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第7章霍爾傳感器原理及其應(yīng)用 7 1概述7 2霍爾傳感器的測(cè)量電路和誤差分析7 3霍爾傳感器的應(yīng)用電路 7 1概述 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器 1879年美國(guó)物理學(xué)霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng) 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展 開(kāi)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 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)將被測(cè)量 如電流 磁場(chǎng) 位移 壓力 壓差 轉(zhuǎn)速等 轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的傳感器 霍爾式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 體積小 堅(jiān)固 頻率響應(yīng)寬 動(dòng)態(tài)范圍大 非接觸 使用壽命長(zhǎng) 可靠性高 易于微型化和集成化 在測(cè)量技術(shù) 自動(dòng)化技術(shù)和信息處理得到了廣泛的應(yīng)用 7 1 1霍爾元件的結(jié)構(gòu)目前最常用的霍爾元件材料是鍺 Ge 硅 Si 銻化銦 InSb 砷化銦 InAs 等半導(dǎo)體材料 20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)了一種新型霍爾元件 超晶格結(jié)構(gòu) 砷化鋁 砷化稼 的霍爾器件 它可以用來(lái)測(cè)微磁場(chǎng) 霍爾元件由霍爾片 4根引線和殼體組成 霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片 在它的長(zhǎng)度方向兩端面上焊有a b兩根引線 稱為控制電流端引線 通常用紅色導(dǎo)線 其焊接處稱為控制電流極 要求焊接處接觸電阻很小 并呈純電阻 即歐姆接觸 在薄片的另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)的形式對(duì)稱地焊有c d兩根霍爾輸出引線 通常用綠色導(dǎo)線 其焊接處稱為霍爾電極 要求歐姆接觸 且電寬度與基片長(zhǎng)度之比小于0 1 否則影響輸出 霍爾元件的殼體上是用非導(dǎo)磁金屬 陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝 7 1 2霍爾傳感器的工作原理半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中 當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí) 半導(dǎo)體薄片上平行于電流和磁場(chǎng)方向的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) 這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng) 該電動(dòng)勢(shì)稱霍爾電勢(shì) 半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件 在垂直于外磁場(chǎng)B的方向上放置半導(dǎo)體薄片 當(dāng)有電流I流過(guò)薄片時(shí) 在垂直于電流和磁場(chǎng)方向上將產(chǎn)生霍爾電勢(shì)EH 作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng) 霍爾電勢(shì)EH也就越高 霍爾效應(yīng)原理圖 7 1 3霍爾傳感器的命名方法國(guó)產(chǎn)霍爾元件型號(hào)命名的方法如圖所示 霍爾電勢(shì)可用下式表示 EH KHIBKH 霍爾器件的靈敏度 它表示霍爾器件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位激勵(lì)電流作用下霍爾電勢(shì)的大小 KH 1 ned 當(dāng)磁場(chǎng)和環(huán)境溫度一定時(shí) 霍爾元件輸出的霍爾電勢(shì)EH與控制電流I成正比 當(dāng)控制電流和環(huán)境溫度一定時(shí) 霍爾元件的輸出電勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積成正比 7 1 4霍爾傳感器的特性參數(shù)1 額定控制電流與最大控制電流2 輸入電阻和輸出電阻3 乘積靈敏度4 不等位電勢(shì)和不等位電阻 7 2霍爾傳感器的測(cè)量電路和誤差分析 7 2 1霍爾傳感器的測(cè)量電路霍爾元件的基本測(cè)量電路如圖 控制電流I由電壓源E供給 R是調(diào)節(jié)電阻 用以根據(jù)要求改變I的大小 所施加的外電場(chǎng)B一般與霍爾元件的平面垂直 控制電流也可以是交流電 霍爾元件的基本測(cè)量電路 7 2 2霍爾傳感器的誤差分析霍爾元件對(duì)溫度的變化很敏感 因此 霍爾元件的輸入電阻 輸出電阻 乘積靈敏度等將受到溫度變化的影響 從而給測(cè)量帶來(lái)較大的誤差 為了減少測(cè)量中的溫度誤差 除了選用溫度系數(shù)小的霍爾元件或采取一些恒溫措施外 也可使用以下的溫度補(bǔ)償方法 1 恒流源供電 恒流源溫度補(bǔ)償電路 2 采用熱敏元件對(duì)于由溫度系數(shù)較大的半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件 可采用以下溫度補(bǔ)償電路 圖a是在輸入回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償 圖b是在輸出回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償 在安裝測(cè)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 以使二者的溫度變化一致 a 在輸入回路進(jìn)行補(bǔ)償 b 在輸出回路進(jìn)行補(bǔ)償 采用熱敏元件的溫度補(bǔ)償電路 3 不等位電勢(shì)的補(bǔ)償不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí) 有時(shí)甚至超過(guò)霍爾電勢(shì) 實(shí)用中 若想消除不等位電勢(shì)是極其困難的 因而只有采用補(bǔ)償?shù)姆椒?