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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。
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。
第八章霍尔传感器思考题与习题答案1．单项选择题１）属于四端元件的___C___。
A. 应变片B. 压电晶片C. 霍尔元件D. 热敏电阻2）公式E H=K H IB cosθ中的角θ是指___C___。
A. 磁力线与霍尔薄片平面之间的夹角B. 磁力线与霍尔元件内部电流方向的夹角C. 磁力线与霍尔薄片的垂线之间的夹角3) 磁场垂直于霍尔薄片，磁感应强度为B，但磁场方向与图9-1相反（θ=180 ）时，霍尔电势___A___，因此霍尔元件可用于测量交变磁场。
A. 绝对值相同，符号相反B. 绝对值相同，符号相同C. 绝对值相反，符号相同D. 绝对值相反，符号相反4）霍尔元件采用恒流源激励是为了___B___。
A. 提高灵敏度B. 克服温漂C. 减小不等位电势5）减小霍尔元件的输出不等位电势的办法是___C___。
A. 减小激励电流B. 减小磁感应强度C. 使用电桥型式的调零电位器6）多将开关型霍尔IC制作成具有史密特特性是为了___C*___，其回差（迟滞）越大，它的___C*___能力就越强。
(注：* 表示填写的内容相同)A .增加灵敏度 B. 减小温漂 C. 抗机械振动干扰7）OC门的基极输入为低电平、其集电极不接上拉电阻时，集电极的输出为___C___。
A. 高电平B. 低电平C. 高阻态D.对地饱和导通8）为保证测量精度，图9-3中的线性霍尔IC的磁感应强度不宜超过___B___为宜。
A. 0TB. +0.10TC. +0.15TD. +100Gs9)欲将运放输出的双端输出信号（对地存在较高的共模电压）变成单端输出信号，应选用___C___运放电路。
A. 反相加法B. 同相C. 减法差动D. 积分2．请在分析第八章的图以后，说出在这几个霍尔传感器的应用实例中，哪几个只能采用线性霍尔集成电路，哪几个可以用开关型霍尔集成电路？答：______。
3．在下图中，当UGN3020感受的磁感应强度从零增大到多少特斯拉时输出翻转？此时第3脚为何电平？回差为多少特斯拉？相当于多少高斯（Gs）？答：___D，70___Gs。
教师授课方案（首页）授课班级09D电气1、电气2 授课日期课节 2 课堂类型讲授课题第八章霍尔传感器第一节霍尔元件的结构及工作原理第二节霍尔元件的特性参数第三节霍尔集成电路第四节霍尔传感器的应用教学目的与要求【知识目标】1、了解霍尔传感器的工作原理2、理解霍尔集成电路的特性掌握开关型的接线。
3、掌握霍尔传感器的应用。
【能力目标】培养学生理论分析及理论联系实际的能力。
【职业目标】培养学生爱岗敬业的情感目标。
重点难点重点：开关型霍尔集成电路难点：开关型霍尔集成电路教具教学辅助活动教具：霍尔传感器实物、多媒体课件、习题册教学辅助活动：提问、学生讨论一节教学过程安排复习因期中考试，无复习内容分钟讲课1、霍尔传感器的工作原理2、霍尔传感器的特性参数3、霍尔集成电路的特性。
4、霍尔传感器的应用。
78分钟小结小结见内页，之后利用10分钟时间与学生互动答疑10分钟作业习题册第八章霍尔传感器习题2分钟任课教师：叶睿2011年1月28日审查教师签字：年月日教案附页【复习提问】因期中考试无复习提问第八章霍尔传感器第一节霍尔元件的工作原理及特性【本节内容设计】通过课件与教师演示讲授霍尔效应及霍尔传感器的工作原理，为霍尔传感器的学习奠定基础【授课内容】一、霍尔效应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E H，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电动势，上述半导体薄片称为霍尔元件。
用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器。
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V cc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。
二、霍尔传感器的外形、结构、符号三、霍尔传感器的工作原理其中一对（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E H可用下式表示E H=K H IB（8-1）式中K H——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B cosθ，这时的霍尔电动势为E H=K H IB cosθ（8-2）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）外形霍尔元件属于四端元件：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。
第二节霍尔集成元件的特性参数【本节内容设计】通过课件与教师讲授霍尔集成元件的特性参数为霍尔传感器的学习奠定基础【授课内容】一、任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件，半导体材料电阻非常适于做霍尔元件。
二、所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米(d≈1μm) 。
三、灵敏度KH=EH /（IB）输入电阻R i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I ab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。
