基于霍尔传感器主轴转速测量

霍尔效应

1. 简介

霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855-1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。 2． 霍尔效应

将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场B，沿X方向通以工作电流I， 则在Y方向产生出电动势VH，如图3-4所示，这现象称为霍尔效应。VH称为霍尔电压。

ZYXBB---B---FeEHIFm+++A+++d+++B+++FebEHIFm---A---VHdbVH

(a) (b)

图3-4 霍尔效应原理图

实验表明，在磁场不太强时，电位差VH与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度d成反比，即

VHRHIB (3-7) d或 VHKHIB (3-8) 式（3-7）中RH称为霍尔系数，式（3-8）中KH称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv / (mA·T)。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子（N型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P型半导体中的载流子是带正电

荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。

如图3-4（a）所示，一块长为l、宽为b、厚为d的N型单晶薄片，置于沿Z轴方向的磁B中，在X轴方向通以电流I，则其中的载流子——电子所受到的洛仑兹力为

FqVBeVBeVBj (3-9) m 式中V为电子的漂移运动速度，其方向沿X轴的负方向。e为电子的电荷

F量。m指向Y轴的负方向。自由电子受力偏转的结果，向A侧面积聚，同时在B侧面上出现同数量的正电荷，在两侧面间形成一个沿Y轴负方向上的横向电



F场EH（即霍尔电场），使运动电子受到一个沿Y轴正方向的电场力e，A、B面之间的电位差为VH（即霍尔电压），则

VHFeqEHeEHeEHjejb (3-10) 将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有

FmFe0

VHeVBjej0b

即

eVBeVHb

得 VHVBb (3-11) 此时B端电位高于A端电位。

若N型单晶中的电子浓度为n，则流过样片横截面的电流 I=nebdV

VInebd (3-12)

得

将(3.12)式代入(3.11)式得

VH1IBIBRHKHIBnedd (3-13)

RH式中

11KHne称为霍尔系数，ned称它表示材料产生霍尔效应的本领大小；

为霍尔元件的灵敏度，一般地说，KH愈大愈好，以便获得较大的霍尔电压VH。因KH和载流子浓度n成反比，而半导体的载流子浓度远比金属的载流子浓度小，所以采用半导体材料作霍尔元件灵敏度较高。又因KH和样品厚度d成反比，所以霍尔片都切得很薄，一般d≈0.2mm。

上面讨论的是N型半导体样品产生的霍尔效应，B侧面电位比A侧面高；对于P型半导体样品，由于形成电流的载流子是带正电荷的空穴，与N型半导体的情况相反，A侧面积累正电荷，B侧面积累负电荷，如图3-4（b）所示，此时，A侧面电位比B侧面高。由此可知，根据A、B两端电位的高低，就可以判断半导体材料的导电类型是P型还是N型。

由（3-13）式可知，如果霍尔元件的灵敏度RH已知，测得了控制电流I和产生的霍尔电压VH，则可测定霍尔元件所在处的磁感应强度为：

BVHIKH

高斯计就是利用霍尔效应来测定磁感应强度B值的仪器。它是选定霍尔元件，即KH已确定，保持控制电流I不变，则霍尔电压VH与被测磁感应强度B成正比。如按照霍尔电压的大小，预先在仪器面板上标定出高斯刻度，则使用时 由指针示值就可直接读出磁感应强度B值。

由（3-13）式知

RHVHdIB

因此将待测的厚度为d的半导体样品，放在均匀磁场中，通以控制电流I，测出霍尔电压VH，再用高斯计测出磁感应强度B值，就可测定样品的霍尔系数

11RHne（或pe）RH。又因，故可以通过测定霍尔系数来确定半导体材料的载流

子浓度n（或p）（n和p分别为电子浓度和空穴浓度）。

严格地说，在半导体中载流子的漂移运动速度并不完全相同，考虑到载流子速度的统计分布，并认为多数载流子的浓度与迁移率之积远大于少数载流子的浓度与迁移率之积，可得半导体霍尔系数的公式中还应引入一个霍尔因子rH，即

RHrHr(或H)nepe

普通物理实验中常用N型Si、N型Ge、InSb和InAs等半导体材料的霍尔

3rH1.188元件在室温下测量，霍尔因子，所以：

式中，e1.6021019RH318ne

库仑

霍尔元件

霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛应用。霍尔元件是一种磁传感器。要他们可以检测磁场及其变化，可以在各种与磁场有关的场合中。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，他们的结构牢固，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、水汽及烟雾等污染或腐蚀。

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、无回调、位置重复精度高（可达um级）。采用了各种补偿措施的霍尔器件的工作温度范围广，可达55-150度。

按照霍尔器件的功能可将他们分为：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分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出被测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测被检测对象上人为设置的磁场，用这个磁场作为被检测信息的载体，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、加速度、角度、角速度、转速、转数以及工作状态发生变化的时间等，转换成电量来进行检测和控制。

集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越爱到众的重视。集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。

开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。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，施密特触发器和输出级组成。

霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的，其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。本文介绍一种泵驱动轴的转速采用霍尔转速传感器测量。霍尔转速传感器的结构原理图如图3.1, 霍尔转速传感器的接线图如图3.2 。

传感器的定子上有2 个互相垂直的绕组A 和B, 在绕组的中心线上粘有霍尔片HA 和HB ,转子为永久磁钢,霍尔元件HA 和HB 的激励电机分别与绕组A 和B 相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。

图3.1 霍尔转速传感器的结构原理图

图3.2方案霍尔转速传感器的接线图

1、系统工作原理：

转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。其单位为 r／min。由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单片机STC89C51的计数器 T0进行计数，用T1定时测出电动机的实际转速。此系统使用单片机进行测速，采用脉冲计数法，使用霍尔传感器获得脉冲信号。其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆盘上粘上两粒磁钢，让霍尔传感器靠近磁钢，机轴每转一周，产生两个脉冲，机轴旋转时，就会产生连续的脉冲信号输出。由霍尔器件电路部分输出，成为转速计数器的计数脉冲。

控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。单片机CPU将该数据处理后，通过LED显示出来。

传感器 单片机

电机 信号盘 GND

转速测量系统安装图

2、处理方法:

测速实际上就是测频，通常可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。所谓计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间内计数输入的脉冲个数；测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。由于闸门与被测信号不能同步，因此，这两种方法都存在±1误差的问题，第一种方法适用于信号频率高时使用，第二种方法则在信号频率低时使用。等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。此系统采用计数法测速。单片机STC89C52内部具有 2 个 16 位定时/计数器 ,定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功能。在构成为定时器时,每个机器周期加 1(使用12MHz 时钟时,每 1us 加 1),这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在构成为计数器时,在相应的外部引脚发生从 1 到 0 的跳变时计数器加1,这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。

整形电路