《霍尔传感器》PPT课件.ppt

第4章 磁电式传感器,主要内容： 基本磁学量及测量方法 磁电感应式传感器 霍尔式传感器,.,第4章 磁电式传感器,4.1 基本磁学量及测量方法,一、基本磁学量 磁感应强度B 磁场强度H 磁通 磁化强度M,4.1 基本磁学量及测量方法,磁感应强度B: 某处垂直于磁场的电流元所受的力为该处磁感应强度的大小，即,在国际单位制中B的单位为T（特斯拉），即,在电磁单位制中，B的单位为GS（高斯），其关系为,4.1 基本磁学量及测量方法,磁场强度H 单位点磁荷在所在处受磁场力的大小，其方向与正磁荷在该处所受磁场力的方向一致。 设点磁极的磁荷为 ，它在磁场某处受力为F，该处磁场强度为,在国际单位制中，H的单位为A/m（安每米）. 在电磁单位制中，H的单位为Oe（奥斯特），关系为,4.1 基本磁学量及测量方法,磁通 (磁力线、磁感应线） 规定穿过某一闭合轮廓界定面S的磁感应线的数目为与该面（或闭合轮廓）相交链的磁通量, 其表达式为,式中，dS为面积元矢量。 的正方向与闭合轮廓的绕行方向符合右手螺旋定则，即与界定面的正法线方向一致。 在国际单位制中，磁通的单位为 （ ），或称Wb（韦伯）。 在电磁单位制中，磁通的单位为Mx（麦克斯韦），其关系为,4.1 基本磁学量及测量方法,磁化强度M 为描述磁介质的磁化状态，磁化强度矢量定义为单位体积内分子磁矩的矢量和，即,式中 为体积 内所有分子磁矩的矢量和。 在国际单位制中，M的单位为A/m（安每米），其电磁单位制的关系为,4.1 基本磁学量及测量方法,二、测量方法介绍 力和力矩法 利用铁磁体或载流体在磁场中受的力进行测量，是一种经典的测量方法。 电磁感应法 以法拉第电磁感应定律为基础，是一种基本的测量方法。它可用于测量直流磁场，交流磁场和脉冲磁场。 霍尔效应法 利用半导体内载流子在磁场中受力作用进行磁场测量的方法。 磁阻效应法 利用物质在磁场作用下电阻发生变化的特性进行磁场测量的方法。,4.1 基本磁学量及测量方法,磁通门法 利用铁磁材料的交流饱和磁特性对恒定磁场进行测量的方法。 磁共振法 利用某些物质在磁场中选择性地吸收或辐射一定频率的电磁波，引起微观粒子（核、电子及原子）的共振跃迁来进行测量的方法。 弱连接超导效应法 利用超导弱连接的磁通量子化或约瑟夫逊效应制成的磁强计，称为超导量子干涉仪，是目前世界上最灵敏的磁强计，主要用于测量微弱磁场。 磁光法 利用传光材料在磁场作用下的法拉第磁光效应和磁致伸缩效应等进行磁场测量的方法。基于这种方法的光纤传感器具有独特优点，可用于恶劣环境下的磁场测量,第4章 磁电式传感器,磁感强度与磁场源的分布,4.2 磁电感应式传感器,第4章 磁电式传感器,磁电感应式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。是典型的有源传感器。 特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低。通常在10100HZ,适合作机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。,原理 法拉第电磁感应定律线圈所交链的磁通 发生变化时，线圈中将产生感应电动势,第4章 磁电式传感器 4.2 磁电感应式传感器,磁场检测方法 1.固定线圈法：用于测交变磁场的探测线圈固定在被测 磁场中某位置不变。 2.抛移线圈法: 将线圈从被测场位置迅速移动到无磁场 处，主要测恒定磁场。 3.旋转线圈法（测量发电机法）：适用于测量恒定磁场。,第4章 磁电式传感器 4.2 磁电感应式传感器,4.3 霍尔传感器,第4章 磁电式传感器,磁敏元件基于磁电转换原理,60年代西门子公司研制了第一个磁敏元件,68年索尼公司研制成磁敏二极管,目前磁敏元件应用广泛。,磁 敏 元 件,磁敏传感器主要有： 磁敏电阻； 磁敏二极管； 磁敏三极管； 霍尔式磁敏传感器。,4.3 霍尔传感器,第4章 磁电式传感器,霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件是基于磁电转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。 随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。,4.3 霍尔式传感器 4.3.1 霍尔效应,第4章 磁电式传感器,霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流I，在薄片垂直方向施加磁感强度B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势 . 通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I与磁场B方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。,4.3 霍尔式传感器 4.3.1 霍尔效应,第4章 磁电式传感器,在磁场中导体自由电子在磁场的作用下做定向运动。 