五、最大激励电流I m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I m为宜。
A．0mA B．±0.1 mA C．±10mA D．100mA六、最大磁感应强度B m磁感应强度超过B m时，霍尔电动势的非线性误差将明显增大，B m 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．0T B．±0.10T C．±0.15T D．±100Gs第三节霍尔集成电路【本节内容设计】通过课件与教师讲授霍尔集成电路的特性重点学习开关型霍尔集成电路的特性及与继电器的接线，为霍尔传感器的学习奠定基础【授课内容】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 →接上拉电阻R L高电平①高电平②低电平低电平低电平③高电平高电不接上拉电阻R L高阻态高阻态低电平低电平低电平高阻态注：OC门输出的高电平电压由V CC决定；OC门的迟滞区输出状态必须视B的变化方向而定.第四节霍尔传感器的应用【本节内容设计】通过课件与教师讲授霍尔传感器的应用【授课内容】霍尔电动势是关于I、B、θ三个变量的函数，即E H=K H IB cosθ，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，三个变量的多种组合等。
一．角位移测量仪角位移测量仪结构示意图如图8-8所示。
霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电动势E H就反映了转角θ的变化。
图8-8角位移测量仪结构示意图1－极靴2－霍尔器件3－励磁线圈与交流互感器不同的是：可以测量直流电压，如右图所示。
二、霍尔转速表在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。
只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。
当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。
齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。
三、霍尔式无触点汽车电子点火装置：汽车点火线圈当叶片遮挡在霍尔IC面前时，PNP型霍尔IC的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。
当叶片槽口转到霍尔IC面前时，霍尔IC输出跳变为高电平，经反相变为低电平，达林顿管截止，切断点火线圈的低压侧电流。
由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出30~50kV的高电压。
四．霍尔接近开关霍尔接近开关应用示意图如图图8-12所示。
在图8-12b中，磁极的轴线与霍尔接近开关的轴线在同一直线上。
当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔接近开关的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔接近开关）起到限位的作用。
五、霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。
由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。
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－软铁分流翼片提问：b）接近式c）滑过式哪一种不易损坏？为什么？霍尔电流传感器—钳形电流表能够测量直流电流，弱电回路与主回路隔离，能够输出与被测电流波形相同的“跟随电压”，容易与计算机及二次仪表接口，准确度高、线性度好、响应时间快、频带宽，不会产生过电压等。
（1）工作原理用一环形（有时也可以是方形）导磁材料作成铁心，套在被测电流流过的导线（也称电流母线）上，将导线中电流感生的磁场聚集在铁心中。
在铁心上开一与霍尔传感器厚度相等的气隙，将霍尔线性IC 紧紧地夹在气隙中央。
电流母线通电后，磁力线就集中通过铁心中的霍尔IC ，霍尔IC 就输出与被测电流成正比的输出电压或电流。
霍尔电流传感器原理及外形如图8-13所示。
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（2）技术指标及换算 霍尔电流传感器可以测量高达2000A 的电流；电流的波形可以是高达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 。
在霍尔电流传感器中，N P 被定义为“一次测线圈”的匝数，一般取N P =1；N S 为厂家所设定的“二次侧线圈的匝数”。
因此有：PS S P I I N N （8-3） 依据霍尔电流传感器的额定技术参数和输出电流I S 以及式（8-3），就可以计算得到被测电流。
如果将一只负载电阻R S 并联在 “二次侧”的输出电流端，就可以得到一个与“一次测电流”（被测电流）成正比的、大小为几伏的电压输出信号。
隔离作用：霍尔电流传感器的“一次测”与“二次侧”电路之间的击穿电压可以高达6kV ，可直接将“二次侧”的输出信号接到计算机电路。
【知识小结】:通过对以下知识的学习1、霍尔传感器的工作原理2、霍尔集成电路的特性掌握开关型的接线。
3、霍尔传感器的应用。
【教学后记】:通过课堂习题的检验,作业的批改,第二堂课的提问,检验出学生对本节课的知识掌握良好,可以顺利地进行下一阶段的学习. 【板书设计】:如下第八章霍尔传感器第一节霍尔传感器的特性及工作原理一、霍尔效应二、霍尔元件外形、结构、符号三、霍尔传感器的工作原理【知识小结】第二节霍尔元件的特性参数第三节霍尔元件的集成电路一、线性型霍尔集成电路的内部结构。
