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）