霍尔效应式轮速传感器.docx
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霍尔效应式轮速传感器
霍尔轮速传感器的工作原理
1引言
霍尔器件是一种磁传感器。
用它们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。
霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。
霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。
取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。
按照霍尔器件的功能可将它们分为:
霍尔线性器件和霍尔开关器件。
前者输出模拟量，后者输出数字量。
按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:
直接应用和间接应用。
前者是直接检测出受检测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，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、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，转变成电量来进行检测和控制。
2霍尔效应和霍尔元件
2.1霍尔效应
如图1所示，在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图1中的VH，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文·霍尔在1879年发现的。
VH称为霍尔电压。
（a）霍尔效应和霍尔元件
这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。
霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。
这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压。
在片子上作四个电极，其中C1、C2间通以工作电流I，C1、C2称为电流电极，C3、C4间取出霍尔电压VH，C3、C4称为敏感电极。
将各个电极焊上引线，并将片子用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件（又称霍尔片）。
（1）
或
（2）
或（3）
在上述
（1）、
（2）、（3）式中VH是霍尔电压，ρ是用来制作霍尔元件的材料的电阻率，μn是材料的电子迁移率，RH是霍尔系数，l、W、t分别是霍尔元件的长、宽和厚度，f（I/W）是几何修正因子，是由元件的几何形状和尺寸决定的，I是工作电流，V是两电流电极间的电压，P是元件耗散的功率。
由
（1）～（3）式可见，在霍尔元件中，ρ、RH、μn决定于元件所用的材料，I、W、t和f（I/W）决定于元件的设计和工艺，霍尔元件一旦制成，这些参数均为常数。
因此，式
（1）～（3）就代表了霍尔元件的三种工作方式所得的结果。
（1）式表示电流驱动，
（2）式表示电压驱动，（3）式可用来评估霍尔片能承受的最大功率。
为了精确地测量磁场,常用恒流源供电,令工作电流恒定,因而,被测磁场的磁感应强度B可用霍尔电压来量度。
在一些精密的测量仪表中，还采用恒温箱，将霍尔元件置于其中，令RH保持恒定。
若使用环境的温度变化，常采用恒压驱动，因和RH比较起来，μn随温度的变化比较平缓，因而VH受温度变化的影响较小。
为获得尽可能高的输出霍尔电压VH，可加大工作电流，同时元件的功耗也将增加。
（3）式表达了VH能达到的极限——元件能承受的最大功耗。
2.2霍尔器件
霍尔器件分为:
霍尔元件和霍尔集成电路两大类，前者是一个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。
后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。
2.2.1霍尔元件
霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。
InSb和GaAs霍尔元件输出特性见图1（a）、图1（b）.
（a）霍尔效应和霍尔元件
（b）InSb霍尔元件的输出特性
（c）GaAs霍尔元件的输出特性
图1霍尔元件的结构和输出特性
这些霍尔元件大量用于直流无刷电机和测磁仪表。
2.2.2霍尔电路
2.2.2.1霍尔线性电路
它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。
其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例，它的功能框图和输出特性示于图2和图3。
