傳感器與檢測技術(shù)霍爾傳感器

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1、傳感與檢測技術(shù),武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院,,Copyright 2004 WUT. All Rights Reserved.,第七章 霍爾傳感器,第一節(jié) 霍爾效應(yīng) 第二節(jié) 霍爾元件的基本特性 第三節(jié) 霍爾元件的誤差及其補償 第四節(jié) 測量電路 第五節(jié) 集成霍爾傳感器 第六節(jié) 霍爾傳感器的應(yīng)用,第一節(jié) 霍爾效應(yīng),1879年美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)。 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。,,半導(dǎo)體中的電子受洛倫茲力FL的作用：,電子又受到霍爾電場的作用力,當(dāng)達到動態(tài)平衡時,霍爾電場強度,X為電荷的遷移率（m2/vs）,霍爾

2、電壓為：,令,則,霍爾常數(shù)RH等于材料的電阻率與電子遷移率的乘積，金屬材料電子遷移率大，但電阻率很?。唤^絕材料電阻率極高，但載流子遷移率極低；只有半導(dǎo)體材料適于作霍爾元件，其電阻率和載流子的遷移率都比較大。,目前常用的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、銻化銦和砷化銦等，這些材料不但有較大的霍爾常數(shù)，而且有較好的線性度。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。,KH表示為一個霍爾元件在單位B和電位I時輸出霍爾

3、電壓的大小。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。,則,第二節(jié) 霍爾元件的基本特性,一、霍爾元件,,二、霍爾元件的基本特性,1. UHB 特性 當(dāng)控制電流不變時，霍爾電壓與磁場具有單值關(guān)系，在磁不飽和時，UH與B具有線性關(guān)系。如使傳感器處于非均勻磁場中，傳感器的輸出正比于磁感應(yīng)強度，因此，對凡是能轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強度變化的量都能進行測量，如位移、角度、轉(zhuǎn)速和加速度等。,,二、霍爾元件的基本特性,2. UH I 特性 特性磁場不變，傳感器輸出值正比于控制電流值，因此，凡能轉(zhuǎn)換為電流變化的量，均能進行測量。,,3. UHIB 特性 傳感器輸出值正

4、比于磁感應(yīng)強度和控制電流之積，因此，它可以用于乘法、功率等方面的計算與測量。,霍爾元件主要特性參數(shù)：,1. 輸入電阻和輸出電阻 霍爾元件工作時需要加控制電流，這就需要知道控制電極間的電阻，稱輸入電阻。霍爾電極輸出霍爾電勢對外電路來說相當(dāng)于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強度為零且環(huán)境溫度在205時確定的。,2. 額定控制電流和最大允許控制電流 當(dāng)霍爾元件自身溫升10時所流過的控制電流稱為額定控制電流。以元件允許的最大溫升為限制所對應(yīng)的控制電流稱為最大允許控制電流。,3. 不等位電勢和不等位電阻 當(dāng)霍爾元件的控制電流為IN時，若元件所處位置磁感應(yīng)強度為零，則它的霍爾電勢

5、應(yīng)該為零，但實際不為零。這時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： （1）霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上； （2）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均勻。 （3）控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布等。,不等位電勢是由霍爾電勢c和d之間的電阻ro決定的，稱為不等位電阻,4. 寄生直流電勢,其產(chǎn)生的原因有： （1）控制電極和霍爾電極與基片的連接屬于金屬與半導(dǎo)體的連接，這種連接是非完全歐姆接觸時。會產(chǎn)生整流效應(yīng)； （2）控制電流和霍爾電勢都是交流時，經(jīng)整流效應(yīng)，它們各自都在霍爾電極之間建立直流電勢。 （3）兩個霍爾電極焊點的不一致，造成兩焊點熱容量、散

6、熱狀態(tài)的不一致，因而引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢，也是寄生直流電勢的一部分。,5. 寄生感應(yīng)電勢,當(dāng)控制電流I為交變電流時，此電流形成的交變磁場在電極引線上要產(chǎn)生寄生感應(yīng)電勢。為了減小寄生感應(yīng)電勢，要求各電極引線盡可能短，且布線合理以減少磁交鏈。,6. 霍爾電勢溫度系數(shù),在一定磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度每變化1時，霍爾電勢變化的百分率稱霍爾電勢溫度系數(shù)。,三、誤差及其補償,1、零位誤差及其補償 霍爾元件在控制電流I=0或磁場B=0時出現(xiàn)的霍爾電壓UH，稱之為零位誤差。,（1）直流寄生電勢 霍爾元件控制電流或霍爾電壓兩引線電極焊點大小不等、熱容量不同，或接觸不良、歐姆電阻大小不等，因而引

