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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(bǔ)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(shí),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(dá)到動態(tài)平衡時(shí),霍爾電場強(qiáng)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??;絕絕材料電阻率極高,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(shí)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(gè)霍爾元件在單位B和電位I時(shí)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(shí),霍爾電壓與磁場具有單值關(guān)系,在磁不飽和時(shí),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(qiáng)度,因此,對凡是能轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的量都能進(jìn)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(jìn)行測量。,,3. UHIB 特性 傳感器輸出值正
4、比于磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流之積,因此,它可以用于乘法、功率等方面的計(jì)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(shí)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?;魻栯姌O輸出霍爾電勢對外電路來說相當(dāng)于一個(gè)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(qiáng)度為零且環(huán)境溫度在205時(shí)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(shí)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(shí),若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,則它的霍爾電勢
5、應(yīng)該為零,但實(shí)際不為零。這時(shí)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(shí)。會產(chǎn)生整流效應(yīng); (2)控制電流和霍爾電勢都是交流時(shí),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(gè)霍爾電極焊點(diǎn)的不一致,造成兩焊點(diǎn)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(shí),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(qiáng)度和控制電流下,溫度每變化1時(shí),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(bǔ)償,1、零位誤差及其補(bǔ)償 霍爾元件在控制電流I=0或磁場B=0時(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(shí),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(shí)甚至超過霍爾電勢。實(shí)用中,若想消除不等位電勢極其困難的,因而只有采用補(bǔ)償?shù)姆椒āS捎诓坏任浑妱萦刹坏任浑娮璁a(chǎn)生,因而可以用分析電阻的方法找到一個(gè)不等位電勢的補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償,電路中用一個(gè)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(shí),旁路分流電阻自動加強(qiáng)分流,減小了霍爾元件的控制電流I,從而達(dá)到補(bǔ)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(qiáng)度,輸出電壓與外加磁感應(yīng)強(qiáng)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(diǎn)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。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(qiáng)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(qiáng)。,二、應(yīng)用,1.國產(chǎn)CS835 霍爾無觸點(diǎn)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(shí),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(diǎn)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(gè)淘寶店,歡迎前來捧場 媽媽的淘寶點(diǎn)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(yáng)州五亭龍玩具城旁邊,貨源豐富,質(zhì)量可靠,價(jià)格便宜。 歡迎大家來逛逛【揚(yáng)州五亭龍玩具總動員】,個(gè)人小廣告:,