第八章霍尔传感器
霍尔传感器教学课件
磁编码器
用于测量物体的旋转或线性位 置。
霍尔传感器在电子、汽车行业中的应用
电子
智能手机、电视机、电脑、数字相机
汽车
转向传感器、刹车传感器、车速传感器、燃油 传感器
霍尔传感器的优缺点
优点
灵敏度高、响应速度快、可靠性高、无机械磨损
缺点
价格较高、受环境影响大、精度受限制
霍尔传感器的维护
1 定磁干扰，确保霍尔传感器的正常工作和长寿命。
3 应用场景
霍尔传感器常用于电子 设备中，如智能手机、 电视机、电脑、数字相 机。
霍尔传感器的分类
根据输出信号分类
线性霍尔传感器、开关型霍尔传感器
根据工作原理分类
电流感应型霍尔传感器、磁感应型霍尔传感器
常见的霍尔传感器
电子流量计
用于测量液体或气体的流速和 体积。
位置传感器
用于检测物体的位置或位置变 化。
定期清洁霍尔传感器，防止灰尘和杂质堆积。
2 避免电磁干扰
将霍尔传感器安装在远离电磁源的位置，避免干扰。
3 遵循正确的使用方式
遵循使用手册中的指导，正确使用和维护霍尔传感器。
结论
1 霍尔传感器是一种重要的传感器
它通过测量磁场变化实现非接触式测量，广泛应用于电子和汽车行业。
2 有广泛的应用场景
霍尔传感器在智能手机、电视机、电脑、汽车等设备中发挥重要作用。
霍尔传感器教学课件PPT
# 霍尔传感器教学课件PPT 霍尔传感器是一种广泛应用于电子设备中的传感器。本教学课件将全面介绍 霍尔传感器的定义、工作原理，以及在电子和汽车行业的应用。
什么是霍尔传感器
1 定义
霍尔传感器是利用霍尔 效应来测量电磁场强度 变化的一种传感器。
第八章 检测技术的基础——霍尔传感器
施密特触发器,输出电路所 构成。 放大器采用差分式，利于
抗干扰； 施密特触发器是常用的限位
电平翻转的电路； 输出电路采用集电极开路方式(2,
3脚）。
2.线性集成块
放大器采用三运放组成精密电桥放大器，具有强大的抗干扰 能力。考虑到需要线性输出，有的器件内部安排了线性补偿电路。
角位移
3
2
1
7—14 角位移测量仪结构示意图
1—极靴 2—霍尔器件 3—励磁线圈
角度和电势变化正比，但不是线性，必须采用特定形状的磁极
位移
在磁场强度相同而极性相反的两个磁铁气隙中放置一 个霍尔元件。当元件的控制电流I恒定不变时，霍尔电 势方V 向H的与变磁化感梯应度强d度B dBx成为正一比常。数若则磁当场霍在尔一元定件范沿围x内方沿向x 移动时，VH 的变化为:
三.霍尔片的电路补偿
1.不等位电势的补偿:
不对称电路简单，而对称补偿的温度稳定性要好些
2.温度补偿
霍尔元件一般为半导体材料制成,许多参数都会受到温度的影响.例如迁移率、电 阻率都受到温度变化而明显变化。由此引起灵敏度,输入电阻,输出电阻都发 生相应变化.为了保证测量精度,有必要采取补偿措施。
（1）恒流源分压电阻法:
霍尔元件是半导体四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相对两侧对称的悍上两对电极 引出线（一对称激励电流端，另一对称霍尔电势输出端）
霍尔元件实测
演示视频
二、霍尔片的主要技术指标
1.额定激励电流IH:
霍尔元件温升10C所焦耳热W.
