霍爾式傳感器

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1、第五章 霍爾式傳感器 5.1霍爾式傳感器的工作原理 5.2霍爾式傳感器的基本測量電路 5.3霍爾式傳感器的誤差與補(bǔ)償 5.4霍爾式傳感器的應(yīng)用 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng), 但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, 開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。 霍爾傳感器廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測量。 5.1 霍爾式傳感器的工作原理 一、 霍爾效應(yīng)及霍爾元件 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)制作的半導(dǎo)體磁敏傳感器。半導(dǎo)體磁敏傳感器是指電參數(shù)按一定規(guī)律隨磁性量變化的

2、傳感器，常用的有霍爾傳感器和磁敏電阻傳感器。磁敏器件是利用磁場工作的，所以可以用非接觸方法檢驗(yàn)。 半導(dǎo)體磁敏器件的特點(diǎn)是：從直流到高頻，其特性完全一樣， 也就是完全不存在與頻率的關(guān)系。 （一）. 霍爾效應(yīng) 1879年美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)：在通有電流的金屬板上加一個(gè)強(qiáng)磁場，當(dāng)電路流方向與磁場方向垂直時(shí)，在與電流和磁場都垂直的金屬板的兩表面之間出現(xiàn)電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效益，這個(gè)電動(dòng)勢差稱為霍爾電動(dòng)勢。（置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體, 當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時(shí), 載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢, 這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢稱霍爾電勢。） 其原理可用帶電粒子在磁場中所

3、受到的洛倫茲力解釋。圖 5 1（a） 所示, 在垂直于外磁場B的方向上放置一導(dǎo)電板, 導(dǎo)電板通以電流I, 方向如圖所示。導(dǎo)電板中的電流是金屬中自由電子在電場作用下的定向運(yùn)動(dòng)。此時(shí), 每個(gè)電子受洛侖磁力fL的作用，fL大小 ： fL =eBv 式中: e電子電荷; v電子運(yùn)動(dòng)平均速度; B磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 bUH fL的方向在圖 5 - 1中是向上的, 此時(shí)電子除了沿電流反方向作定向運(yùn)動(dòng)外, 還在fL的作用下向上漂移, 結(jié)果使金屬導(dǎo)電板上底面積累正電荷, 而下底面積累電子, 從而形成了附加內(nèi)電場EH, 稱霍爾電場, 該電場強(qiáng)度為 EH= 式中UH為電位差?；魻栯妶龅某霈F(xiàn), 使定向運(yùn)動(dòng)的電子除了

4、受洛侖磁力作用外, 還受到霍爾電場的作用力, 其大小為eFe，此力阻止電荷繼續(xù)積累。 隨著上、下底面積累電荷的增加, 霍爾電場增加, 電子受到的電場力也增加, 當(dāng)電子所受洛侖磁力與霍爾電場作用力大小相等、 方向相反時(shí), 即eEH=evB 則 EH=vB 此時(shí)電荷不再向兩底面積累, 達(dá)到平衡狀態(tài)。 若金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n, 電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度為v, 則激勵(lì)電流I=nevbd, 則 v=將式上代入式（ EH=vB ）得 EH=將上式代入式（ ）得 UH = 式中令RH =1/（ne）, 稱之為霍爾常數(shù), 其大小取決于導(dǎo)體載流子密度，則 UH =RH （5 - 1） 式中KH=RH/d稱

5、為霍爾片的靈敏度。由式（5 - 1）可見, 霍爾電勢正比于激勵(lì)電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度,其靈敏度與霍爾常數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度, 霍爾元件常制成薄片 形狀。 當(dāng)I與B的不垂直時(shí)霍爾電壓為 ： IBbdnenedIB IbdneIBKdIB H cosH HU K IB 對霍爾片材料的要求, 希望有較大的霍爾常數(shù)RH, 霍爾元件激勵(lì)極間電阻R=L/（bd）, 同時(shí)R=UI/I=EIL/I=vL/（nevbd）, 其中UI為加在霍爾元件兩端的激勵(lì)電壓，EI為霍爾元件激勵(lì)極間內(nèi)電場，v為電子移動(dòng)的平均速度。 則 解得RH= 從上式可知, 霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率

