霍尔传感器原理及应用研究
四川信息职业技术学院
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2010年 10 月日
目录
摘要 (1)
第1章绪论 (2)
1.1霍尔传感器概述 (2)
1.2论文研究的目的和意义 (2)
第2章霍尔传感器的工作原理和特性 (4)
2.1霍尔传感器的工作原理 (4)
2.1.1霍尔效应 (4)
2.1.2霍尔元件 (4)
2.1.3霍尔传感器 (5)
2.2霍尔传感器的特性 (6)
2.2.1线性型霍尔传感器的特性 (6)
2.2.2开关型霍尔传感器的特性 (6)
第3章霍尔传感器的应用 (7)
3.1线性型霍尔传感器的应用 (7)
3.1.1霍尔电流传感器 (7)
3.1.2位移测量 (7)
3.1.3功率测量 (8)
3.2开关型霍尔传感器的应用 (8)
3.2.1测转速或转数 (8)
3.2.2接近开关 (9)
3.2.3无刷电机 (9)
3.2.4各种实用电路 (9)
3.3霍尔传感器的一种特殊应用 (10)
总结 (13)
致谢 (14)
参考文献 (15)
I
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摘要
传感器是将非电量转化为电量的器件或装置。它利用材料或元器件的物理、化学效应来探测各种物理量(光、热、声、力、磁等)、化学量(湿、气、味等)以及生物量(酵素、微生物等)的强弱大小并将之转换成电量，然后进行信息的加工处理或直接向外传递。输出信号可以有不同形式，如电压、电流、频率、脉冲等，能满足人们对感知信息传输、处理、记录、显示、控制的各种要求，是自动检测和自动控制系统中不可缺少的元件。其中，霍尔传感器的发展非常迅速，在各个领域的应用也非常广泛。
霍尔传感器是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。
关键词霍尔效应；霍尔元件；霍尔传感器
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第1章绪论
1.1霍尔传感器概述
早在1879年，美国物理学家霍尔(Edwin H. Hall)便发现了霍尔效应，但是实用的霍尔元件一直到人工制成半导体材料出现之后才出现。1986年，Sugiyama等采用了GaAs/AlGaAs异质结构制作霍尔元件，其电流相关灵敏度达到1000V/AT，但是灵敏度的稳定性差。而采用了超晶格结构的霍尔元件克服了这一缺陷。在之后的技术发展中，霍尔元件具有高灵敏度、低电位电势和很高的温度稳定性，有些霍尔元件还具有很高的信噪比。自此，霍尔传感器也得到了飞速的发展，并在汽车、工业、计算机等行业中得到广泛应用，如齿轮速度检测、运动与接近检测及电流检测等。霍尔传感器的出现，解决了许多让人感到棘手的问题。
霍尔传感器具有许多优点：
1．霍尔传感器的结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗小、频率高（可达1MHZ）。
2．霍尔传感器耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
3．线性霍尔传感器的精度高、线性度好；开关型霍尔传感器无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置精度高。
现在，霍尔传感器己成为使用最广泛的传感器之一。
1.2论文研究的目的和意义
随着传感器技术的发展，霍尔传感器的应用范围越来越广。就目前的市场分析，霍尔传感器广泛应用在检测齿轮齿速、油门位置、尾气再循环阀位置、马达与传动的速度和位置，用于防锁闸、牵引系统的车轮速度测量、脚踏板、座椅安全带、刹车与离合器的位置、车锁、车窗及油耗等诸多方面上。本论文围绕线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器，目的在于介绍线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器的工作原理和特性，并研究它们是怎样应用在各种实用电路和常见器件中的。因为霍尔传感器具有环保、耐用、抗震、易安装等优点，一些专家认为，霍尔传感器走进游戏机手柄、电动玩具等电子消费市场将是大势所趋。因此，研究霍尔传感器的原理及其应用在理论
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上对霍尔传感器走进电子消费市场奠定了一定的基础，对霍尔传感器的发展有非常重大的意义。
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第2章 霍尔传感器的工作原理和特性
2.1霍尔传感器的工作原理
2.1.1霍尔效应
1879年，美国物理学家霍尔经过大量的实验发现：如果让恒定电流通过金属薄片，并将薄片置于强磁场中，在金属薄片的另外两侧将产生与磁场强度成正比的电动势。这个现象后来被人们称为霍尔效应。
霍尔效应的本质是：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示：参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。
在半导体薄片两端通以控制电流I ，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B 的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为U H 的霍尔电压，它们之间的关系为：
U H =K·I·B /d （2-1）