Wj
I 2R
I 2
的测量以及自动控制。归纳起来，霍尔传感器主要有下列三 个方面的用途：
①维持I、a不变，则E=f(B)，在这方面的应用有：测量
霍尔传感器
第八章霍尔传感器第二讲霍尔集成传感器和霍尔传感器的应用教学目的要求：1.理解霍尔开关和霍尔线性集成传感器的原理和结构。
2.理解霍尔传感器的实际应用。
教学重点：霍尔传感器的实际应用教学难点：霍尔开关和霍尔线性集成传感器的原理教学学时：2学时教学内容：一、霍尔集成传感器1.霍尔开关集成传感器1）．工作原理霍尔开关集成传感器是以硅为材料，利用平面工艺制造而成的。
由于N型硅的外延层（3）整形电路：一般采用施密特触发器，它把经差分放大的电压整形为矩形脉冲，实现A/D转换。
（4）输出管：由一个或两个三极管组成，采用单管或双管集电极开路输出，集电极输出的优点是可以跟很多类型的电路直接连接，使用方便。
（5）电源电路：包括稳压电路和恒流电路，设置稳压和恒流电路的目的，一方面是为了改善霍尔传感器的温度性能，另一方面可以大大提高集成霍尔传感器工作电源电压的适用范围。
2）．霍尔开关集成传感器的特性（1）磁特性霍尔开关集成传感器的磁特性是指由高电平翻转为低电平的导通磁感应强度B（H→。
L）、由低电平翻转为高电平的截止磁感应强度B（L→H）和磁感应强度的滞环宽度B 滞环宽度对霍尔开关集成传感器是必需的：（2输出高电平导通电源电流I CCL等参数。
2. 霍尔线性集成传感器线性集成霍尔传感器是将霍尔器件、放大电路、电压调整电路、电流放大输出级、失U随外加磁感应强度B呈调调整和线性度调整部分集成在一块芯片上，其特点是输出电压o线性变化。
霍尔线性集成传感器分单端输出和双端输出两种，它们的结构如图8-12（a）、（b）所示。
二、 霍尔传感器的应用由于霍尔传感器具有在静态状态下感受磁场的独特能力，而且它具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽（从直流到微波）、动态特性好和寿命长、无触点等许多优点，因此在测量技术，自动化技术和信息处理等方面有着广泛应用。
归纳起来，霍尔传感器有三个方面的用途：（1）当控制电流不变时，使传感器处于非均匀磁场中，则传感器的霍尔电势正比于磁感应强度，利用这一关系可反映位置、角度或励磁电流的变化。
《传感器技术与应用》课件第八章霍尔传感器
霍尔传感器的优缺点Fra bibliotek优点• 精度高 • 抗干扰强 • 无需接触 • 易于组装 • 稳定性好
缺点
• 灵敏度受工作条件影响 • 温度漂移 • 过渡范围小 • 工艺要求高 • 价格高
结论和总结
霍尔传感器作为一种新型传感器，它小巧易用，操作响应快，精度高，形象直观，无触点、寿命长等优 点——同时也具有一定的设计和工艺问题。它已经成功应用于各种领域，如工业自动化、医疗电子、汽车 电子、消费类电子等，可以说它的应用前景广阔。
1
车辆速度测量
通过霍尔传感器感知车轮旋转，检测出
电能计量
2
汽车行驶的速度。
通过霍尔传感器测量电流，实现对电能
表的感测，用来记录消费者用电量并通 过该数据进行电费统计。
3
工业领域无触点开关
通过交流磁场及霍尔效应，实现磨损少、 寿命长、反应速度快的高频开关，具有 广泛的应用前景。
常见的霍尔传感器应用案例
《传感器技术与应用》课 件第八章霍尔传感器
本章将全面介绍霍尔传感器的原理和分类，探讨它在实际应用中的作用和优 缺点，以及常见的应用案例。
霍尔效应的原理
霍尔效应是指将有电子通过的金属中产生横向磁场时，电子运动方向会受到磁场作用力的影响而发生偏转现象。 应用了霍尔效应后可以通过电磁场的变化来测量探测位置、速度、角度、电流等物理量。
Mining Conveyor Belt
霍尔传感器被应用在采矿行业的 传送带系统，实时检测重量、速 度、位置等信息。
Roofing Nail Gun
霍尔元件探测钉击打的磁场脉冲 信号来计数，计量钉击的时间、 频率、数量等。
Automotive Transmission
使用霍尔传感器来实现自动变速 器的控制，实现自动挡、手动挡 的自动换挡功能。
《霍尔传感器原理》课件
03
02
01
电机控制
检测电机转子的位置，实现无接触式控制。
位置控制
在机器人和自生产过程的监控。
通过霍尔传感器检测门的状态，实现自动锁定和解锁。
智能门锁
根据光线强度自动调节窗帘的开合。
智能窗户
与其它传感器结合，实现家电的远程控制和智能管理。
《霍尔传感器原理》PPT课件
目录
CONTENTS