每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：,霍尔电场,霍尔电场作用于电子的力,4.3 霍尔式传感器 4.3.1 霍尔效应,第4章 磁电式传感器,当两作用力相等时电荷不再向两边积累， 达到动态平衡：,通过（半）导体薄片的电流I与载流子浓度n， 电子运动速度v，薄片横截面积 b*d 有关：,霍尔电势：,4.3 霍尔式传感器 4.3.1 霍尔效应,第4章 磁电式传感器,霍尔系数,灵敏度,4.3 霍尔式传感器 4.3.1 霍尔效应,第4章 磁电式传感器,讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不 是都可以制造霍尔元件 绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用； 金属材料电子浓度很高，RH很小，UH很小。 半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以 霍尔元件多采用N型半导体（多电子）。 由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度 KH 越大， 所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米。,4.3 霍尔式传感器 4.3.2 霍尔传感器,第4章 磁电式传感器,霍尔元件符号,4.3 霍尔式传感器 4.3.2 霍尔传感器基本特性,第4章 磁电式传感器,霍尔晶体外形矩形薄片有四根引线， 两端加激励两端为输出； 电源E，控制电流I； 负载RL，R可调保证控制电流， B磁场与元件面垂直（向里）。 实测中可把I或B单独做输入 也可把I*B作输入。 通过霍尔电势输出测量结果。 输出Uo与I或B成正比关系。,外形特点：四端元件,一对控制极，一对输出极； 性能特点：结构简单，体积小； 频带宽； 非接 触测量，寿命长。 但温度特性差， 转换效率低。,4.3 霍尔式传感器 4.3.2 霍尔传感器基本特性,4.3 霍尔式传感器 4.3.2 霍尔传感器基本特性,电阻相对变化,温度低-温度高,升温减小 负温度系数,升温增大 正温度系数,温度低-温度高,霍耳电压相对变化,砷化铟,硅,锗,碲化铟,锗,温度特性,磁特性： UH-B特性： I一定 UH-I特性： B一定 Ri -B ,Ro-B特性：磁阻效应,4.3 霍尔式传感器 4.3.2 霍尔传感器基本特性,InSb霍尔元件的输出特性,UH-B特性： I一定,4.3 霍尔式传感器 4.3.2 霍尔传感器基本特性,UH-B特性：,4.3 霍尔式传感器 4.3.2 霍尔传感器基本特性,特性参数： 输入/输出电阻：Ri , RO (B=0, T一定） 温度系数 (霍尔电压系数，电阻系数) 额定激励电流/最大激励电流：IN/Im 最大磁感应强度：Bm 霍尔灵敏度：KH 不等位电势：U no,4.3 霍尔式传感器 4.3.2 霍尔传感器基本特性,4.3 霍尔式传感器 4.3.3 霍尔传感器的误差及补偿(1)不等位电势,第4章 磁电式传感器,当霍尔元件通以激励电流I时，若磁场B=0，理论上霍尔电势UH=0,但实际UH不等于0，这时测得的空载电势称不等位电势U0。 产生的原因：,霍尔引出电极安装不对称,半导体材料不均匀,4.3 霍尔式传感器 4.3.3 霍尔传感器的误差及补偿(1)不等位电势 不等位电势的补偿,第4章 磁电式传感器,4.3 霍尔式传感器 4.3.3 霍尔传感器的误差及补偿 (2)温度误差及补偿,第4章 磁电式传感器,霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温度T变化时，载流子浓度n、迁移率、电阻率，霍尔系数RH 都会变化。 几种补偿方法： 1、恒流源激励，消除Ri受温度影响。 2、输入回路串入电阻，消除 UH受温度影响。 3、选取合适负载电阻，消除Ro UH受温度影响。,2.利用输入回路串电阻进行补偿,在t度下霍耳系数：,在t度下输入电阻：,由,得,温度引起的霍耳电压增量:,显然,当 时,温度变化不引起的霍耳电压输出。,3.利用输出回路的负载进行补偿,对上式求导，令 ，即输出电压对温度t的变化率为零，得：,结论：用负载进行温度补偿 所需负载电阻为：,4.3 霍尔式传感器 4.3.4 霍尔传感器的应用,第4章 磁电式传感器,测转速(2) 测磁场 (3)位移测量(4)压力测量 (5)开关 （6)测电流,磁场测量 霍尔器件检测磁场的方法最简单，将霍尔器件放在被测磁场中，令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。 因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，并可对狭缝，小孔中的磁场进行检测。,4.3 霍尔式传感器 4.3.4 霍尔传感器的应用,第4章 磁电式传感器,4.3 霍尔式传感器 4.3.4 霍尔传感器的应用,第4章 磁电式传感器,霍尔传感器位移测量原理,产生梯度磁场的磁系统和霍尔位移传感器的静态特性,霍尔位移传感器,4.3 霍尔式传感器 4.3.4 霍尔传感器的应用,第4章 磁电式传感器,4.3 霍尔式传感器 4.3.4 霍尔传感器的应用,第4章 磁电式传感器,霍尔压力传感器结构原理,4.3 霍尔式传感器 4.3.4 霍尔传感器的应用,第4章 磁电式传感器,霍尔元件和磁体运动方式,4.3 霍尔式传感器 4.3.5 霍尔集成传感器,第4章 磁电式传感器,1 集成霍尔元件,4.3 霍尔式传感器 4.3.5 霍尔集成传感器,第4章 磁电式传感器,线性集成电路(测位移、测振动),4.3 霍尔式传感器 4.3.5 霍尔集成传感器,第4章 磁电式传感器,开关集成器件(测转速、开关控制、判断N S极性) B、B形成切换回差,这是位置式作用传感器的特点, 作无触点开关时可防止干扰引起的误动作 。,形成切换回差,4.3 霍尔式传感器 4.3.5 霍尔集成传感器,第4章 磁电式传感器,2 应用 ：无触点开