霍尔元件的选用与使用注 意事项
选用原则
测量范围
根据实际需要选择测 量范围合适的霍尔元 件，以满足不同的磁 场强度和电流需求。
灵敏度
霍尔元件原理动画课件
contents
目录
• 霍尔元件简介 • 霍尔元件工作原理 • 霍尔元件动画演示 • 霍尔元件性能参数 • 霍尔元件的选用与使用注意事项 • 霍尔元件的发展趋势和未来展望
01 霍尔元件简介
霍尔元件的定义
01
霍尔元件是一种基于霍尔效应的 磁敏器件，能够将磁场转换为电 信号。
02
定基础。
高性能化发展
总结词
随着对霍尔元件性能要求的不断提高，高性能化发展成为未来的重要趋势。通过改进材料、优化结构和降低噪声 等手段，可以提高霍尔元件的精度、灵敏度和稳定性。
详细描述
为了满足日益增长的性能需求，霍尔元件的高性能化发展至关重要。科研人员正在不断探索新的材料、优化结构 设计和降低噪声的方法，以提高霍尔元件的精度、灵敏度和稳定性。这些努力将有助于推动霍尔元件在各个领域 的应用，并提升其整体性能。
互动性
为了增强观众的参与感和互动性，可以在动画中 加入一些互动元素，如交互式按钮或菜单等。
霍尔原件实验报告
一、实验目的1. 了解霍尔效应的基本原理和实验方法。
2. 掌握霍尔元件的结构、工作原理和应用。
3. 通过实验测量霍尔元件的霍尔电压、霍尔系数等参数。
4. 熟悉霍尔元件在磁场测量中的应用。
二、实验原理霍尔效应是当电流通过半导体材料时，在垂直于电流和磁场方向的两侧会产生电势差的现象。
这种现象是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力作用而引起的。
根据霍尔效应，可以测量磁场的强度和方向。
霍尔元件是利用霍尔效应制成的传感器，其基本结构包括半导体材料、电流源、电极和放大器等。
当电流通过半导体材料时，在垂直于电流和磁场方向的两侧会产生电势差，即霍尔电压。
霍尔电压的大小与磁场强度、电流强度和半导体材料的霍尔系数有关。
三、实验仪器与设备1. 霍尔元件实验仪2. 电流源3. 磁场发生器4. 数字多用表5. 示波器6. 计算机四、实验步骤1. 连接电路：按照实验仪说明书，将霍尔元件、电流源、磁场发生器和数字多用表等仪器连接好。
2. 设置参数：根据实验要求，设置电流源和磁场发生器的参数。
3. 测量霍尔电压：将数字多用表设置为直流电压测量模式，测量霍尔元件的霍尔电压。
4. 改变磁场强度：调整磁场发生器的参数，改变磁场强度。
5. 记录数据：记录不同磁场强度下的霍尔电压值。
6. 数据处理：利用计算机软件对实验数据进行处理和分析。
五、实验结果与分析1. 霍尔电压与磁场强度的关系：根据实验数据，绘制霍尔电压与磁场强度的关系曲线。
从曲线可以看出，霍尔电压与磁场强度呈线性关系。
2. 霍尔系数的测量：根据霍尔电压、电流强度和磁场强度，计算霍尔系数。
霍尔系数是霍尔元件的重要参数，反映了霍尔元件的灵敏度。
3. 霍尔元件的线性度：通过实验数据，可以评估霍尔元件的线性度。
线性度越高，霍尔元件的测量精度越高。
4. 霍尔元件的稳定性：通过长时间实验，可以评估霍尔元件的稳定性。
稳定性越高，霍尔元件的使用寿命越长。
六、实验结论1. 霍尔效应是利用载流子在磁场中受到洛伦兹力作用而引起的偏转现象。
霍尔元件的测量电路及补偿.