霍尔传感器简介霍尔效应原理霍尔传感器的分类与特性霍尔传感器的应用实例霍尔传感器的未来展望参考文献
霍尔传感器简介
1
2
3
霍尔传感器广泛应用于自动化控制、电机控制、汽车电子、安防监控、智能家居等领域。
在自动化控制领域，霍尔传感器用于检测电机转子位置和转速，实现电机精准控制。
霍尔效应原理
洛伦兹力
当带电粒子在磁场中运动时，会受到洛伦兹力的作用，导致粒子运动轨迹发生偏转。
描述霍尔元件性能的一个重要参数，与载流子浓度、迁移率等有关。
霍尔常数
指单位体积内载流子的数目，对霍尔常数有直接影响。
载流子浓度
指载流子在电场作用下的平均漂移速度与电场强度的比值，也影响霍尔常数的大小。
迁移率
03
优点
霍尔元件具有测量精度高、线性度好、稳定性强、耐高温等特点。
01
材料
常用的霍尔元件材料包括半导体、金属、陶瓷等。
02
结构
霍尔元件通常由N型或P型半导体材料制成，其结构包括电极、基片、电极引脚等部分。
霍尔传感器的分类与特性
线性型霍尔传感器主要用于测量磁场，其输出电压与所处环境的磁场强度成正比。
由于其线性输出特性，线性型霍尔传感器常用于精确测量磁场，如电流检测、磁通量测量等。
自动检测技术及应用ppt课件第8章 霍尔传感器
若控制电流值固定，则： VH＝KBB
传感器及检测技术
KB——磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏 度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应 的霍耳电势值。常用于磁场测量等情况。 若磁场值固定，则：
VH＝KI I
KI——电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁 感应强度下电流对应的霍耳电势值。
传感器及检测技术
VH/mV 80 60
霍耳电势随负载电阻值而改变的情况
λ=R3/R2
λ=∞ λ=7.0 λ=3.0 λ=1.5
理论值 实际值
40 20
I
R3 VH
0 0.2 0.4 0.6 B/T 0.8 1.0
霍耳电势的负载特性
传感器及检测技术
6、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及 输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳 系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。 双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率， 影响灵敏度。二者相反。
VOUT/V 12
ON
OFF
0
BRP BH BOP B
霍耳开关集成传感器的工作特性曲线
霍耳开关集成传感器的技术参数： 工作电压 、磁感应强度、输出截止电压、 输出导通电流、工作温度、工作点。
磁场与传感器输出电平 的关系。当外加磁感强 度高于BOP时，输出电 平由高变低，传感器处 于开状态。当外加磁感 强度低于BRP时，输出 电平由低变高，传感器 处于关状态。
传感器及检测技术
三.霍耳磁敏传感器（霍耳器件）
电流极
D
霍耳电极
B
s
A
5.4 2.7
d
第八章霍尔传感器
第八章霍尔传感器
图8-1 霍尔元件
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）外形总结：
图8-2 线性型霍尔集成电路
a）外形尺寸b）内部电路框图c）双端差动输出型外观
图8-3 线性型霍尔集成电路输出特性
开关型霍尔集成电路将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器
（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
门重新变为高阻态。
这类器件中较典型的有UGN3020
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8-8角位移测量仪结构示意图
1－极靴2－霍尔器件3－励磁线圈发散性思维：
图8-12霍尔接近开关应用示意图
a）外形b）接近式c）滑过式d）分流翼片式
1－运动部件2－软铁分流翼片
）接近式c）滑过式哪一种不易损坏？为什么？
8-12d中，磁铁和霍尔接近开关保持一定的间隙、均固定不动。
软铁制作的分流翼片与运动部件联动。
