非接触（霍尔式）加速踏板位置传感器介绍

电位器式加速踏板传感器是依靠可以相互滑动的电阻元件和滑臂之间的相互接触工作的，因而寿命短。采用非接触式的角位传感器，其寿命可大大提高。常用的一种非接触式加速踏板角度位置传感器是利用霍尔元件制成的，如图11-4所示。与加速踏板联动的轴上装有磁铁。当轴旋转时，改变了轴与霍尔元件之间的相对位置，从而改变了作用在霍尔元件上的磁场强度，结果使霍尔元件的输出电压也变化。测量此电压就可测得加速踏板的角位移。

霍尔效应是美国科学家霍尔在1879年发现的一种物理效应。它的具体原理可用图11-5来说明。

在一个长度为L，宽度为W，厚度为d的长方形半导体片上。沿长度方向和宽度方向端面分别制上电极。当在长度方向（x轴）上通过直流电流I_c，在厚度方向（z轴）上施加磁感应强度为B的磁场时，那么在宽度方向（y轴）上就会产生电位差U_H，这种现象就称为霍尔效应。

若半导体片是电阻率为ρ的N型材料，在x方向施加电场E_x，则它产生的电流密度J可用下式表示

图11-4 霍尔式加速踏板位置传感器

图11-5 霍尔效应原理示意图

如果在z方向上再施加磁场H_Z，那么电子的运动方向受洛仑兹力的作用而发生偏转。由于电子电荷的积累作用，在y轴方向便形成横向电场E_y。

当横向电场E_y作用到电子上的力F_E与磁场H_Z作用到电子上的力F_H恰好相等时，电子运动方向就不再发生偏转而达到一种稳定状态。这种稳定状态可表示为

F_E=F_H （11-4）

因电场力F_E=e·E_y，洛伦兹力F_H=e·V_x·H_Z，式（11-4）可改写为

e·E_y=e·V_x·H_Z （11-5）

式中 e——电子电荷量；

V_x——电子在电场E_x作用下的漂移速度，对所有的电子都认为V_x是同样值。

大量实验证明：横向电场E_y与x方向电流密度J及z方向磁场强度H_Z成正比关系。

E_y=-R_H·J·H_Z （11-6）

式中 R_H——霍尔系数。对于一定的半导体材料而言，它是一个常数。(www.xing528.com)

等式右边的负号代表载流子是电子。

式（11-6）是霍尔效应的基本数学表达式。横向电场E_y通常称为霍尔电场，并用E_H表示，于是公式（11-6）可写为

E_H=-R_H·J·H_Z （11-7）

若电子浓度为n，根据J=n·e·V_x的关系，再用式（11-5）和式（11-6），可以求出霍尔系数R_H的数学表达式为

由霍尔电场E_H形成的电位差称为霍尔电压，用U_H表示。根据I_c=J·W·d和U_H=E_H·x关系，可以求出霍尔电压U_H与霍尔系数R_H的关系为

实际应用中，磁场H_Z都用磁感应强度B表示，电流I_c用I表示，因此式（11-9）可改写为常用的公式

从式（11-10）可知，霍尔电压U_H与输入电流I_c和磁感应强度B都呈线性关系。而这种线性关系便构成三种传感器的应用方式。

1）当输入控制电流I保持不变时，传感器的输出就正比于磁感应强度。因此，凡是能转化成磁感应强度B变化的物理量，都可以测量。如：位移、角度、转速。

2）当磁感应强度B保持不变时，传感器的输出则正比于输入控制电流I。因此，凡是能转化为电流变化的物理量，都可以进行测量。

3）由于传感器的输出正比于输入电流I和磁感应强度B的乘积，所以凡是可以转化为乘法或功率方面的物理量，也都可以测量。

霍尔元件式加速踏板位置传感器利用的正是上述第一个特性的。日本电装公司ECD-U2共轨电控喷油系统中应用的就是这种加速踏板位置传感器。

一般而言，霍尔元件本身输出电压与磁场的线性关系是良好的，只要放大器有很好的线性，就能获得良好的线性集成霍尔传感器。线性集成霍尔传感器从输出形式可分为差分输出型与单端输出两种，差分输出型电路如图11-6所示，霍尔传感器的信号经两级差分放大后输出。

图11-6 差分输出型电路

H—霍尔元件