1.霍尔效应 

将导体或者半导体置于磁场强度为B的磁场中，并且在垂直于磁场方向的通入控制电流I，那么在导体的垂直于磁场和控制电流方向的两个端面之间会出现电动势EH，这一现象便是霍尔效应，这个电动势被叫做霍尔电动势。能产生霍尔效应的导体或者半导体称为霍尔元件，如图4-7所示。

              （a）霍尔效应原理图                     (b)  图形符号    

图4-7   霍尔效应和霍尔元件

以N型半导体薄片为例，该导电的载流子是自由电子，在垂直于半导体的磁场作用下，自由电子受到洛伦兹力FL的作用，向d侧偏转，使d侧形成自由电子的堆积带负电，另一侧因为缺少电子带正电，所以在c、d两侧形成一个电场E，该电场对自由电子的作用力与洛伦兹力方向相反，阻止自由电子向d侧偏转，随着自由电子堆积的也多，电场越强，则电场力FE越大，而洛伦兹力始终保持不变，直至电场力和洛伦兹力相等，此时在c、d两侧形成的稳定的霍尔电动势。

霍尔电动势和通过半导体薄片的电流以及施加在薄片上的磁场有关，故霍尔电动势为

                        E=KIB           (4-1)

式中，K——霍尔元件的灵敏度，表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电动势的大小。从式（4-1）可知，E正比于I和B，当磁场或电流改变方向时，霍尔电动势E也随之改变方向，所以霍尔元件既能检测磁场的大小，还能检测磁场的方向。

若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度θ，则实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度时其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcosθ，这时的霍尔电动势为

            EH=KHIBcos           (4-2)

霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。 

2．霍尔元件的主要参数

（1）输入电阻Ri和输出电阻Ro

如图4-7所示，霍尔元件的a、b两侧为控制电极，两电极之间的电阻称为输入电阻Ri，该电阻会随着温度的升高而减小，从而使控制电路I增大，霍尔电动势E也随之增大。为了减小温度对霍尔电动势的影响，通常采用恒流源供电。输出电阻Ro。是指霍尔元件c、d两侧输出电极之间的电阻，输出电阻和输入电阻一样，也会随着温度的变化而变化，所以要采用合适的负载消除温度对输出电阻的影响。输入电阻和输出电阻可以在无磁场时用欧姆表测量。

（2）额定控制电流Ic

能使霍尔元件在空气中产生10o温升的控制电流值，称为额定控制电流IC。

（3）不等位电动势

霍尔元件在额定控制电流作用下，不施加外磁场时，霍尔元件的输出电压。不等位电动势是由于霍尔元件的电极不对称，材料的电阻率不均衡等因素造成的。不等位电动势通常很小，不大于1mV,可以采用电桥法来补偿不等位电动势。

（4）霍尔灵敏度KH

                    它的单位是：

（5）霍尔元件的温度系数

霍尔元件的温度系数是指在一定的磁场和控制电流控制下，温度每变化１ｏＣ时霍尔电动势变化的百分数，它与霍尔元件的材料有关。

（6）最大激励电流IM

由于霍尔电动势随控制电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的控制电流。但控制电流增大，霍尔元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。

3．霍尔集成电路

随着电子技术的发展，现在常用的都是霍尔集成电路，就是将霍尔元件和集成电路结合在一起做成的电路，使用非常方便。常用的霍尔集成电路分为线性型和开关型两大类。

（1）线性型

线性型霍尔集成电路一般由恒流源、霍尔元件、放大电路等组成，其特点是输出电压与外加磁场强度呈线性关系，所以一般用于检测磁场强度。

线性型可以分成单端输出型和双端输出型。单端输出型常用的有UGN3501、SL3501T等；双端输出型有UGN3501M、SL3501M等。单端输出是一个三端元件，其外形和结构如图4-8所示，对应的输出特性如图4-9所示，反映了输出电压和磁感应强度的关系。

           （a）外形                           ( b）电路结构

图4-8   单端输出型的外形和电路结构

图4-9   单端输出型线性霍尔集成电路输出特性

双端输出型则是一个双列直插的芯片，采用差动输出方式。如图4-10所示为差分输出的线性霍尔集成电路的输出特性，从图中可以看到，当磁场为正时即磁钢的S极靠近霍尔集成电路的正面时，输出为正；反之，输出为负。当磁场为零时，输出电压为零。图4-11中的5、6、7脚外接的电位器是用于消除不等位电动势引起的零点漂移。线性型霍尔集成电路可以用于电流检测、位移监测、力/压力检测等。

    图4-10  双端输出型霍尔集成电路       图4-11差动输出的霍尔集成电路输出特性

（2）开关型

开关型的霍尔集成电路有稳压电源、霍尔元件、放大器、施密特触发器、OC门等电路集成在一块芯片上制成，如图4-12（b）所示。其常用的有UGN3020、3022等，由于采用OC门，即集电极开路输出门，故实际使用时，通常要接上拉电阻。

           （a）外形                    （b）电路结构

图4-12   开关型霍尔集成电路UGN3020外形和结构 

开关型霍尔集成电路的输出特性如图4-13所示，其中Bop为工作点“开”的磁感应强度，B为释放点“关”的磁感应强度。当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，OC门由高阻态变成导通，输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点B时，OC门由导通变回高阻态，输出高电平。Bop与B之间的回差可以使霍尔集成电路开关动作更为可靠。

UGN3075，UGN3175这些型号的霍尔集成电路，其内部有双稳态电路。传感器输出在外磁场撤消后，还可以保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度，才能使电平产生变化，所以称为“锁键型”（或称“锁存型”）霍尔集成电路。

图4-12   开关型霍尔集成电路的输出特性     图4-13 锁存型开关型霍尔集成电路的输出特性

开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。

           实训4-2  霍尔传感器的转速测量实验

1、实验目的

了解开关型霍尔传感器用于测量转速的方法。

2、实验所用单元

霍尔传感器探头（内附转换电路，如图4-39所示）、转速传感器（如图4-37（b）所示）、电机调速装备（光电传感器转换电路中）、光纤位移台架（如图4-37（c）所示）、直流稳压电源、频率与转速表。

3、实验原理及电路

利用开关型霍尔传感器探头对旋转体磁极的明显变化产生脉冲信号，经电路处理即可测量转速。

4、实验步骤

（1）固定好光纤位移台架，将霍尔传感器探头装于传感器支架上，将转速传感器放入光纤位移台架的圆孔中，使探头对准转速传感器转盘磁极。

（2）霍尔传感器探头的红线接面板上的+5V电源，蓝线接频率与转速表输入端，黑线接地。

（3）将频率与转速表切换开关拨到频率档，调节电机调速旋钮，使电机转动，观察实验现象。

5、实验报告

（1）观察实验现象，并记录实验数据，即频率表的读数。

（2）根据频率表读数，计算出电机的转速。

（3）总结实验的注意事项。

6、实验连线图（参考）

本实验的实际连线图如图4-40所示。