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1、傳感與檢測技術,武漢理工大學自動化學院,,Copyright 2004 WUT. All Rights Reserved.,第七章 霍爾傳感器,第一節(jié) 霍爾效應 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) 霍爾傳感器的應用,第一節(jié) 霍爾效應,1879年美國物理學家霍爾發(fā)現(xiàn)霍爾效應。 金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，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。,,半導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,當達到動態(tài)平衡時,霍爾電場強度,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?。唤^絕材料電阻率極高，但載流子遷移率極低；只有半導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表示為一個霍爾元件在單位B和電位I時輸出霍爾

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 當控制電流不變時，霍爾電壓與磁場具有單值關系，在磁不飽和時，UH與B具有線性關系。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強度，因此，對凡是能轉(zhuǎn)換為磁感應強度變化的量都能進行測量，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，均能進行測量。,,3. UHIB 特性 傳感器輸出值正

4、比于磁感應強度和控制電流之積，因此，它可以用于乘法、功率等方面的計算與測量。,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于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應強度為零且環(huán)境溫度在205時確定的。,2. 額定控制電流和最大允許控制電流 當霍爾元件自身溫升10時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 當霍爾元件的控制電流為IN時，若元件所處位置磁感應強度為零，則它的霍爾電勢

5、應該為零，但實際不為零。這時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體的連接，這種連接是非完全歐姆接觸時。會產(chǎn)生整流效應； （2）控制電流和霍爾電勢都是交流時，經(jīng)整流效應，它們各自都在霍爾電極之間建立直流電勢。 （3）兩個霍爾電極焊點的不一致，造成兩焊點熱容量、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. 寄生感應電勢,當控制電流I為交變電流時，此電流形成的交變磁場在電極引線上要產(chǎn)生寄生感應電勢。為了減小寄生感應電勢，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),在一定磁感應強度和控制電流下，溫度每變化1時，霍爾電勢變化的百分率稱霍爾電勢溫度系數(shù)。,三、誤差及其補償,1、零位誤差及其補償 霍爾元件在控制電流I=0或磁場B=0時出現(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。提高電極焊點結構上的對稱性，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）寄生感應電勢 當控制電流I為交變電流時，此電流形成的交變磁場在電極引線上要產(chǎn)生寄生感應電勢。為了減小寄生感應電勢，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，有時甚至超過霍爾電勢。實用中，若想消除不等位電勢極其困難的，因而只有采用補償?shù)姆椒?。由于不等位電勢由不等位電阻產(chǎn)生，因而可以用分析電阻的方法找到一個不等位電勢的補償方法。,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、溫度誤差及其補償,電路中用一個分流電阻rT與霍爾元件的控制電極相并聯(lián)。當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻自動加強分流，減小了霍爾元件的控制電流I，從而達到補償?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正比于磁感應強度，輸出電壓與外加磁感應強度呈線性關系。,2. 開關型測量電路,U0為開關量，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、響應快、靈敏度高、無觸點、體積小等優(yōu)點。按其功能不同可分為兩大類：開關型集成霍爾傳感器和線性型集成霍爾傳感器。,,一、開關型霍爾傳感器的組成,輸出電平與磁感應強度 之間的關系,開關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。,二、應用,1.國產(chǎn)CS835 霍爾無觸點開關,B0，VT導通，V0=0 B=0， VT截止，V0=1 可作安保設備用。集成器件裝在門框上，永磁體裝門上。門打開時，開關輸出高電平，門鈴響。,2.國產(chǎn)CS3120高溫霍爾傳感器的外型結構,第三節(jié) 集成霍爾傳感器及應用,霍爾式汽車點火器,,思考題： 用開關型霍爾傳感器測量電動小汽車的路程和速度。,媽媽新開了個淘寶店，歡迎前來捧場 媽媽的淘寶點開了快半年了，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。 另外我家就在揚州五亭龍玩具城旁邊，貨源豐富，質(zhì)量可靠，價格便宜。 歡迎大家來逛逛【揚州五亭龍玩具總動員】,個人小廣告：,