6、的乘積。若要霍爾效應(yīng)強(qiáng), 則RH值大, 因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。 nebdLbdL 一般金屬材料載流子遷移率很高, 但電阻率很小; 而絕緣材料電阻率極高, 但載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有: 鍺、 硅、砷化銦、 銻化銦等半導(dǎo)體材料。 其中N型鍺容易加工制造, 其霍爾系數(shù)、 溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好, 其霍爾系數(shù)、 溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對溫度最敏感, 尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大, 但在室溫時(shí)其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小, 溫度系數(shù)也較小, 輸出特性線性度好。 下表 為常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)。

7、 （二）. 霍爾元件基本結(jié)構(gòu) 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單, 它由霍爾片、 引線和殼體組成, 如下圖 (a)所示。 霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片， 引出四個(gè)引線。1、1兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極；2、2引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極。 霍爾元件殼體由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成如圖（C）。 在電路中霍爾元件可用三種符號(hào)表示，如圖(b)所示。 二、 霍爾元件的主要特性1） 額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流 當(dāng)霍爾元件自身溫升10時(shí)所流過的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流。 以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵(lì)電流稱為最大允許激勵(lì)電流。因霍爾電勢隨激勵(lì)電流增加而增加, 所以, 使用中希望選用盡

8、可能大的激勵(lì)電流, 因而需要知道元件的最大允許激勵(lì)電流, 改善霍爾元件的散熱條件, 可以使激勵(lì)電流增加。 2） 輸入電阻和輸出電阻 激勵(lì)電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢對外電路來說相當(dāng)于一個(gè)電壓源, 其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零且環(huán)境溫度在205時(shí)確定的，溫度對其有影響。 3） 不等位電勢和不等位電阻 當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為I時(shí), 若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零, 則它的霍爾電勢應(yīng)該為零, 但實(shí)際不為零。 這時(shí)測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有: 霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上; 半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不

9、均勻; 激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。 不等位電勢也可用不等位電阻表示 4） 寄生直流電勢 在外加磁場為零, 霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí), 霍爾電極輸出除了交流不等位電勢外, 還有一直流電勢, 稱寄生直流電勢。 其產(chǎn)生的原因有: 激勵(lì)電極與霍爾電極接觸不良, 形成非歐姆接觸, 造成整流效果; 兩個(gè)霍爾電極大小不對稱, 則兩個(gè)電極點(diǎn)的熱容不同, 散熱狀態(tài)不同形成極向溫差電勢。寄生直流電勢一般在 1mV以下, 它是影響霍爾片溫漂的原因之一。 5） 霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下, 溫度每變化1時(shí), 霍爾電勢變化的百分率稱霍爾電勢溫度系數(shù)。它同時(shí)也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。 6）自

10、激場零電動(dòng)勢 當(dāng)霍爾元件通一輸入電流時(shí)該電流就會(huì)產(chǎn)生磁場，這個(gè)磁場就稱為自激場。見右圖 ： 由于元件的左右兩半場相等，故產(chǎn)生的電動(dòng)勢方向相反而抵消。實(shí)際應(yīng)用中由于輸入電流引線也產(chǎn)生磁場，使元件左右兩半場不相等，因而有電壓輸出，該電壓就是自激場零電動(dòng)勢?？朔溆绊懙姆椒ň褪窃诎惭b輸入電流引線時(shí)適當(dāng)安排。 溫度還影響霍爾元件的內(nèi)阻即輸入阻抗和輸出阻抗。不同材料制成的霍爾元件，其內(nèi)阻與溫度關(guān)系不同 。 當(dāng)負(fù)載電阻比霍爾元件輸出電阻大的多時(shí)，輸出電阻變化對輸出的影響很小。這時(shí)就只考慮輸入端進(jìn)行補(bǔ)償，簡單的溫度補(bǔ)償方法是用恒流源補(bǔ)償。這就是的當(dāng)輸入電阻隨溫度變化時(shí)，輸入電流變化極小，從而減小了輸入端的溫

