当前课程知识点：测试与检测技术基础 > Week10 被测量的获取（3） (Sensors III) > 霍尔传感器 (Hall sensors) > 霍尔传感器 (Hall sensors)
各位同学大家好
欢迎大家继续学习
测试与检测技术基础这门课程
这节课
我们将继续学习第四章
被测量的获取
那么首先呢我们还是一样
要从示例谈霍尔电流传感器
实际上霍尔电流传感器
它的应用是非常广泛的
它的应用的特点是
用于非接触式电流的测量
特别适合于复杂恶劣环境下的测量
它的应用比方说
在变频调速装置
逆变装置
UPS电源等等
都有很多的应用
从这张PPT当中我们可以看到
霍尔传感器的工作原理
以及它测量转速的情况
还有就是
霍尔传感器的核心的部分
就是霍尔芯片
那么接下来我们看看
霍尔电流传感器
它的工作原理
首先我们看一下
半导体敏感元件的这种传感器
实际上霍尔传感器
它是一种磁电转换元件传感器
它的核心就是霍尔元件
在霍尔元件当中
这个Vh=KHIBsinα
在这个当中
我们可以看到
这个金属或半导体的薄片
要放到磁场当中的时候
当有电流流过时
在垂直于电流和磁场的方向上
将产生电动势
我们把这种物理现象称为
霍尔效应
从上面的式子当中大家可以看到
其中KH
我们把它称为霍尔元件的灵敏度
下面这张图就是霍尔效应的
工作的原理
我们可以看看
霍尔元件它是由霍尔片
四根引线和壳体组成的
下面这张图实际上就是表示了
霍尔片以及另外一张图呢
表达的是霍尔位移传感器
它的工作的一个基本原理示意图
接下来我们看一看
对于霍尔传感器而言
它的工作原理
或者称之为作用原理是什么
首先霍尔传感器
它属于半导体磁敏传感器
它的组成的材料有砷化铟
锑化铟、锗、砷化镓等等
这种高电阻率的半导体材料
那么霍尔效应就是
前面我们已经谈到了
就是将霍尔元件比如霍尔板
置于磁场当中
它的板厚是d
这个d板厚一般远远小于
板的宽度b和板的长度的
当在板的长度方向
通过一个控制电流的I时
则在板的侧向
也就是宽度这个方向
会产生一个电动势
那么我们从图4.123
就是霍尔元件及霍尔效应
这个图当中可以看到
在a图当中是霍尔元件的构造
b图当中是霍尔元件特性的曲线
可见它是线性的一条曲线
那么当霍尔板
为n型半导体材料的时候
在磁场的作用下
通一个电流I的时候
半导体材料中的载流子
这时候是一个电子
将会沿着与电流方向相反的方向去运动
那么同样
带电的质量点在磁场当中
会沿着和磁力线垂直的方向
运动的时候
都要受到磁场力
我们也把它称之为洛伦兹力
Fm的作用
那么公式4.13式
就是洛伦兹力的这个公式
那么在这个式子当中
eo是带电粒子的和电荷
B是磁感应强度
V是电子运动的速度
那么在洛伦兹力的作用下
电子的运动方向
会向板的一个方向去偏转
这样就使板的一侧积累大量的电子
面板的另一侧呢
则会相应地缺少电子
而累积成正电荷
于是就形成一个电场E
这个时候
电场E又在电子上作用
有一个反向的作用力Fe
那我们就得到了4.135式
就是Fe=eoE
当反作用力Fe
与洛伦兹力Fm相等的时候
那么有E=vB
我们就可以得到
在一个宽度为b的霍尔板上
产生一个电位差
我们也把这个电位差
称为霍尔发电机
U=Eb=bvB
我们得到的是4.136式
在这个4.136式当中
我们可以看到
U跟电子的速度v
电子的浓度n
与电流的密度S是相关联的
S等于什么呢
等于I/（bd）
这是我们得到的所谓的4.137式
我们把4.136式代到4.137式
就是我们得到的4.138式
具体就是U=IB/（neod）
那么这个式子我们可以看到
是霍尔电动势
实际上是正比于控制电流I
和磁通密度B的
并且与电流I流经的方向
是有关系的
霍尔电动势U
随着电子浓度n的增加而降低
但是同时它随着
电子运动速度v的增加而增大
或者是随电子迁移率μ的增加而增加
如果我们假设RH=1/ne0
那么我们对于4.138式进行推导的话
就得到了U
4.139式
在这个4.139式当中
RH是霍尔系数
它是反映了霍尔效应
强弱的程度的
那么我们根据材料的电导率
ρ=1/neOμ的关系
我们就可以推导出4.140式
一般电子的迁移率μ
要大于空穴的迁移率
因此我们大多数
都采用N型半导体材料
作为霍尔元件
这个时候我们假设KH=RH/d
那我们得到4.141式
把它代入到4.139式
我们就可以得到4.142式
就是U=KHIB
KH称为霍尔元件的灵敏度
它表示的霍尔元件
在单位磁感应强度B
和单位控制电流I之下的
霍尔电动势的大小
那么一般要求KH当然是越大越好
由于金属的电子浓度高
因此RH和KH通常都不是很大
因此说
它是不适合于作霍尔元件的
另外呢对于元件d的厚度越小
那么当然它的灵敏度HK就越高
因此说霍尔板
它的厚度都做得非常薄的
当磁感应强度B
与霍尔板平面不垂直
而是与板之间的平面法线
成一个角度的时候
此时4.142式则变为
我们可以得到的是U=KHIBcosθ
介绍了上面的霍尔元件的
它的基本的工作原理
我们下面介绍一下
霍尔传感器的特点
霍尔器件的特点是
它的体积比较小
重量比较轻
同时呢它的寿命还是比较长的
功耗比较小
频率也比较高
因此说它是比较耐振动的
那么霍尔线性器件的精度比较高
线性也比较好
它的工作范围呢
大概是—55℃到150℃之间
那么通常呢
它对测量的对象
也可以用于直接应用
也可以是间接应用
直接应用呢
主要是直接测量出
受检测对象本身的磁场或者磁特性
间接应用呢
主要是检测受检对象上
人为设置的磁场等等
当然它可以测量很多很多的物理量
比方说力、力矩、压力、应力
位置、位移等等
这些它都可以测量
好，下面一个例子就是
用霍尔传感器
测量转速的一个示例
大家可以看到
利用霍尔效应测量齿轮的转速
那么应该说也是很好的一个应用
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