霍尔元件的测量电路及补偿1．基本测量电路霍尔元件的基本测量电路如图4.3所示。
在图4.3所示电路中，激励电流由电源E 供给，调节可变电阻可以改变激励电流I ，R L 为输出的霍尔电势的负载电阻，它一般是显示仪表、记录装置、放大器电路的输入电阻。
由于霍尔电势建立所需要的时间极短，约为10-14~10-12s ，因此其频率响应范围较宽，可达109 Hz 以上。
图4.3霍尔元件的基本测量电路霍尔元件属于半导体材料元件，它必然对温度比较敏感，温度的变化对霍尔元件的输入、输出电阻以及霍尔电势都有明显的影响。
因此实际应用中必须进行温度补偿。
2．温度补偿的方法霍尔元件的温度补偿通常采用以下几种方法。
（1）恒流源补偿法。
温度的变化会引起内阻的变化，而内阻的变化又使激励电流发生变化以致影响到霍尔电势的输出，采用恒流源可以补偿这种影响。
（2）选择合理的负载电阻进行补偿。
在图4.3所示的电路中，当温度为T 时，负载电阻R L 上的电压为OL L H L R R R U U += （4.3） 式中，R o 为霍尔元件的输出电阻。
当温度变化时，由于受霍尔电势的温度系数α、霍尔元件输出电阻的温度系数β的影响，霍尔元件的输出电阻R o 以及霍尔电势U H 均受到影响，使得负载电阻R L 上的电压R L 产生变化。
要U L 使不受温度变化的影响，通过推导可知，R L 、α、β必须满足下式：ααβ-=O L R R （4.4） 对一个确定的霍尔元件，可查表得到α、β和R o 值，再求得R L 值，即只要合理选择R L 使温度变化时R L 上的电压U L 维持不变，这样在输出回路就实现了对温度误差的补偿。
（3）利用霍尔元件输入回路的串联电阻或并联电阻进行补偿的方法。
霍尔元件在输入回路中采用恒压源供电工作，并使霍尔电势输出端处于开路工作状态。
此时可以利用在输入回路串入电阻的方式进行温度补偿，如图4.4所示。
图4.4 串联输入电阻补偿原理 经分析可知，当串联电阻取io R R ααβ-=时，可以补偿因温度变化而带来的霍尔电势的变化，其中R io 为霍尔元件在0℃时的输入电阻。
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H0
H1
V
h
I
1 -K +
V’ R
V
Hall元件
4、试述下图 差容力平衡式加速度传感器的工作原理
霍尔器件的主要描述参数
a)额定控制电流 b)输入电阻与输出电阻 c)不等位电势和不等位电阻 d）灵敏度 K H RH / d e）寄生直流电势U f）霍尔电动势温度系数α g）内阻温度系数β h）热阻 RQ
by Joe Gilbert， Technical Advances in Hall-Effect Sensing
V
H1 H0
V
h
I1 - K +
Hall元件
nV I 0 nI1 R
反馈测量分析
当Hall元件检测到磁场的时候，输出一个电压，从而驱动副绕组产生 一个相反方向的磁场。有关系：
H 0 I 0 H1 n I1 H H 0 H1 I1 V / R Vh sH
H ( I 0 I1 ) ( I 0 V / R )
THS119线性元件的输出特性曲线
VH - B
(mA) 160 120 80 40 0 0
IC=5mA Ta=25℃
HALL VOLTAGGE VH
0.05 0.1 0.15 MAGNETIC FLUX
0.2 0 .25 0.3 B (T)
MAGNETIC FLUX 磁通
一般集成Hall器件的两种常用形式
为恒流符号
符号及基本接口电路
1、霍尔元件的基本符号
2、基本接口电路
电 流 源
Hall基本元件的输出有较强的共模电压，需要使用差动放大电路。
Hall 传感器级别
单片Hall元件
一般集成Hall元件
可编程Hall 元件
发展方向
Hall 传感器的主要优点
1、可以用来测量交直磁场 2、动态特性极好(最好GHz) 3、体积小 4、易于集成
数字类：用于电机转动的探测
N
S
N
S A-11
思考题：如果不仅需要知道电机的转速，而且还需要知道
转动的方向，问应该如何使用霍尔传感器？
（投影：光驱、软驱电机的结构）
制作直流电机的电子换向器
Brushless DC motor
Star winding
Delta winding
Brushless DC motor 2-φ push-pull drive
V
导磁环
H1 H0
V
h
I1 - K +
-V
+V
钳形电流表
作 业
