霍爾磁敏傳感器的原理及應用

1引言

由霍爾效應的原理知，霍爾電勢的大小取決于：

Rh為霍爾常數，它與半導體材質(zhì)有關(guān);IC為霍爾元件的偏置電流;B為磁場(chǎng)強度;d為半導體材料的厚度。

對于一個(gè)給定的霍爾器件，Vh將完全取決于被測的磁場(chǎng)強度B。

一個(gè)霍爾元件一般有四個(gè)引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流IC的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構成外回路，就會(huì )產(chǎn)生霍爾電流。一般地說(shuō)，偏置電流的設定通常由外部的基準電壓源給出;若精度要求高，則基準電壓源均用恒流源取代。為了達到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導磁系數的坡莫合金;這類(lèi)傳感器的霍爾電勢較大，但在0.05T左右出現飽和，僅適用在低量限、小量程下使用。

近年來(lái)，由于半導體技術(shù)的飛速發(fā)展，出現了各種類(lèi)型的新型集成霍爾元件。這類(lèi)元件可以分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是線(xiàn)性元件，另一類(lèi)是開(kāi)關(guān)類(lèi)元件。

2線(xiàn)性霍爾元件的原理及應用

UGN350lT是一種目前較常用的三端型線(xiàn)性霍爾元件。它由穩壓器、霍爾發(fā)生器和放大器組成。用UGN350lT可以十分方便地組成一臺高斯計。其使用十分簡(jiǎn)單，先使B=0，記下表的示值VOH，再將探頭端面貼在被測對象上，記下新的示值VOH1。

ΔVOH=VOH1-VOH

如果ΔVOH>0，說(shuō)明探頭端面測得的是N極;反之為S極。UGN3501T的靈敏度為7V/T，由此即可測出相應的被測磁感應強度B。

如果采用數字電壓表(DVM)，可得圖1所示的線(xiàn)性高斯計。運放采用高精度運放CA3130。該電路的具體調零方式為：開(kāi)啟電源后，令B=0，調節W1使DVM的示值為零，然后用一塊標準的釹鋁硼磁鋼(B=0.1T)貼在探頭端面上，調節W2使DVM的示值為1V即可。本高斯計檢測時(shí)示值如果為-200mV，則探頭端面檢測的是S極，磁場(chǎng)強度為0.02T。本高斯計也可用來(lái)測量交變的磁場(chǎng)，不過(guò)DVM應改為交流電壓表。顯然使用圖1的電路可以很方便地擴展普通數字萬(wàn)用表的功能。

用UGN3501T還可以十分方便地組成如圖2所示的鉗形電流表。將霍爾元件置于鉗形冷軋硅鋼片的空隙中，當有電流流過(guò)導線(xiàn)時(shí)，就會(huì )在鉗形圓環(huán)中產(chǎn)生磁場(chǎng)，其大小正比于流過(guò)導線(xiàn)電流的安匝數;這個(gè)磁場(chǎng)作用于霍爾元件，感應出相應的霍爾電勢，其靈敏度為7V/T，經(jīng)過(guò)運放μA741調零，線(xiàn)性放大后送入DVM，組成數字式鉗形電流表。該表的調試也十分簡(jiǎn)單：導線(xiàn)中的電流為零時(shí)，調節W1、W2使DVM的示值為零。然后輸入50A的電流，調W3使DVM讀數為5V;反向輸入-50A電流，數字表示值為-5V。反復調節W1、W2、W3，讀數即可符合要求。本鉗形電流表經(jīng)實(shí)驗，其靈敏度不小于0.1V/A，同樣，本電流表也可用于交流電流的測量，將DVM換成交流電壓表即可，十分方便。

3開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器的原理及應用

開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器可分為單穩態(tài)和雙穩態(tài)，內部均有5個(gè)部分，即由穩壓源、霍爾電勢發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級組成。雙穩態(tài)傳感器具有兩組對稱(chēng)的施密特整形電路。圖3是單穩態(tài)開(kāi)關(guān)集成霍爾元件UGN3020的功能圖及輸出特性。對于開(kāi)關(guān)型傳感器的正值規定是：用磁鐵的S極接近傳感器的端面所形成的B值為正值。由圖3看出，當B=0時(shí)，V0為高電平;當外磁場(chǎng)增至BOP時(shí)，輸出V0由高電平轉為低電平。外磁場(chǎng)由BOP降至BrP時(shí)，輸出V0由低電平反向，BrP被稱(chēng)為釋放點(diǎn)。對于UGN3020，BOP=0.022T，BRP=0.0165T，VOL=80～150mV，VOH=4V，工作電壓為4.5V～24V。