这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。
霍尔线性电路的性能参数见表3。
图2霍尔线性电路的功能框图
图3霍尔线性电路UGN3501的磁电转换特性曲线
型号
Vcc/V
线性范围/mT
工作温度/℃
灵敏度S/mV/mT
静态输出电压Vo/V
min
typ
max
min
typ
max
UGN3501
8～12
±100
－20～＋85
3.5
7.0
－
2.5
3.6
5.0
UGN3503
4.5～6
±90
－20～＋85
7.5
13.5
30.0
2.25
2.5
2.75
型号
IOUT/mA
Ro/kΩ
Icc/mA
乘积灵敏度V/A·0.1T
输出形式
引脚排列
外形结构
typ
max
1
2
3
4
UGN3501
4.0
0.1
10
20
－
射极输出
VCC
地
输出
－
CI/P
UGN3503
－
0.05
9.0
14
－
射极输出
VCC
地
输出
－
CI/P
表3线性霍尔电路的特性参数
2.2.2.2霍尔开关电路
霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。
在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。
之后，B再增加，仍保持导通态。
若外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。
我们称BOP为工作点，BRP为释放点，BOP－BRP=BH称为回差。
回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。
霍尔开关电路的功能框见图4。
图4（a）表示集电极开路（OC）输出，（b）表示双输出。
它们的输出特性见图5，图5（a）表示普通霍尔开关，（b）表示锁定型霍尔开关的输出特性。
（a）单OC输出（b）双OC输出
图4霍尔开关电路的功能框图
（a）开关型输出特性（b）锁定型输出特性
图5霍尔开关电路的输出特性
一般规定，当外加磁场的南极（S极）接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正，北极接近标志面时为负。
锁定型霍尔开关电路的特点是：
当外加场B正向增加，达到BOP时，电路导通，之后无论B增加或减小，甚至将B除去，电路都保持导通态，只有达到负向的BRP时，才改变为截止态，因而称为锁定型。
霍尔开关电路的性能参数见表4。
表4霍尔开关电路的特性参数
型号
VCC/V
Bop/mT
BRP/mT
BH/mT
Icc/mA
Io/mA
Vo/sat
Ioff/μA
备注
CS1018
4.8～18
－14～20
－20～14
≥6
≤12
5
≤0.4
≤10
CS1028
4.5～24
－28～30
－30～28
≥2
≤9
25
≤0.4
≤10
CS2018
4.0～20
10～20
－20～－10
≥6
≤30
300
≤0.6
≤10
互补输出
CS302
3.5～24
0～6
－6～0
≥6
≤9
5
≤0.4
≤10
UGN3119
4.5～24
16.5～50
12.5～45
≥5
≤9
25
≤0.4
≤10
A3144
4.5～24
7～35
5～33
≥2
≤9
25
≤0.4
≤10
UGN3140
4.5～24
7～20
5～18
≥2
≤9
25
≤0.4
≤10
A3121
4.5～24
13～35
8～30
≥5
≤9
20
≤0.4
≤10
UGN3175
4.5～24
1～25
－25～－10
≥2
≤8
50
≤0.4
≤10
锁定
2.2.2.3差动霍尔电路（双霍尔电路）
它的霍尔电压发生器由一对相距2.5mm的霍尔元件组成，其功能框图见图6。
图6差动霍尔电路的工作原理图
使用时在电路背面放置一块永久磁体，当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时，一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反，经差分放大后，使器件灵敏度大为提高。
用这种电路制成的汽车齿轮传感器具有极优的性能。
2.2.2.4其它霍尔电路
除上述各种霍尔元件外，目前还出现了许多特殊功能的霍尔电路，如功率霍尔电路，多重双线霍尔传感器电路，二维、三维霍尔集成电路等待。
3霍尔器件的应用
3.1应用的一般问题
3.1.1测量磁场
使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件作成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片的表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。