7、起溫差電勢。提高電極焊點結(jié)構(gòu)上的對稱性，保持電極引線接觸良好，且散熱條件相同，可以減小這種直流寄生電勢。,（2）寄生感應(yīng)電勢 當(dāng)控制電流I為交變電流時，此電流形成的交變磁場在電極引線上要產(chǎn)生寄生感應(yīng)電勢。為了減小寄生感應(yīng)電勢，要求各電極引線盡可能短，且布線合理以減少磁交鍵。,（3）不等位電勢 不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超過霍爾電勢。實用中，若想消除不等位電勢極其困難的，因而只有采用補償?shù)姆椒?。由于不等位電勢由不等位電阻產(chǎn)生，因而可以用分析電阻的方法找到一個不等位電勢的補償方法。,霍爾元件不等位電勢原理圖,（a）不對稱電極（b）電極等效電橋,不等位電勢補償電路,（a）是電阻值

8、較大的橋臂上并聯(lián)電阻 （b）是在兩相鄰橋臂上并聯(lián)電阻，以增加電極等效電橋的對稱性。,2、溫度誤差及其補償,電路中用一個分流電阻rT與霍爾元件的控制電極相并聯(lián)。當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻自動加強分流，減小了霍爾元件的控制電流I，從而達到補償?shù)哪康摹?選擇溫度系數(shù)小的霍爾元件 ； 采取恒溫措施； 采用恒流源供電 。,四、測量電路,1. 線性型測量電路,U0正比于磁感應(yīng)強度，輸出電壓與外加磁感應(yīng)強度呈線性關(guān)系。,2. 開關(guān)型測量電路,U0為開關(guān)量，差動放大器工作在開環(huán)狀態(tài)。,第三節(jié) 集成霍爾傳感器及應(yīng)用,把霍爾元件和測量電路集成在一起組成集成霍爾傳感器. 這類傳感器具有工

9、作頻帶寬、響應(yīng)快、靈敏度高、無觸點、體積小等優(yōu)點。按其功能不同可分為兩大類：開關(guān)型集成霍爾傳感器和線性型集成霍爾傳感器。,,一、開關(guān)型霍爾傳感器的組成,輸出電平與磁感應(yīng)強度 之間的關(guān)系,開關(guān)型集成霍爾傳感器輸出電平具有遲滯現(xiàn)象，其回差寬度B=BHBL。B越小，電平轉(zhuǎn)移靈敏度就越高；反之，B越大，輸出電平抗干擾能力越強。,二、應(yīng)用,1.國產(chǎn)CS835 霍爾無觸點開關(guān),B0，VT導(dǎo)通，V0=0 B=0， VT截止，V0=1 可作安保設(shè)備用。集成器件裝在門框上，永磁體裝門上。門打開時，開關(guān)輸出高電平，門鈴響。,2.國產(chǎn)CS3120高溫霍爾傳感器的外型結(jié)構(gòu),第三節(jié) 集成霍爾傳感器及應(yīng)用,霍爾式汽車點火器,,思考題： 用開關(guān)型霍爾傳感器測量電動小汽車的路程和速度。,媽媽新開了個淘寶店，歡迎前來捧場 媽媽的淘寶點開了快半年了，主要賣的是毛絨玩具、坐墊、抱枕之類的，但生意一直不是很好，感覺媽媽還是很用心的，花了不少功夫，但是就是沒有人氣，所以我也來出自己的一份力，幫忙宣傳一下。 并且媽媽總是去五亭龍?zhí)糇詈玫耐婢哒?、發(fā)貨，質(zhì)量絕對有保證。 另外我家就在揚州五亭龍玩具城旁邊，貨源豐富，質(zhì)量可靠，價格便宜。 歡迎大家來逛逛【揚州五亭龍玩具總動員】,個人小廣告：,