11、度影響。 5.2霍爾式傳感器的基本測量電路 霍爾元件的基本測量電路如右圖：控制電流I由電源E提供，R-調(diào)節(jié)電阻用來根據(jù)需要改變I的大小。L 可以是放大器的輸入電阻或表頭內(nèi)阻，所加的外磁場B一般與霍爾元件的平面垂直。 在實(shí)際測量中可以把I或B或I*B作為輸入信號(hào)，通過霍爾電壓輸出得到測量結(jié)果。 控制電流可以是交流量。由于建立霍爾效應(yīng)所需的時(shí)間極短，所以控制電流的頻率可高達(dá) Hz以上。 910 一、將被測量轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度B（恒流源） 保持霍爾元件的控制電流I恒定不變，就可以測量磁感應(yīng)強(qiáng)度B，以及位移、角度等可直接轉(zhuǎn)換為B的物理量，進(jìn)一步還可以測量先轉(zhuǎn)換成位移或角度、然后間接轉(zhuǎn)換為B物理量，如振動(dòng)

12、、壓力、速度、加速度、轉(zhuǎn)速等。二、將被測量轉(zhuǎn)換為控制電流I（恒壓源） 保持霍爾元件上所施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B恒定不變，就可以測量控制電流I，以及可以轉(zhuǎn)換為I的物理量，如電壓等。 恒壓驅(qū)動(dòng)電路簡單，但性能較差。隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，線性變化壞，僅用于精度要求不太高的場合；恒流驅(qū)動(dòng)線性度高，精度高，受溫度影響小。 三、將被測量轉(zhuǎn)換為I與B 的乘積 種類應(yīng)用可進(jìn)行乘積運(yùn)算，并可測量可以轉(zhuǎn)換為乘積運(yùn)算的物理量?？蓽y量單相負(fù)載上的無功功率，也可測量三相負(fù)載上的有功功率（I*U*cos ）和無功功率（I*U*sin ）。5.3霍爾式傳感器的誤差與補(bǔ)償一、零位誤差與補(bǔ)償 在分析零位電動(dòng)勢時(shí)，可將霍爾元件等效為一個(gè)

13、電橋，如圖所示?？刂齐姌OA、B和霍爾電極C、D可看做電橋的電阻連接點(diǎn)，R1、R2、R3、R4構(gòu)成四個(gè)橋臂，控制電壓可看為電橋工作電壓。理想情況下：Um =0,電橋平衡，R1=R2=R3=R4；如霍爾元件的某種結(jié)構(gòu)原因造成Um 0，這時(shí)4個(gè)電阻的阻值有差異， Um 就是電橋的不平衡輸出電壓。 產(chǎn)生Um 的原因?yàn)榈刃щ姌虻乃膫€(gè)橋臂電阻不相等，所以任何能夠使 電橋達(dá)到平衡的方法都可作為零位電勢的補(bǔ)償方法。有基本和 溫度補(bǔ)償電路。 （一）基本補(bǔ)償電路 霍爾元件的零位電動(dòng)勢補(bǔ)償電路有多種，下圖是兩種常見電路，其中Rp是調(diào)節(jié)電阻。（a ）是在造成電橋不平衡的電阻值較大的一個(gè)橋臂上并聯(lián)Rp ，通過調(diào)節(jié)Rp使