当它移动到磁铁与霍尔接近开关之间时，磁力线被屏蔽，无法到达霍尔接近开关，所以此时霍尔接近开关输出跳变为高电平。
改变分流翼片的宽度可以改变霍尔接近开关的高电平与低电平的占空比。
发散性思维：电梯“平层”如何利用分流翼片的原理？
霍尔传感器的其他用途：霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、霍尔电能表、霍尔高斯计、霍尔液位计、霍尔加速度计等。
霍尔式传感器说课教案设计
霍尔式传感器说课教案设计第八章霍尔传感器
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
8-5开关型霍尔集成电路的史密特输出特性
特斯拉（T）＝104高斯（Gs）
磁铁从远到近，逐渐靠近图8-5所示的开关型霍尔
输出翻转？成为什么电平？
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 磁感应强度B的变化方向及数值
图8-12霍尔接近开关应用示意图
a）外形b）接近式c）滑过式d）分流翼片式
1－运动部件2－软铁分流翼片
）接近式c）滑过式哪一种不易损坏？为什么？
8-12d中，磁铁和霍尔接近开关保持一定的间隙、均固定不动。
软铁制作的分流翼片与运动部件联动。
当它移动到磁铁与霍尔接近开关之间时，磁力线被屏蔽
图8-13霍尔电流传感器原理及外形
a）基本原理b）外形
1－被测电流母线2－铁心3－线性霍尔IC
技术指标及换算霍尔电流传感器可以测量高达2000A的电流；
100kHz的正弦波和电工技术较难测量的高频窄脉冲；它的低频端可以一直延伸到直流电；响应时间小于1μs，电流上升率（d i/d t）大于200A/μs。
被测电流称为一次测电流I P，将霍尔电流传感器的输出电流称为“二次侧电流”（霍尔传感器中并不存在二次侧）。
“匝数比”概念：I/I和N/N。
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第八章霍尔传感器 LOGO
霍尔型传感器是磁电转换的一种传感器。1879 年霍尔在金属材料中发现的，已有一百多年的历史， 由于霍尔效应在金属中非常微弱，只是在大学的教 科书中作为一种理论而存在，并未付诸实际应用。 直到100多年以后，大约到上世纪四十年代后期，半 导体工艺的成熟，科学家利用半导体工艺重新试验 霍尔效应，结果发现：半导体工艺（P或N型）都可 以再现霍尔效应现象，并金属霍尔元件的公式半导 体霍尔元件可得到同样的结论，而且N型半导体尤其 明显。使霍尔效应得到广泛的应用。我国大约到上 世纪七十年代开始研究霍尔元件，已能生产各种性 能霍尔元件， 例如：普通型、高灵敏度型、低温度 系数型、测温测磁性和开关型等。
度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移 率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。 ❖ 当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数， 如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生 变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。
第八章霍尔传感器
减小霍尔元件的温度误差
❖ 选用温度系数小的元件 ❖ 采用恒温措施 ❖ 采用恒流源供电
第八章霍尔传感器
❖ 基本误差及其补偿 ❖ 温度误差及其补偿 ❖ 温度变化，导致霍尔元件内阻（Ri、Ro)和霍尔灵敏度
（KH）等变化，给测量带来一定误差，即温度误差。 为了减温度误差，需采取温度补偿措施。
第八章霍尔传感器
1.采用恒流源供电和输入回路并联电阻
温度变化引起霍尔元件输入电阻Ri变化，在稳压源供 电时，使控制电流变化，带来误差。为了减小这种误差，
第八章霍尔传感器
在磁场B中运动的电子将受到Lorentz力fL fL=evB
偏转,建立的霍尔电场EH对随后的运动电子施加一电场力fE fE=eEH=eUH /b
平衡时， fL = fE，即 evB= eUH /b
由于电流密度J=-nev(v为电子运动速度 )，则电流强度为 I=-nevbd
所以
式中，d—霍尔片度；n—电子浓度； RH=1/ne—霍尔系数； KH=RH/d=1/ned—霍尔灵敏度。