若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。
而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场进行检测。
3.1.2工作磁体的设置
用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。
例如，用一个5×4×2.5（mm3）的钕铁硼Ⅱ号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约2300高斯的磁感应强度。
在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。
为保证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。
在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。
在封装好的霍尔电路中，霍尔片的深度在产品手册中会给出。
因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。
工作磁体和霍尔器件间的运动方式有：
（a）对移；（b）侧移；（c）旋转；（d）遮断。
如图7所示，图中的TEAG即为总有效工作气隙。
图7霍尔器件和工作磁体间的运动方式
在遮断方式中，工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定，用一软磁（例如软铁）翼片作为运动工作部件，当翼片进入间隙时，作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断，以此来调节工作磁场。
被传感的运动信息加在翼片上。
这种方法的检测精度很高，在125℃的温度范围内，翼片的位置重复精度可达50μm。
图8在霍尔器件背面放置磁体
也可将工作磁体固定在霍尔器件背面（外壳上没打标志的一面），让被检的铁磁物体（例如钢齿轮）从它们近旁通过，检测出物体上的特殊标志（如齿、凸缘、缺口等），得出物体的运动参数。
3.1.3与外电路的接口
霍尔开关电路的输出级一般是一个集电极开路的NPN晶体管，其使用规则和任何一种相似的NPN开关管相同。
输出管截止时，输漏电流很小，一般只有几nA，可以忽略，输出电压和其电源电压相近，但电源电压最高不得超过输出管的击穿电压（即规范表中规定的极限电压）。
输出管导通时，它的输出端和线路的公共端短路。
因此，必须外接一个电阻器（即负载电阻器）来限制流过管子的电流，使它不超过最大允许值（一般为20mA），以免损坏输出管。
输出电流较大时，管子的饱和压降也会随之增大，使用者应当特别注意，仅这个电压和你要控制的电路的截止电压（或逻辑“零”）是兼容的。
以与发光二极管的接口为例，对负载电阻器的选择作一估计。
若在Io为20mA（霍尔电路输出管允许吸入的最大电流），发光二极管的正向压降VLED=1.4V，当电源电压VCC=12V时，所需的负载电阻器的阻值
（4）
和这个阻值最接近的标准电阻为560Ω，因此，可取560Ω的电阻器作为负载电阻器。
用图9表示简化了的霍尔开关电路，图10表示与各种电路的接口：
（a）与TTL电路；（b）与CMOS电路；（c）与LED；（d）与晶闸管。
图9
简化的霍尔开关示意图
图10霍尔开关与电路接口举例
与这些电路接口时所需的负载电阻器阻值的估算方法，和式（4）的方法相同。
若受控的电路所需的电流大于20mA，可在霍尔开关电路与被控电路间接入电流放大器。
霍尔器件的开关所需的电流大于20mA，可在霍尔开关电路与被电路间接入电流放大器。
霍尔器件的开关作用非常迅速，典型的上升时间和下降时间在400nS范围内，优于任何机械开关。
3.2应用实例
下面我们将举出一些应用实例。
这些例子仅是该类应用中的一种，用同样的原理和方法，使用者可根据自己的使用需要，设计出自己的应用装置。
3.2.1检测磁场
用霍尔线性器件作探头，测量10－6T～10T的交变和恒定磁场，已有许多商品仪器。
这里，仅介绍一种用经过校准的UGN3503或A3515型霍尔线性电路来检测磁场的磁感应强度的简便方法。
电路出厂时，工厂可提供每块电路的校准曲线和灵敏度系数。
测量时，将电路第一脚（面对标志面从左到右数）接电源，第二脚接地，第三脚接高输入阻抗（>10kΩ）电压表，通电后，将电路放入被测磁场中，让磁力线垂直于电路表面，读出电压表的数值，即可从校准曲线上查得相应的磁感应强度值。
使用前，将器件通电一分钟，使之达到稳定。
用灵敏度系数计算被测磁场的B值时，可用
B=[Vout（B）－Vout（o）]1000/S
式中，Vout（B）=加上被测磁场时的电压读数，单位为V，Vout（o）=未加被测磁场时的电压读数，单位为V，S=灵敏度系数，单位为mV/G（高斯），B=被测磁场的磁感应强度，单位为G。
3.2.2检测铁磁物体