14、電橋達(dá)到平衡狀態(tài)，稱為不對稱補(bǔ)償電路。（b）相當(dāng)于在兩個(gè)電橋上并聯(lián)調(diào)節(jié)電阻，稱為對稱補(bǔ)償電路。 基本補(bǔ)償電路沒有考慮溫度變化的影響。實(shí)際上，由于調(diào)節(jié)電阻Rp與霍爾元件的等效橋臂電阻的溫度系數(shù)一般都不相同，所以某一溫度下通過調(diào)Rp使Um =0，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí) ，平衡又被破壞了，這時(shí)又要重新調(diào)節(jié)。（b ）電路的溫度穩(wěn)定性要比（a ）好 。 二、溫度誤差與補(bǔ)償 霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的, 因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí), 霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化, 從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。 為了減小霍爾元件的溫度誤差, 除選用溫度系數(shù)小的元件或采用

15、恒 溫措施外, 采用恒流源供電是個(gè)有效措施, 可以使霍爾電勢穩(wěn)定。 但也只能減小由于輸入電阻隨溫度變化而引起的激勵(lì)電流I變化所帶來的影響。也可以使用一些溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ā?（一）、采用恒流源提供控制電流 采用恒流源提供恒定的控制電流可以減小溫度誤差，但元件的靈敏度Kh 也是溫度的系數(shù)，對于具有正溫度系數(shù)的霍爾元件，可在元件控制極并聯(lián)分流電阻R來提高Uh的溫度穩(wěn)定性，如圖所示 它由恒流源、并聯(lián)電阻和霍爾元件組成。 令在初始溫 T0 時(shí)，元件靈敏度系數(shù)為 、輸入電阻為 ，當(dāng)溫度由 T0 變化到T ，即有 時(shí)，各參數(shù)變化為式中， 霍爾元件輸入電阻 的溫度系數(shù) 靈敏度 的溫度系數(shù)由于溫度為T0 時(shí)有 在

16、溫度為T時(shí)有要使霍爾電勢不隨溫度而變化，必須保證在B 和 I 的值為常數(shù)，溫度為 T 和 T0 時(shí)有： 即有：那么： 整理得：當(dāng)霍爾元件選定以后， 、 、 為定值，其值可在產(chǎn)品說明書中查到，選擇適合的補(bǔ)償分流電阻 ，使由于溫度引起的誤差降至極小。 （二）、合理選擇負(fù)載電阻 圖5-7所示電路中，霍爾電壓輸出接負(fù)載電阻RL，則當(dāng)溫度為T時(shí)RL上的電壓表示為： （5-13）當(dāng)溫度由T變成 T+T 時(shí)，則RL上的電壓變?yōu)?式中 -霍爾元件輸出電阻； -霍爾元件溫度系數(shù)； -霍爾元件輸出電阻的溫度系數(shù) ； （5-14） 要使UL不受溫度變化影響，即 ，由上兩式可知 整理得： （5-15）0LL H LR

17、U U R R 0(1 ) (1 )LL L H L RU U U T R R T 0R 0LU 0 0(1 ) (1 )L LH HL LR RU U TR R R R T 0LR R 對于一個(gè)霍爾元件， 、 和 的值容易獲得，所以只要使負(fù)載電阻RL滿足（5-15），就可以實(shí)現(xiàn)在輸出回路中對溫度的補(bǔ)償。雖然 RL 通常是放大器的輸入電阻或表頭內(nèi)阻，其值是一定的，但可通過串、并聯(lián)電路來調(diào)整RL的值。 0R （三）、采用熱敏元件 對于由溫度系數(shù)較大的半導(dǎo)體材料（銻化銦）制成的霍爾元件，常采用下圖的溫度補(bǔ)償電路，Rt 熱敏元件（熱電阻或熱敏電阻）。 （a）在輸入回路中進(jìn)行溫度補(bǔ)償，當(dāng)溫度變化時(shí)，用