第八பைடு நூலகம்霍尔传感器
❖ 5.寄生直流电势UoD ❖ 在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔 ❖ 电极间产生的直流电势为寄生直流电势UoD。它主要是由 ❖ 于电极与霍尔片间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造 ❖ 成的。 ❖ 6.霍尔电势温度系数 ❖ 为温度变化1C时，霍尔电势变化的百分率（%/C）。 ❖ 7.电阻温度系数 ❖ 为温度变化1C时，霍尔元件电阻变化的百分（%/C） ❖ 8.灵敏度温度系数 ❖ 为温度变化1C时，霍尔元件灵敏度的变化率。 ❖ 9.线性度
第八章霍尔传感器
第一节 霍尔元件的工作原理及特性
❖ 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，当有电流流过薄片 时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动 势，这种现象称霍尔效应。如图所示。
第八章霍尔传感器
霍尔效应原理图
第八章霍尔传感器
❖ 霍尔效应所产生的电势称霍尔电势，大小与控 制电流I和磁感应强度B的乘积成正比例。半导 体薄片称霍尔片或者霍尔元件。
第八章霍尔传感器
❖ 霍尔元件主要技术参数 ❖ 1.输入电阻Ri和输出电阻Ro ❖ Ri Ro，Ri、Ro=100~2000。 ❖ 2.额定控制电流Ic—使霍尔元件在空气中产生10C温升的 ❖ 控制电流Ic=(几~几十)mA。 ❖ 3.不等位电势U0和不等位电阻R0 ❖ 霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时其霍尔 ❖ 电极间的电势为不等位电势U0，主要是由于两电极不在同 ❖ 一等位面上以及材料电阻率不均匀等因素引起的，一般 ❖ U0 10mV。等效为不等为电阻R0= U0 /Ic。 ❖ 4.灵敏度KH ❖ 在单位磁感强度下，通以单位控制电流时所产生的开路 ❖ 霍尔电压（mV/mA·T或mV/mA·kGs）。
最好采用恒流源(稳定度0.1%)提供控制电流。但灵敏度 系数KH也是温度的函数，因此采用恒流源后仍有温度误 差。为了进一步提高UH的温度稳定性，对于具有正温度 系数的霍尔元件，可在其输入回路并联电阻R，如图所示。
恒流源及输入并联电阻温度补偿电路
第八章霍尔传感器
由补偿电路图知，在温度t0和t时
当温度影响完全补偿时，UH0=UHt，则 将式(9-8)~式(9-11)代入式(9-12)，可得
(9-8) (9-9) (9-10) (9-11)
(9-12)
(9-13,14)
第八章霍尔传感器
❖ 2．选取合适的负载电阻RL ❖ 霍尔元件的输出电阻R。和霍尔电势都是温度的函数
(设为正温度系数)，霍尔元件应用时，其输出总要接负 载 ❖ RL(如电压表内阻或放大器的输入阻抗等)。当工作温度 改变时，输出电阻R。的变化必然会引起负载上输出电 势的变化。RL上的电压为
式中，Ro0—温度为t0时霍尔元件的输出电阻。 要使负载电压UL不随温度变化，即
第八章霍尔传感器
❖ 3.采用恒压源和输入回路串联电阻 ❖ 当霍尔元件采用稳压源供电，且霍尔输出开
路状态下工作时，可在输入回路中串人适当电 阻来补偿温度误差，其分析过程与结果同式
第八章霍尔传感器
温度误差及其补偿
❖ 温度误差产生原因： ❖ 霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温
第八章霍尔传感器
从式evB= e UH /b知，霍尔电压UH与载流子的运动速度 v有关， 即与载流子的迁移率有关。由于= v/El(El为电流方向上 的电场强度)，材料的电阻=1/ne，所以霍尔系数RH与载 流体材料的电阻率和载流子的迁移率的关系为
RH= •金属导体：大，但小（n大）； •绝缘体：大（n小），但小； 它们都不宜作霍尔元件(RH太小)。 •半导体：、适中—适宜作霍尔元件。
第八章霍尔传感器
霍尔电压UH还与元件的几何尺寸有关： KH=1/ned
厚度d越小越好，一般d=0.01mm； 宽度b加大，或长宽比（l/b）减小时，将会使UH下降，
应加以修正
式中，f(l/b)—形状效应系数，如表9-2所示。一般取 l/b=2~2.5，则f(l/b)1，就足够了。
第八章霍尔传感器
霍尔元件示意图 a)原理图；b)结构图；c)图形符号；d)外形图