式中d 为薄片的厚度，K 称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。
2.1.2霍尔元件
根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。霍尔元件多采用N 型半导体材料。霍尔元件越薄(d 越小)，U H 就越大，薄膜霍尔元件厚度只有1μm 左右。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点。因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。
当通有小电流的半导体薄片置于磁场中时，半导体内的载流子受洛伦兹力的作用发生偏转，使半导体两侧产生电势差，该电势差即为霍尔电压U H ，U H 与磁感应强度B 及控制电流I C 成正比，经过理论推算有：
U H =（R H /d ）·B·I C （2-2）
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式中：B为磁感应强度；I C为控制电流；R H为霍尔系数；d 为半导体厚度。
式（2-2）中，若保持控制电流I C不变，在一定条件下，可通过测量霍尔电压推算出磁感应强度的大小，由此建立了磁场与电压信号的联系。根据这一关系式，人们研制出了用于测量磁场的半导体器件，即霍尔元件。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。
2.1.3霍尔传感器
由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。
霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。
1．线性霍尔传感器
线性集成霍尔传感器的输出电压与外加磁场强度在一定范围内呈线性关系，广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量、控制。这种传感器有单端输出和双端输出（差动输出）两种电路。线性霍尔传感器的精度高、线性度好。
2．开关型霍尔传感器
开关型霍尔传感器可分为单稳态和双稳态，内部均有五个部分，即由稳压源、霍尔电势发生器、差分放大器、施密特触发器以及输出级组成。当有磁场作用在开关型霍尔传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电压，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。当放大后的霍尔电压大于“开启” 阈值时，施密特电路翻转，输出高电平，使晶体管导通，整个电路处于开状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的电压很小，经放大器放大后其值仍小于施密特的“关闭”阈值时，施密特整形器又翻转，输出低电平，使晶体管截止，电路处于关状态。这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成一次开关动作。
开关型霍尔传感器无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置精度高。取用各种补偿和保护措施的霍尔传感器的工作温度范围宽，可达55℃～150℃。
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2.2霍尔传感器的特性
2.2.1线性型霍尔传感器的特性
图2-1 线性型霍尔传感器的特性
线性型霍尔传感器的输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图2-1所示。可见，在B 1～B 2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈饱和状态。
2.2.2开关型霍尔传感器的特性
如图2-2所示，其中B OP 为工作点“开”的磁感应强度，B RP 为释放点“关”的磁感应强度。
图2-2 开关型霍尔传感器的特性 图2-3 锁键型开关型霍尔传感器特性
当外加的磁感应强度超过动作点B op 时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点B op 以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点B RP 时，传感器才由低电平跃变为高电平。B op 与B RP 之间的滞后使开关动作更为可靠。
另外还有一种“锁键型”（或称“锁存型”）开关型霍尔传感器，其特性如图2-3所示。当磁感应强度超过动作点B op 时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到B RP 时，才能使电平产生变化。
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第3章霍尔传感器的应用
霍尔传感器的应用按被检测对象的性质分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测受检对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，这个磁场是被检测的信息的载体。通过它，将许多非电、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等转变成电学量来进行检测和控制。
3.1线性型霍尔传感器的应用