1、如何放置霍尔元件能实现既能测速 又能判断转动方向？ 2、使用霍尔元件做成的流量计与 使用线圈做成的流量计在性能上有 何主要区别？ 导磁环 3. 分析如图所示的 反馈式电流测量的 原理。在直流测量 中，反馈法与直接 测量法零点误差相 同吗？为什么？如 何消除？ S N 题1图
22n Y2 ( s ) 2 2 s 2 22 n s 2 n
系数、固有频率进行调整， 从而得到更好的动态性。
有反馈时的响应
非常重要的内容
零点调整
经验表明，使用Hall元件进 行直流电流的测量时，必须 适时进行零点调整。这主要 是由于Hall元件的零点电压 随温度或时间的变化而漂移 造成的。为此，在放大器的 一端引入调零电位器，以消 除其影响。 V’ R
(4) 视频：用于磁悬浮的位置检测
磁悬浮原理1示意图
铁心 线圈
控制器
N S 悬浮物（磁铁） 霍尔元件
磁悬浮原理2示意图
铁心 线圈
控制器
霍尔元件 S
N 悬浮物（磁铁）
难点：电磁铁产生的磁场与悬浮物(磁铁)产生的磁场相互耦合，互相 影响，不容易稳定
为了取得比较好的效果，必须使用PID控制原理。有关内容参见自动控制 原理。自由练习：写出系统的传递函数。
测量结果与Hall元件的线性无关。因此利用此原理可望制作精度更高 电流的探测器。另外，通过进一步分析，这种原理下的传感器有以下 优点: •线性好 •可工作在更大的区间 •精度高 •动态特性好 (可以使用控制原理调整系统的特性)
缺点
结构复杂，可能会有自激振荡，调整麻烦，造价高
参见参考书：
通过调整反馈改变系统特性
(2) 位移类测量
从曲线可见： 结构（b）在Z<2mm时，Vh与 Z有良好的线性关系，且分 辨力可达1μm， 结构（C）的灵敏度高，但 工作距离较小。 S N
N S
Vout (mV ) B(T ) 3
1
2
Z ( mm)
数字类检测、无触点开关
E+
霍尔 集成电路 VT
采用霍尔开关集成器件的无触点开关当适 当的磁场加在器件上时，内部晶体管导通， 输出电压等于VT管的饱和压降，数值很小， R 即输出低电平。当不存在磁场时，VT管截 止，输出高电平。这种开关是一种无抖动 输出 的无触点开关，工作频率可达 100kHz。 输出采用集电极开路的形式(O.C.)，极易 与各种不同的输出负载接口，使用广泛。
V ( I 0 I1 ) ( I 0 V / R ) sk
1 n I0 V ( ) sk R
这里，s, k , 均为系数。可见当k 的时候，I0 nV R
H Vh / s V / sk
反馈测量的优点及问题 优点
从前面的推导可以看出，只要放大器的放大倍数足够大，则
VCC
1
Vs +
REG
稳压器 2 输出
OUTPUT
地
3 GROUND
线性
开关型
电流源符号 迟滞比较器(施密特触发器)的符号 REG: Regulator, 调节器，稳压器
位移类: 加速度测量
UI VH(mV) 1.2
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
S N
s M
UH
N S
a(g)
141210864202468101214 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0 -1.2
Hall电流传感器
导磁环
Hall元件
H k
+
R
V
关于为何能用磁环进行电流的测量请参阅有关书籍。使用磁环后导线在磁环 中的位置对测量基本无影响。铁氧体材料非常有用，广泛应用在收音机天线 回路、开关电源变压器等中，它能工作在非常高的频率上。
非常重要的内容
反馈测量原理及其优点
导磁环 当Hall元件检测到磁场的时 候，输出一个电压，从而驱 动副绕组产生一个相反方向 的磁场。如果放大器的增益 K为无穷大，无论I1为何值， 穿过Hall元件的磁场几乎为 零。因此有关系： V R
xo
整个闭环系统的传递函数为：
+ -
x1 H (S) 1 x2
yo
Y0 H1 ( S ) H (S ) X 0 1 H1 ( S ) H 2 ( S )
H 2(S)
无反馈时的响应 12n Y1 ( s ) 2 s 2 11n s 12n 因此，可以通过H2(s)对阻尼
<<测试技术>>
课程讲稿
第8课
霍尔传感器及反馈测量
冯志华 中国科学技术大学 精密机械与仪器系 2012年10月
原 理
i V1 i V1 i V1
V2
No Magnetic Field
V2
North Magnetic Field
V2
South Magnetic Field
RH IB EH d
RH —霍尔系数 I —控制电流（A） B —磁感应强度（T） d—霍尔元件厚度（m）