18、Rt的變化來抵消霍爾元件靈敏度KH和輸入電阻Ri變化對霍爾輸出的電壓UH的影響 （b）在輸出回路中進(jìn)行溫度補(bǔ)償，當(dāng)溫度變化時(shí)，用Rt的變化來抵消霍爾電壓UH和輸出電阻Ro 變化對負(fù)載電阻RL上的電壓UL的影響 在安裝測量電路時(shí)，熱敏元件最好和霍爾元件封裝在一起或盡量靠近，以使二者溫度變化一致。 5.4霍爾式傳感器的應(yīng)用1. 霍爾式壓力傳感器霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點(diǎn), 它不僅用于磁感應(yīng)強(qiáng)度, 有功功率及電能參數(shù)的測量, 也在位移、壓力等測量中得到廣泛應(yīng)用。下圖是霍爾壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。由兩部分組成：一部分是作為彈性敏感元件的彈簧管,用來感受壓力P,并將P轉(zhuǎn)換為彈

19、性元件的位移 ；另一部分是霍爾元件和磁系統(tǒng)，磁系統(tǒng)形成一個(gè)均勻階梯磁場見下圖所示，在其工作范圍內(nèi)， ；霍爾元件固定在在彈性元件上，所以霍爾元件在均勻梯度磁場中的位移也是x 。 -斜率，為常數(shù)； -系數(shù)，為常數(shù) BK PKBB K x Px K P霍爾電壓 與被測壓力P之間的關(guān)系可表示為：HUH H B PU K IK K P KP 式中 K-霍爾式壓力傳感器的輸出靈敏度 H B PK K K K I 2. 霍爾式微位移傳感器 下圖給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖。 圖（a）是磁場強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵, 同極性相對地放置, 霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0, 因

20、此霍爾元件輸出的霍爾電勢UH也等于零, 此時(shí)位移x=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對位移, 霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之改變, 這時(shí)UH不為零, 其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量, 這種結(jié)構(gòu)的傳感器, 其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá) 5 mm, 分辨率為 0.001mm。 圖（b）所示是一種結(jié)構(gòu)簡單的霍爾位移傳感器, 由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器, 在x=0 時(shí), 霍爾電壓不等于零。 圖（c）是一個(gè)由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器, 為了獲得較好的線性分布, 在磁極端面裝有極靴, 霍爾元件調(diào)整好初始位置時(shí), 可以使霍爾電壓UH=0 。 這種傳感器靈敏度很高, 但它所能檢測的位

21、移量較小, 適合于微位移量及振動(dòng)的測量 。 3. 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 下 圖 是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。 磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連, 當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng), 固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖, 檢測出單位時(shí)間的脈沖數(shù), 便可知被測轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少?zèng)Q定了傳感器測量轉(zhuǎn)速的分 辨率。 3. 霍爾計(jì)數(shù)裝置 霍爾開關(guān)傳感器SL3501是具有較高靈敏度的集成霍爾元件, 能感受到很小的磁場變化, 因而可對黑色金屬零件進(jìn)行計(jì)數(shù)檢測。 下圖 是對鋼球進(jìn)行計(jì)數(shù)的工作示意圖和電路圖當(dāng)鋼球通過霍爾開關(guān)傳感器時(shí), 傳感器可輸出峰值20mV的脈沖電壓, 該電壓經(jīng)運(yùn)算放大器A（A741）放大后, 驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體三極管VT（2N5812）工作, VT輸出端便可接計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù), 并由顯示器顯示檢測數(shù)值。 左手定則：伸開左手，使大拇指跟其余四個(gè)手指垂直，并且都跟手掌在一個(gè)平面內(nèi)，把手放入磁場中，讓磁力線垂直穿入手心，并使伸開的四指指向電流的方向，那么，大拇指所指的方向，就是通電導(dǎo)線所受的安培力的方向 右手定則：右手平展，使大拇指與其余四指垂直，并且都跟手掌在一個(gè)平面內(nèi)。把右手放入磁場中，若磁力線垂直進(jìn)入手心（當(dāng)磁感線為直線時(shí)，相當(dāng)于手心面向N極），大拇指指向?qū)Ь€運(yùn)動(dòng)方向，則四指所指方向?yàn)閷?dǎo)線中感應(yīng)電流的方向。補(bǔ)充：