基于线性霍尔元件的位移传感器设计

郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书基于线性霍尔元件的位移传感器姓名：吴富昌专业班级：电子信息工程13-01学号：541301030139指导老师：陆立平时间：2016.6.27－2016.7.1郑州轻工业学院课程设计任务书题目基于线性霍尔元件的位移传感器设计专业、班级电子信息工程13-01学号39姓名吴富昌主要内容、基本要求、主要参考资料等：一、主要内容：利用线性霍尔元件设计一个位移传感器。二、基本要求：（1）设计一个位移传感器，并设计相关的信号处理电路。（2）为达到误差控制要求，需要对霍尔元件的误差进行补偿校正，主要包含霍尔元件的零位误差及补偿和温度误差及补偿。（3）完成系统框图和电路原理图的设计和绘制，系统理论分析和设计详细明确，有理有据。（4）信号处理电路应包含激励信号电路、消除不等位电势补偿电路、放大电路、相敏检波电路和低通滤波电路等。（5）利用软件仿真，得出主要信号输入输出点的波形，根据仿真结果验证设计功能的可行性、参数设计的合理性。（6）根据模拟结果计算位移传感器的迟滞误差、线性度和灵敏度等参数。（7）写出3000～5000字的设计报告，主体文本字号为小四号，标题章节字号依照美观合理原则选择，并合理加黑，字体均为宋体。三、主要参考资料：（1）何金田，张斌主编，传感器原理与应用课程设计指南。哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009.01.（2）周继明，刘先任、江世明等，传感器技术与应用实验指导及实验报告。长沙：中南大学出版社，2006.08.（3）陈育中，霍尔传感器测速系统的设计，科学技术与工程，2010,10：7529-7532.完成期限：2016年6月27日－2016年7月1日指导教师签章：专业负责人签章：2016年6月27日基于线性霍尔元件的位移传感器设计摘要霍尔传感器是基于霍效应而将被测量转化成电动势输出的一种传感器。霍尔元件已发展成一个品种多样的磁传感器产品簇，并且得到广泛的应用。霍尔器件是一种磁传感器，用它可以检测磁场及其变化，可以在各种与磁有关的场合中使用。霍尔期间以霍尔效应为其工作原理。当被测物体分别与恒定电流I和恒定磁场B垂直二当被测物体相对于原来位置有微小位移变化时，会产生变化的磁通量，会在导体垂直于磁场和电流的两个端面之间产生电势差，即UH(霍尔电压)。本文主要研究微小位移与霍尔电压的关系来设计霍尔位移传感器。关键词霍尔传感器位移霍尔电压I目录1霍尔元件及其工作原理................................................................................................11.1霍尔元件....................................................................................................................11.2霍尔元件工作原理...............................................................................................21.3霍尔元件的主要特性及材料........................................................................31.3.1霍尔元件的主要特性参数............................................................................31.3.2霍尔元件的材料..............................................................................................41.4霍尔传感器简介...................................................................................................41.5霍尔传感器的应用...............................................................................................42霍尔元件的误差及补偿................................................................................................62.1霍尔元件的零位误差与补偿..........................................................................62.2霍尔元件的温度误差及补偿..........................................................................62.2.1温度误差产生原因..........................................................................................62.2.2减小霍尔元件的温度误差的方法..............................................................63单元电路设计.....................................................................................................................73.1霍尔电压的放大及霍尔元件的归零校正...............................................73.2恒流源构成温度度补偿电路..........................................................................73.3霍尔位移传感器的设计电路图....................................................................74数据的采集和分析...........................................................................................................84.1数据的采集...............................................................................................................84.2数据处理...................................................................................................................84.3霍尔元件的技术参数.........................................................................................85总结.........................................................................................................................................10II参考文献...................................................................................................................................1111霍尔元件及其工作原理1.1霍尔元件霍尔元件是半导体四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相对两侧对称的焊上两对电极引出线（一对称激励电流端，另一对称霍尔电势输出端），如下图所示。图1-1霍尔元件结构图霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等等.霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔元件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。霍尔电位差UH的基本关系为：UH=RHIB/d（18）RH=1/nq（金属）（19）式中RH——霍尔系数：n——单位体积内载流子或自由电子的个数2q——电子电量；I——通过的电流；霍尔元件B——垂直于I的磁感应强度；d——导体的厚度。对于半导体和铁磁金属，霍尔系数表达式与式（19）不同，此处从略。由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。1.2霍尔元件工作原理霍尔元件应用霍尔效应的半导体。所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为:UH=RHIB/d（1）RH=1/nq（金属）（2）式中RH――霍尔系数；n――单位体积内载流子或自由电子的个数；q――电子电量；I――通过的电流；B――垂直于I的磁感应强度；d――导体的厚度。对于半导体和铁磁金属，霍尔系数表达式和式（2）不同，此处从略。由于通电导线周围存在磁场，其大小和导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不和被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差和电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。3利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。1.3霍尔元件的主要特性及材料1.3.1霍尔元件的主要特性参数灵敏度KH：表示元件在单位的磁感应强度和单位控制电流所得到的开路霍尔电动势霍尔输入电阻：霍尔控制及间的电阻值霍尔最大允许激励电流：以霍尔元件允许的最大温度为限所对应的激励电流不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。（不等位电势是由霍尔电极2和之间的电阻决定的，r0称不等位电阻）寄生直流电势（霍尔元件零位误差的一部分）：当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势控制电极和霍尔电极与基片