11-52霍尔传感器

1第五章电动势式传感器原理与应用原理：将被测量转换为电动势的装置主要内容5.1磁电式传感器5.2霍尔传感器5.3压电式传感器25.2.1霍尔传感器的工作原理5.2.2霍尔元件的结构和基本电路5.2.3霍尔元件的主要特性参数5.2.4霍尔元件误差及补偿5.2.5霍尔式传感器的应用5.2霍尔传感器3ABCD5.2.1霍尔传感器的工作原理霍尔传感器是利用霍尔效应原理将被测物理量转换为电动势的传感器。4霍尔效应：半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势。(半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH)5.2.1霍尔传感器的工作原理5dIBRUHH由实验可知，霍尔电势的大小与激励电流和磁场的磁感应强度成正比，与半导体薄片厚度成反比。fLfEvUHdIbB霍尔效应是半导体中的载流子（电流的运动方向）在磁场中受洛伦兹力作用发生横向漂移的结果。每个载流子受洛伦兹力F的作用为BveF电子电量的绝对值电子定向运动的平均速度磁场的磁感应强度5.2.1霍尔传感器的工作原理霍尔常数6fLfEvUHdIbB电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为式中EH为霍尔电场，e为电子电量，UH为霍尔电势。当FL=FE时，电子的积累达到动平衡，即所以bUeeEFHHEbUeeEBveHHBvbUH5.2.1霍尔传感器的工作原理7bdvneIIBKdIBRnedIBUHHHneRH1霍尔常数，取决于导体的载流子密度nebdIv若导电板单位体积内电子数为n（电子密度），电子定向运动的平均速度为v，则激励电流为金属的自由电子密度太大，霍尔常数小，霍尔电势小，不宜制作霍尔元件。fLfEvUHdIbB5.2.1霍尔传感器的工作原理灵敏度系数表示一个霍尔元件在单位激励电流和单位磁感应强度时产生霍尔电势的大小。neddRKHH1灵敏度系数819191922/(),1.0,0.36.610,3.5,1.01.6100.0010.328.41100.00661.6100.001HHHHKVATImABTUKIBmVLmmbmmdemmeIBnUed输出霍尔电势：，载流子浓度为：19191041.28001.0106.1006.03.0001.0edUIBnHIBKdIBRnedIBUHHH94440/(),3.0,1105101260HHHHHKVATImABTUKIBVUKIBV输出霍尔电势范围是：低端：高端：105.2.1霍尔传感器的工作原理5.2.2霍尔元件的结构和基本电路5.2.3霍尔元件的主要特性参数5.2.4霍尔元件误差及补偿5.2.5霍尔式传感器的应用5.2霍尔传感器11由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。a、b:激励电极；c、d:霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。5.2.2霍尔元件的结构和基本电路121、1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。在电路中霍尔元件可用两种符号表示。5.2.2霍尔元件的结构和基本电路13图（d）是基本测量电路，控制电流I由电压源供给，其大小由可变电阻调节。霍尔电势UH加在负载电阻上，负载电阻代表测量电路放大器的输入电阻。5.2.2霍尔元件的结构和基本电路145.2.1霍尔传感器的工作原理5.2.2霍尔元件的结构和基本电路5.2.3霍尔元件的主要特性参数5.2.4霍尔元件误差及补偿5.2.5霍尔式传感器的应用5.2霍尔传感器15霍尔元件的主要特性参数：（1）输入电阻和输出电阻（2）额定控制电流和最大允许控制电流（3）不等位电势和不等位电阻（4）寄生直流电势（5）霍尔电势温度系数5.2.3霍尔元件的主要特性参数16（1）输入电阻和输出电阻输入电阻：控制电极间的电阻输出电阻：霍尔电极输出霍尔电势（电源），霍尔电极之间的电阻测量以上电阻时，应在没有外磁场和室温变化的条件下进行5.2.3霍尔元件的主要特性参数（2）额定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流：当霍尔元件本身在空气中产生10摄氏度温升时，对应的控制电流值。最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对应的控制电流值。17（3）不等位电势和不等位电阻当霍尔元件B=0，I≠0，UH=U0≠0。这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。