第7章 霍尔式传感器及应用.ppt

第7章 霍尔式传感器及应用 引言 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。 1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。 随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。 霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。 主要章节 7.1霍尔效应及霍尔元件 7.2霍尔传感器实用电路 7.1霍尔效应及霍尔元件 金属或半导体薄片置于磁感应强度B的磁场（磁场方向垂直与薄片）中，当有电流I通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH，这种物理现象称为霍尔效应。该电势UH 称霍尔电势。 霍尔效应原理 一块长为L、宽为W、厚为d的N型半导体薄片，位于磁感应强度为B的磁场中，B垂直于L-W平面，沿L通电流I，N型半导体的载流体-电子将受到B产生的洛仑兹力FB的作用 在力FB的作用下，电子向半导体片的一个侧面偏转，在该侧面上形成电子的积累，而在相对的另一侧面上因缺少电子而出现等量的正电荷。在这两个侧面上产生霍尔电场EH。该电场使运动电子受有电场力FE 电场力阻止电子继续向原侧面积累，当电子所受电场力和洛仑兹力相等时，电荷的积累达到动态平衡，由于存在EH，半导体片两侧面间出现电位差UH ，称为霍尔电势 磁场与薄片法线夹角为? 常用的霍尔元件材料 锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。 常用国产霍尔元件的技术参数 7.1.2 霍尔元件基本结构 霍尔片、引线和壳体组成 2.霍尔元件的连接 （1）当控制电流为直流输入时，为了得到较大的霍尔输出，可将几块霍尔元件的输出串联。但控制电流必须并联，决不能串联。因为串联起来将有大部分控制电流被相连的霍尔电势极短接。 （2）当控制电流为交流输入时，可采用如图连接方式，这样可以增加霍尔输出电势及功率。 7.1.3 霍尔元件主要参数及其误差 （1）乘积灵敏度KH （2）额定控制电流Icm （3）磁灵敏度KB （4）输入电阻Ri、输出电阻R。 （5）不等位电势Uo和不等位电阻Ro （6）寄生直流电势UOD （7）霍尔电势温度系数α （8）工作温度范围 2.霍尔元件的误差及补偿 （1）不等位电势的补偿 不等位电势的大小和极性与控制电流的大小和方向有关 不等位电势的大小和相位随交流控制电流而变 不等位电势与控制电流之间并非线性关系，而且U 0还随温度而变 常用的不等位电势的补偿电路 （2）温度补偿 ① 恒流源供电，输入端并联电阻；或恒压源供电，输入端串联电阻 ② 合理选择负载电阻 霍尔电势的负载通常是放大器、显示器或记录仪的输入电阻，其值一定，可用串、并联电阻的方法使输出负载电压不变，但此时，灵敏度将相应有所降低。 ③ 采用热敏元件 最常采用的补偿方法 几种补偿电路 7.2霍尔传感器实用电路 将霍尔元件、放大器、施密特触发器以及输出电路等集成在一块芯片上，为用户提供了一种简化的和较完善的磁敏传感器 其输出信号快，传送过程中无抖动现象，且功耗低，对温度的变化是稳定的，灵敏度与磁场移动速度无关。 霍尔集成传感器分为线性集成电路和开关集成电路。 1.线性集成传感器 线性霍尔集成传感器的特点是输出电压与外加磁感应强度B呈线性关系 . 由霍尔元件HG、放大器A、差动输出电路D和稳压电源R等组成 内部框图和输出特性 2.开关集成传感器 由霍尔元件HG、放大器A、输出晶体管VT、施密特电路C和稳压电源R等组成，与线性集成传感器不同之处是增设了施密特电路C，通过晶体管VT的集电极输出 关集成传感器只有一个输出端，是以一定磁场电平值进行开关工作的。由于内设有施密特电路，开关特性具有时滞，因此有较好的抗噪声效果。霍尔集成传感器一般内有稳压电源，工作电源的电压范围较宽，可为3～16V。 开关集成传感器的内部框图和输出特性 7.2.2 霍尔传感器的应用简介 霍尔电势是关于I、B、? 3个变量的函数，即EH=KHIBcos? 。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第3个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。 霍尔传感器结构简单、工艺成熟、体积小、寿命长、线性好、频带宽，因而得到广泛的应用。 1.测量位移 将霍尔传感器放置在呈梯度分布的磁场中，通以恒定的控制电流，当传感器移动时，元件上感知的磁场大小随位移发生变化，从而使得其输出UH 也产生变化，且与位移成比例。从原理上来分析，磁场梯度越大，霍尔输出UH对位移变化的灵