线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。
3.1.1霍尔电流传感器
由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器，如图3-1所示。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。
图3-1 电流传感器
霍尔电流传感器工作原理是：在标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。
霍尔电流传感器在车用电源系统中的应用，实现了对电源系统输出电流的隔离测量，并通过反馈控制电源系统的输出电流。当电源的输出电流接近电源系统的设计功率输出时，电源输出电流将不再增加，从而限制了电源系统的输出功率，保护了电源系统不会因用电负载的变化而损坏。
3.1.2位移测量
如图3-2所示，将两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，
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其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点。当霍尔传感器在Z轴上作X位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。
图3-2 位移测量
用线性型霍尔传感器测量位移的优点是：惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。
如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小。如图3-3所示，是按这一原理制成的力传感器。
图3-3 压力测量
3.1.3功率测量
在电路中若外加磁场正比于外加电压，即霍尔电势正比于被测功率，可利用线性霍尔元件进行直流功率测量。该电路适用于直流大功率的测量。指示仪表一般采用功率刻度的伏特表，霍尔元件采用N型锗材料元件。其测量误差一般小于1％。
这种功率测量方法有下列优点：由于霍尔电势正比于被测功率，因此可以做成直读式功率计；功率测量范围可从微瓦到数百瓦；装置中设有转动部分，输出和输入之间相互隔离，稳定性好、精度高、结构简单、体积小、寿命长、成本低廉。
3.2开关型霍尔传感器的应用
开关型霍尔传感器主要用于测转数、测转速、测风速、测流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。
3.2.1测转速或转数
如图3-4所示，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，开关型霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，开关型霍尔传感器就输出一个脉冲，接入计数器，可测出转数。若接入频率计，便可测出转速。
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图3-4测转速或转数
如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。
3.2.2接近开关
当霍尔元件通过恒定的控制电流，且有磁体近距离接近霍尔元件然后再离开时，元件的霍尔输出将发生显著变化，输出一个脉冲霍尔电势。利用这种特性可制成接近开关。这种情况下，对霍尔元件本身的线性和温度稳定性等要求不高，只要有足够大的输出即可。另外，作用于霍尔元件的磁感应强度变化值，仅与磁体和元件的相对位置有关，与相对运动速度无关，这就使接近开关的结构既简单又可靠。
3.2.3无刷电机
开关型霍尔元件最具特点的应用是在无刷电机上。通常的直流电机采用电刷型整流子供电，这种供电机构工作时噪声大，电机的寿命由于转换器的磨损而大大减短。利用霍尔传感器代替整流子不仅可以根治电机的上述弊端，而且可以对电机直接调速。如日本胜利公司的HR7200型录像机中，采用两个霍尔元件和旋转磁钢构成电机本体，利用霍尔元件去驱动开关晶闸管，从而通过控制流过电机绕组的电流方向来完成转向。调速则通过同服系统控制定子中的电流来完成。由于采用电子转向，该电机运转十分平稳，几乎无干扰。
3.2.4各种实用电路
开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽、工作可靠、价格便宜，因此获得极为广泛的应用。下面列举两个实用电路加以说明：
1．防盗报警器
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图3-5 防盗报警器电路
如图3-5所示，将小磁铁固定在门的边缘上，将霍尔传感器固定在门框的边缘上，让两者靠近，即门处于关闭状态时，磁铁靠近霍尔传感器，输出端3为低电平。当门被非法撬开时，霍尔传感器输出端3为高电平，非门输出端Y为低电平，继电器J 吸合，Ja闭合，蜂鸣器得电后发出报警声音。
2．公共汽车门状态显示器
图3-6公共汽车门状态显示器电路
使用霍尔传感器，只要再配置一块小永久磁铁就很容易做成车门是否关好的指示器。例如公共汽车的三个门必须关闭，司机才可开车。如图3-6所示电路，三片开关型霍尔传感器分别装在汽车的三个门框上，在车门适当位置各固定一块磁钢，当车门开着时，磁钢远离霍尔开关，输出端为高电平。若三个门中有一个未关好，则或非门输出为低电平，红灯亮，表示还有门未关好；若三个门都关好，则或非门输出为高电平，绿灯亮，表示车门关好，司机可放心开车。
3.3霍尔传感器的一种特殊应用