在霍尔线性电路背面偏置一个永磁体，如图11所示。
图11（a）表示检测铁磁物体的缺口，图11（b）表示检测齿轮的齿。
它们的电路接法见图12，（a）为检测齿轮，（b）为检测缺口。
用这种方法可以检测齿轮的转速。
图11用霍尔线性电路检测铁磁物体
图12用霍尔线性电路检测齿口的线路
3.2.3用在直流无刷电机中
直流无刷电机使用永磁转子，在定子的适当位置放置所需数量的霍尔器件，它们的输出和相应的定子绕组的供电电路相连。
当转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令已通电的霍尔器件输出一个电压使定子绕组供电电路导通，给相应的定子绕组供电，产生和转子磁场极性相同的磁场，推斥转子继续转动。
到下一位置，前一位置的霍尔器件停止工作，下位的霍尔器件导通，使下一绕组通电，产生推斥场使转子继续转动。
如此循环，维持电机的工作。
其工作原理示于图13。
在这里，霍尔器件起位置传感器的作用，检测转子磁极的位置，它的输出使定子绕组供电电路通断，又起开关作用，当转子磁极离去时，令上一个霍尔器件停止工作，下一个器件开始工作，使转子磁极总是面对推斥磁场，霍尔器件又起定子电流的换向作用。
无刷电机中的霍尔器件，既可使用霍尔元件，也可使用霍尔开关电路。
使用霍尔元件时，一般要外接放大电路，如图14所示，使用霍尔开关电路，可直接驱动电机绕组，使线路大为简化，如图15所示。
图13霍尔元件在无刷电机中的工作（其中的HG为霍尔元件）
图14采用霍尔元件的电机驱动电路（图中的H为霍尔元件）
图15用CS2018霍尔开关锁定电路直接驱动电机的线路示意图（图中的线圈为电机定子绕组）
铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高，磁阻小，磁力线都集中在材料内部。
若材料均匀，磁力线分布也均匀。
如果材料中有缺陷，如小孔、裂纹等，在缺陷处，磁力线会发生弯曲，使局部磁场发生畸变。
用霍尔探头检出这种畸变，经过数据处理，可辨别出缺陷的位置，性质（孔或裂纹）和大小（如深度、宽度等），图16示出两种用于无损探伤的探头结构。
（b）检测线材用
（a）检测板材用
图16用于无损探伤的两种霍尔探头
3.2.4无损探伤
霍尔无损探伤已在炮膛探伤、管道探伤，海用缆绳探伤，船体探伤以及材料检验等方面得到广泛应用。
3.2.5磁记录信息读出
用霍尔元件制成的磁读头，如图17所示，将写头和读头装在同一外壳里，采用长1mm，宽0.2mm,厚1.4μm的InSb霍尔元件，其信噪比比普通磁头高3db～5db,由于写头和读头间的间距很小，仅2.6mm，故可用一读头去监视几分之一秒之前录头录下的信息。
图17霍尔磁头
霍尔读头的输出仅由记录信息的磁感应强度来决定，即使频率到零，输出仍然恒定，且因读头无电感，故可获得优异的瞬态响应。
它的灵敏度随温度的变化也很小，约为0.01db/℃。
采用适当的前置放大电路，可在0℃～50℃范围内保持±0.5db。
由于霍尔磁读头具备这些优点，因而在计算机中得到很重要的应用。
特别在高密度垂直记录的磁盘的信息读出中，更能显示其优越性。
专家预言，今后十年，霍尔读头很可能会占去磁阻头的部分市场。
3.2.6霍尔接近传感器和接近开关
在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来，构成如图18所示的接近传感器。
它们的功能框见图19。
（a）为霍尔线性接近传感器，（b）为霍尔接近开关。
图18霍尔接近传感器的外形图
a）霍尔线性接近传感器
（b）霍尔接近开关
图19霍尔接近传感器的功能框图
霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑色金属的厚度检测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。
霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等。
3.2.7霍尔翼片开关
霍尔翼片开关就是利用遮断工作方式的一种产品，它的外形如图20所示，其内部结构及工作原理示于图21。
图20霍尔翼片开关的外形图
图21霍尔翼片开关的内部结构和工作原理示意图
翼片未进入工作气隙时，霍尔开关电路处于导通态。
翼片进入后，遮断磁力线，使开关变成截止态，它的状态转变的位置非常精确，在125℃的温度范围内位置重复精度可达50nm。
将齿轮形翼片和轴相连，用在汽车点火器中作为点火开关，可得到准确的点火时间，使汽缸中的汽油充分燃烧，既可节约燃料，又能降低车辆排放的尾气的污染，已在桑塔那，克莱斯勒等许多名车中使用。
将它们用在工业自动控制系统中，可作为转速传感器、位置开关、限位开关、轴编码器、码盘扫描器等。
3.2.8霍尔齿轮传感器
用2.2.2.3中介绍的差动霍尔电路制成的霍尔齿轮传感器，如图22所示,新一代的霍尔齿轮转速传感器，广泛用于新一代的汽车智能发动机，作为点火定时用的速度传感器，用于ABS（汽车防抱死制动系统）作为车速传感器等。
