霍尔传感器原理及其在转速测量方面的应用

霍尔传感器（又称为霍尔开关）是利用半导体材料的霍尔效应将物理量转换成电动势输出的一种传感器。它可以直接测量磁场及微小位移量，也可以间接测量液位、压力等参数。

如图4.3.6所示，将半导体置于垂直的磁场B中，有电流I流过时，在半导体的两侧会产生电动势，电动势的大小与电流和电磁感应强度的乘积成正比，这个电动势为霍尔电势UH，该项电势的大小表达式为

式中，KH——霍尔灵敏度，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压的大小。

霍尔元件是一种四端型器件，由霍尔片、4根引线和壳体组成。通常控制电流引线为红色导线，霍尔电势输出线为绿色导线。

图4.3.6　霍尔元件原理图与结构示意图

霍尔开关是霍尔元件、放大电路、施密特整形电路和OC门等电路集成做在同一个芯片上的集成电路，其内部结构框图如图4.3.7所示。当有磁场作用在霍尔开关上时，霍尔元件输出霍尔电势UH，该电压经放大电路放大后，送至施密特整形电路。当放大后的霍尔电压大于开启阈值时，施密特电路翻转，输出高电平，使晶体管导通，整个电路处于开状态。当磁场减弱时，霍尔元件的输出电压UH很小，经放大器放大后其值仍小于施密特的关闭阈值时，施密特整形电路状态翻转为低电平，使晶体管截止，电路处于关状态。这样一次磁场强度的变化，就使传感器完成一次开关动作。

图4.3.7　霍尔开关集成传感器内部结构图

霍尔开关的输入是以磁感应强度B来表征的，当磁性物体移近霍尔开关时，开关检测面上霍尔元件因霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。

【拓展知识】

霍尔传感器应用

1.霍尔转速表

在被测转速的转轴上安装一齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经放大、整形后就可以确定被测物的转速。如图4.3.8所示，转速n（r/min）与脉冲数f和齿盘的齿数z之间的关系为

图4.3.8　霍尔转速表

图4.3.9　角位移测量仪

2.角位移测量仪

当霍尔元件与磁场方向不垂直，而是与其法线成某一角度θ时，这时霍尔电势为

当θ不同时，霍尔电势UH也不同，霍尔角位移测量仪的结构如图4.3.9所示，霍尔元件与被测物体连动，而霍尔器件是在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电势UH就反映了转角θ的变化。若要与呈线性关系，必须采用特定形状的磁极。

3.功率测量计

图4.3.10所示是单相交流电功率测量电路。设t，经过降压电阻RL得到霍尔元件的控制电流为

，式中Ri为霍尔元件的输入电阻，(www.xing528.com)

负载R上的电流流过铁心线圈，产生垂直于霍尔元件的交变磁感应强度B，且B正比于i，即，式中K为常系数

则霍尔电势为

式中，K=KH Ku Ki是常数，为负载电流i与输入电压u的相位角。

若uH求的平均值，则上式cos（2ωt+φ）中一项为零（正负半周互相抵消），因此

，式中P为负载上的有功功率。

这种功率测量方法有下列优点：由于霍尔电势正比于被测功率，因此可以做成直读式功率计；功率测量范围可从微瓦到数百瓦；装置中设有转动部分，输出和输入之间相互隔离，稳定性好，精度高，结构简单，体积小，寿命长，成本低廉。

图4.3.10　功率测量计

实训任务2　霍尔传感器转速测量实验

一、实训目的

掌握利用霍尔传感器进行转速测量的方法。

二、实训器材

传感器检测技术综合实验台，转动源实验模块、霍尔传感器、示波器、导线。

三、实训内容

1.如图4.3.11，将霍尔转速传感器装于转动源模块的升降架上，探头对准反射面内的磁钢。

图4.3.11　霍尔测速实验接线图

2.将霍尔转速传感器的电源端（红色接线端）接主控台的+5V电源。将霍尔转速传感器输出端（黄色接线端）插入数显单元Fin端，蓝色接线端接地。

3.将转速调节中的+2V-24V转速电源接入转动源模块上的电源插孔中。

4.将数显单元上的开关拨到转速档。

5.调节+2V-24V电压使转动速度变化。观察数显表转速显示的变化。由于转速表内部结构的问题，电机实际转速=转速表显示值/6。