等离子自动高低调节器是切割机中必不可少的配套设备，广泛应用于大型装备制造、造船和切割等领域，其主要功能是保证切割割炬与被切割工件保持最佳切割距离，消除由被切割工件的不平度变化引起的加工精度误差。切割机在工作过程中不能准确获取切割割炬与钢板的距离，这就必然影响钢板的切割质量。切割的弧电流强光会给操作人员造成视觉疲劳。因此，给出了一种基于霍尔传感器的设计方案，保证切割过
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程中割缝宽度均匀，切割精度提高。
该设计方案利用霍尔效应原理产生随磁场变化而产生变化的电压，把变化的电压送到自动高低调节器，控制割炬的上升与下降，形成一个闭环的自动高低调节系统。该闭环自动控制系统由霍尔传感器、自检器、高平滤波器、运算放大器、比较器、断弧提升器、模拟开关手动自动转换器、光电耦合器、三态门互锁器、电机驱动器以及机械丝杆传递定位系统组成。
将一块导体板置于磁场，使磁场的磁感应强度B 的方向与板垂直，当导体板中流经一定电流时，垂直于磁场和电流方向的导体板的横向两侧会产生一定的电势差，这一现象称为霍尔效应。霍尔传感器是根据该原理制成的。图3-7是一个霍尔传感器，它共有4个接线端，分别为接地、+5 V ，-5 V 和电压输出，水电缆通过中间空心圆。
图3-7 应用到数控切割中的霍尔传感器
等离子发生器起弧后，霍尔传感器采集割炬与钢板之间的电流，水电缆中的电流穿过霍尔传感器，在其周围产生恒定磁场。向霍尔传感器预先施加一恒压，产生一恒定电流，霍尔传感器则输出霍尔电压。如果切割电流有微小变化，则产生变化的磁场，而输出的霍尔电压也是变化的，这样就把切割中的变化电流转化为变化电压，输出的霍尔电压包含有干扰信号，其高频信号的范围较宽，这就需对信号电压进行高频滤波，从而获取有用信号，再将其信号送至等离子自动高低调节器。以运算放大器C1的引脚1的输出电压作为自检电压，并通过调节VR1改变其输出电压，也可以模拟霍尔传感器输出电压。
割炬定位机械结构是由霍尔传感器、水电缆、微动开关、触头、上夹紧盘、割炬夹、压缩弹簧、下夹紧盘、信号线、丝杆、直流电机组成。上夹紧盘、下夹紧盘和压缩弹簧夹紧割炬，割炬穿过割炬夹圆孔。割炬夹圆孔直径比割炬直径稍大一些，这样
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可在夹圆孔中上下活动。由于弹簧和重力的作用，割炬平稳垂直地放在割炬夹圆盘上，水电缆穿过霍尔传感器，霍尔传感器采集切割变化的电流，如图3-8所示。割炬定位时向下运动，割炬碰到钢板后，钢板顶起割炬，这时割炬与割炬夹产生相对运动，弹簧被压缩，直到割炬触头碰到微动开关L1。L1闭合产生的触发信号通过信号线传给自动高低调节器，通过触发单稳延时电路，产生割炬上升定位时间，也是直流电动机反转提升割炬时间。由于割炬的提升，压缩弹簧逐渐恢复，如果事先通过自动高低调节器设定割炬提升时间常数，从而确定割炬提升后割炬与钢板的距离，获到割炬与钢板的最佳起弧距离。
图3-8 割据定位结构图
霍尔传感器应用到数控切割中是等离子切割机一种新的调节方法。这种方法不但切割后工件质量好，精度达到要求，同时还减轻了操作者的劳动强度。该系统设计不但可用于常规的套料切割，还可以用于水下套料切割，省时、省力、自动化程度高，安全可靠，通过多年的实际应用，使用效果良好。
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总结
传感器技术的发展是21世纪科技进步的一大产物。其中，霍尔传感器的发展更是彰显着科技的力量。霍尔传感器主要分为两类：线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器。线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器、斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。
凭借着高可靠性等优势，霍尔传感器在汽车领域赢得了广泛的应用空间。如检测齿轮齿速、油门位置、尾气再循环阀位置、马达与传动的速度和位置，用于防锁闸、牵引系统的车轮速度、脚踏板、座椅安全带、刹车与离合器的位置、车锁、车窗及油耗等诸多方面。但是，霍尔传感器还可以运用到更广泛的空间。
通过本论文，会有更多的人了解霍尔传感器的工作原理，从而推动霍尔传感器的发展，使霍尔传感器的应用更加广泛。同时，通过对霍尔传感器应用的介绍，使更多的人能加入霍尔传感器的研究行业，推动传感器技术的发展。
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致谢
在写这篇毕业论文的过程中，我学到了许多平时没有学到的东西。通过翻阅各种资料，丰富了我的专业知识，也让我了解了传感器知识的多样性以及不同性质的传感器的不同用途，对于霍尔传感器的应用也有了更全面的了解。
在这期间，王志强老师和吴志毅工程师给了我大量的指导。特别是王志强老师。可以说，如果没有王志强老师的敬业和细心的讲解，这篇论文不会如期完成。在这里，我衷心的感谢王志强老师和吴志毅工程师，感谢他们牺牲自己的休息时间对我进行指导，并毫不保留的将他们的知识教与我，使我能在规定时间内完成这篇论文。同时，也要感谢电子工程系给了我们学生一个良好的写论文的环境。
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参考文献
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[6] 张岩，胡秀芳．传感器应用技术．福建科学技术出版社，2000
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