在ABS中，速度传感器是十分重要的部件。
ABS的工作原理示意图如图23所示。
图中，1是车速齿轮传感器；2是压力调节器；3是控制器。
在制动过程中，控制器3不断接收来自车速齿轮传感器1和车轮转速相对应的脉冲信号并进行处理，得到车辆的滑移率和减速信号，按其控制逻辑及时准确地向制动压力调节器2发出指令，调节器及时准确地作出响应，使制动气室执行充气、保持或放气指令，调节制动器的制动压力，以防止车轮抱死，达到抗侧滑、甩尾，提高制动安全及制动过程中的可驾驭性。
在这个系统中，霍尔传感器作为车轮转速传感器，是制动过程中的实时速度采集器，是ABS中的关键部件之一。
在汽车的新一代智能发动机中，用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置和活塞在汽缸中的运动速度，以提供更准确的点火时间，其作用是别的速度传感器难以代替的，它具有如下许多新的优点。
（1）相位精度高，可满足0.4°曲轴角的要求，不需采用相位补偿。
（2）可满足0.05度曲轴角的熄火检测要求。
（3）输出为矩形波，幅度与车辆转速无关。
在电子控制单元中作进一步的传感器信号调整时，会降低成本。
用齿轮传感器，除可检测转速外，还可测出角度、角速度、流量、流速、旋转方向等等。
图22霍尔速度传感器的内部结构
1.车轮速度传感器2.压力调节器3.电子控制器
图23ABS气制动系统的工作原理示意图
3.2.9旋转传感器
按图24所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器。
霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。
（a）径向磁极（b）轴向磁极（c）遮断式
图24旋转传感器磁体设置
由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。
在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。
在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等，这些应用的实例如图25所示。
图25的壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开关电路，被测流体从管道一端通入，推动叶轮带动与之相连的磁体转动，经过霍尔器件时，电路输出脉冲电压，由脉冲的数目，可以得到流体的流速。
若知管道的内径，可由流速和管径求得流量。
霍尔电路由电缆35来供电和输出。
图25霍尔流量计
由图26可见，经过简单的信号转换，便可得到数字显示的车速。
利用锁定型霍尔电路，不仅可检测转速，还可辨别旋转方向，如图27所示。
曲线1对应结构图（a）,曲线2对应结构图（b），曲线3对应结构图（c）。
图26霍尔车速表的框图
图27利用霍尔开关锁定器进行方向和转速测定
3.2.10霍尔位移传感器
若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。
图28示出3种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微位移传感器。
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。
图28几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔位移传感器的静态特性
用霍尔元件测量位移的优点很多：
惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。
以微位移检测为基础，可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。
3．2．10．1霍尔压力传感器
霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如图29所示。
在图29中，（a）的弹性元件为膜盒，（b）为弹簧片，（c）为波纹管。
磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统，如图29中的（a）、（b），也可采用单一磁体，如（c）。
加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压VH。
由事先校准的p～f（VH）曲线即可得到被测压力p的值。
图29几种霍尔压力传感器的构成原理
3.2.10.2霍尔应力检测装置
图30示出用来进行土壤和砂子与钢界面上的法向和切向应力检测的霍尔传感器装置。
（a）检测向切应力，（b）检测压应
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