产生这一现象的原因有:①霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；两电极电不在同一等电位面上5.2.3霍尔元件的主要特性参数18（4）寄生直流电势寄生直流电势：当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出除了交流不等位电势外，有个直流电势（寄生直流电势）。原因：控制电极和霍尔电极与基片的连接属于金属和半导体的连接，形成非欧姆接触而产生整流效应，使激励电流中包含有直流分量，通过霍尔元件的不等位电势的作用反映出来。一般情况下，不等位电势越小，寄生直流电势也越小。两个霍尔电极大小不对称，使两个电极的热容不同，散热状态不同，两极间出现温差电势，也是寄生直流电势的一部分。5.2.3霍尔元件的主要特性参数19（5）霍尔电势温度系数在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1度时，霍尔电势变化的百分率。5.2.3霍尔元件的主要特性参数205.2.1霍尔传感器的工作原理5.2.2霍尔元件的结构和基本电路5.2.3霍尔元件的主要特性参数5.2.4霍尔元件误差及补偿5.2.5霍尔式传感器的应用5.2霍尔传感器211.不等位电势误差的补偿不等位电势由不等位电阻产生，用分析电阻的方法找到不等位电势的补偿方法。一个矩形霍尔片有两对电极，各个相邻电极之间有四个电阻R1、R2、R3、R4，因而可把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥。不等位电势相当于电桥的初始不平衡输出电压。5.2.4霍尔元件误差及补偿22不等位电势补偿的方法理想情况下,R1=R2=R3=R4,U0＝0由于不等位电阻的存在，说明此四个电阻值不相等，则电桥不平衡。5.2.4霍尔元件误差及补偿232.温度误差及其补偿温度误差产生的原因：霍尔元件的基片是半导体材料，对温度的变化很敏感，载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。温度变化时，霍尔元件的参数（霍尔电势、输入电阻、输出电阻等）发生变化，霍尔传感器产生温度误差。减小温度误差的方法：（1）选用温度系数小的元件（2）采用恒温措施（3）采用恒流源供电5.2.4霍尔元件误差及补偿BIKUHH24BIKUHH)1(TKKHOH（3）采用恒流源供电霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔电势的变化。5.2.4霍尔元件误差及补偿多数霍尔元件的温度系数为正值，霍尔电势随温度的升高而增加到倍。如果让控制电流相应减小，能保证乘积不变，抵消了灵敏系数值增加的影响。T1IKH25电路中用一个分流电阻R与霍尔元件的控制电极并联。当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流5.2.4霍尔元件误差及补偿BIKUHH)1(TKKHOH26SisiITRTRTRIRRRI)1()1()1(0002控制电流siIRRRI00020温度升到T时，电路中各参数变为)1(0TRR)1(0TRRii温度为T0时，霍尔元件输入电阻温度系数；分流电阻温度系数。为使霍尔电势不变，补偿电路满足:升温前、后霍尔电势不变BIKUBIKU2HH20H0H05.2.4霍尔元件误差及补偿27SisiITRTRTRTKIRRRK)1()1()1()1(000H0000H0经整理，忽略高次项后得2T00iRR2H20H0IKIK当霍尔元件选定后，它的输入电阻和温度系数及霍尔电势温度系数可以从元件参数表中查到，用上式即可计算出分流电阻及所需的分流电阻温度系数值。5.2.4霍尔元件误差及补偿285.2.1霍尔传感器的工作原理5.2.2霍尔元件的结构和基本电路5.2.3霍尔元件的主要特性参数5.2.4霍尔元件误差及补偿5.2.5霍尔式传感器的应用5.2霍尔传感器29IBKUHH在磁场和环境温度一定时，霍尔元件输出的霍尔电势与控制电流I成正比。当控制电流和环境温度一定时，霍尔元件的输出电势与磁场的磁感应强度B成正比。环境温度一定时，输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比。用上述的一些线性关系可以制作多种类型的传感器5.2.5霍尔传感器的应用30霍尔转速表在被测转速的转轴上安装一个齿盘，齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。31霍尔转速表原理当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。3233345.2.1霍尔传感器的工作原理（掌握）5.2.2霍尔元件的结构和基本电路（理解）5.2.3霍尔元件的主要特性参数（理解）5.2.4霍尔元件误差及补偿（掌握）5.2.5霍尔式传感器的应用（理解）5.2霍尔传感器小结