不等位電勢(shì)由不等位電阻產(chǎn)生 因此可以用分析電阻的方法找到一個(gè)不等位電勢(shì)的補(bǔ)償方法 霍爾元件的等效電路 由于矩形霍爾片有兩對(duì)電極 各個(gè)相鄰電極之間有4個(gè)電阻R1 R2 R3 R4 因而可把霍爾元件視為一個(gè)4臂電阻電橋 這樣不等位電勢(shì)就相當(dāng)于電橋的初始不平衡輸出電壓 理想情況下 不等位電勢(shì)為零 即電橋平衡 相當(dāng)于R1 R2 R3 R4 則所有能夠使電橋達(dá)到平衡的方法均可用于補(bǔ)償不等位電勢(shì) 使不等位電勢(shì)為零 1 基本補(bǔ)償電路霍爾元件的不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路有很多形式 圖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(guò)調(diào)節(jié)RP使電橋達(dá)到平衡狀態(tài) 稱為不對(duì)稱補(bǔ)償電路圖b相當(dāng)于在兩個(gè)電橋臂上并聯(lián)調(diào)用電阻 稱為對(duì)稱補(bǔ)償電路 a 不對(duì)稱補(bǔ)償 b 對(duì)稱電路 2 具有溫度補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電路下圖是一種常見(jiàn)的具有溫度補(bǔ)償?shù)牟坏任浑妱?shì)補(bǔ)償電路 其中一個(gè)橋?yàn)闊崦綦娮鑂t 并且Rt與霍爾元件的等效電路的溫度特性相同 在磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)調(diào)節(jié)RP1和RP2 使補(bǔ)償電壓抵消霍爾元件 此時(shí)輸出不等位電勢(shì) 從而使B 0時(shí)的總輸出電壓為零 不等位電勢(shì)的橋式補(bǔ)償電路 7 3霍爾傳感器的應(yīng)用電路 霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 體積小 重量輕 頻帶寬 動(dòng)態(tài)性能好和壽命長(zhǎng)等許多優(yōu)點(diǎn) 因而得到廣泛應(yīng)用 在電磁測(cè)量中 用它測(cè)量恒定的或交變的磁感應(yīng)強(qiáng)度 有功功率 無(wú)功功率 相位 電能等參數(shù) 在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中 多用于位移 壓力的測(cè)量 1 霍爾接近開(kāi)關(guān)霍爾接近開(kāi)關(guān)是一個(gè)無(wú)接觸磁控開(kāi)關(guān) 當(dāng)磁鐵靠近時(shí) 開(kāi)關(guān)接通 當(dāng)磁鐵離開(kāi)后 開(kāi)關(guān)斷開(kāi) 常見(jiàn)霍爾接近開(kāi)關(guān)實(shí)物圖 2 霍爾式壓力傳感器霍爾元件組成的壓力傳感器包括兩部分 一部分是彈性元件 如彈簧管或膜盒等 用它感受壓力 并把它轉(zhuǎn)換成位移量 另一部分是霍爾元件和磁路系統(tǒng) 下圖中彈性元件是彈簧管 當(dāng)被測(cè)壓力發(fā)生變化時(shí) 彈簧管端部發(fā)生位移 帶動(dòng)霍爾片在均勻梯度磁場(chǎng)中移動(dòng) 作用在霍爾片的磁場(chǎng)發(fā)生變化 輸出的霍爾電勢(shì)隨之改變 3 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)盤(pán)的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連 當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 轉(zhuǎn)盤(pán)隨之轉(zhuǎn)動(dòng) 固定在轉(zhuǎn)盤(pán)附近的霍爾傳感器可在每一個(gè)小磁場(chǎng)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖 檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù) 便可知道被測(cè)轉(zhuǎn)速 根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤(pán)上小磁鐵數(shù)目就可確定傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率 測(cè)轉(zhuǎn)角 汽車速度測(cè)量 4 霍爾式汽車無(wú)觸點(diǎn)點(diǎn)火裝置傳統(tǒng)的機(jī)電汽缸點(diǎn)火裝置使用機(jī)械式的分電器 存在著點(diǎn)火時(shí)間不準(zhǔn)確 觸點(diǎn)易磨損等缺點(diǎn) 采用霍爾開(kāi)關(guān)無(wú)觸點(diǎn)晶體管點(diǎn)火裝置可以克服上述缺點(diǎn) 提高燃燒效率 作業(yè) 什么是霍爾效應(yīng) 畫(huà)出霍爾元件的基本測(cè)量電路 并說(shuō)明該電路的工作原理 霍爾傳感器中不等位電勢(shì)產(chǎn)生的原因 有哪些補(bǔ)償方法