传感器测量技术第7章.ppt

第七章 霍尔型传感器,霍尔型传感器是磁电转换的一种传感器。1879年霍尔在金属材料中发现的，已有一百多年的历史，由于霍尔效应在金属中非常微弱，只是在大学的教科书中作为一种理论而存在，并未付诸实际应用。直到100多年以后，大约到上世纪四十年代后期，半导体工艺的成熟，科学家利用半导体工艺重新试验霍尔效应，结果发现：半导体工艺（P或N型）都可以再现霍尔效应现象，并金属霍尔元件的公式半导体霍尔元件可得到同样的结论，而且N型半导体尤其明显。使霍尔效应得到广泛的应用。我国大约到上世纪七十年代开始研究霍尔元件，已能生产各种性能霍尔元件， 例如：普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁性和开关型等。,第一节 霍尔元件的结构及工作原理 第二节 霍尔元件的基本电路及主要参数 第三节 霍尔集成电路 第四节 霍尔型传感器应用 第五节 霍尔传感器综合训练,第一节 霍尔元件的结构及工作原理 一、霍尔效应定义,金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称霍尔效应。如图7-1所示。,霍尔效应所产生的电势称霍尔电势，大小与控制电流I和磁感应强度B的乘积成正比例。半导体薄片称霍尔元件。,二、霍尔元件结构,霍尔元件是半导体四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相对两侧对称的悍上两对电极引出线（一对称激励电流端，另一对称霍尔电势输出端），如图72所示,三、霍尔效应原理,由于运动电荷受磁场中洛仑兹力作用的结果，设在N型半导体薄片上通以电流I，则半导体中的载流子（电子）沿着与电流方向相反运动（速度V），由于在垂直于半导体薄片平面的方向上施加磁场B，所以电子受洛仑兹力 的作用，向一边偏转（虚线所示），并使该边形成电子积累，而另一边则为正电荷积累，于是形成电场，该电场阻止运动电子的继续偏转。当电场作用在运动电子上的力 与洛仑兹力 相等时，电子的积累便达到动态平衡，在薄片两横断面之间建立电场，相应的电势称为霍尔电势,其中： 其中： 另 则,（N型半导体的较大，很高。所以，RH大。） 另 （ ）霍尔元件灵敏度 则 可以看出 ：,霍尔电压 与材料的性质有关。材料的 大， 就大。金属 虽然很大，但 是很小，故不宜做成元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，即 ，所以，霍尔元件一般采用N型半导体材料； 霍尔电压 与元件的尺寸有关。d愈小， 愈大，霍尔元件灵敏度越高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。 霍尔电压 与控制电流及磁场强度有关。 正比于I及B。当控制电流恒定时，B愈大， 愈大。当磁场改变方向时， 也改变方向。同样，当霍尔灵敏度 及磁感应强度B恒定时，增加控制电流I，也可以提高霍尔电压的输出。,第二节 霍尔元件的基本电路及主要参数,如图73所示。控制电流由电源E供给，R为调节电阻，霍尔输出端接负载 ，它也可以是放大器的输入电阻或表头电阻。 由于霍尔元件必须在磁场与控制电流的作用下，才会输出霍尔电势，实际使用时，可把I或B作为输入信号，或两者同时做输入信号，而输出信号正比于I和B。 由于建立霍尔效应的时间很短（ ）S，因此，控制电流用交流时， 频率可达 Hz以上。,二、元件连接,为得到较大的霍尔输出，当元件的工作电流为直流时，可把几个霍尔元件输出串连起来，但控制电流极应并联。如图74所示。,当霍尔元件的输出信号不够大时，也可采用运算放大器加以放大，元件与放大器集成在同一芯片内。如图75所示。,三、主要参数,输入电阻 与输出电阻 ：指控制电流极之间的阻值； 指霍尔电极之间的阻值。 和 可用直流电桥或欧姆表（在无外磁场和室温条件下）测量。 额定激励电流(mA) ：使霍尔元件温升 所施加的控制电流，实际使用时，控制电流的增加受到霍尔元件的最高温升限制。 不等位电势 和不等位电阻 ：在额定控制电流下，不加外磁场时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势 （mV）,可以在不加外磁场的条件下，将元件通以控制电流，用直流电位差计测得空载霍尔电势值。不等位电势 与额定控制电流I之比，为元件的不等位电阻 （ ）。,寄生直流电势U ：在无外磁场情况下，霍尔元件通以交流控制电流，开路霍尔电极间输出交流电势称交流不等位电势 ，输出直流电势称寄生直流电势V（ ）。 霍尔温度系数：在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1度时，霍尔电势变化的百分率称霍尔温度系数。 目前，国内外生产的霍尔元件种类很多，表71列出了部分国产霍尔元件的有关参数，供选用时参考。,四、实际应用,例如：利用霍尔元件测量机械加工工件的凹和凸。如图76所示。若工件凸，则霍尔元件向上移动x位移，磁感应强度B发生变化，将引起霍尔电势UH的变化；若工件凹，则霍尔元件向下移动x位移，磁感应强度B发生变化，将引起霍尔电势UH的变化。 若测得输出量UH为正，则可判断工件为凸，再利用转换电路和控制电路去控制车床去车掉多余的部分。若测得输出量UH为负，则可判断工件为凹，再利用转换电路和控制电路判断该工件凹的程度，以便决定是报废该工件还是留用该工件。,第三节 霍尔集成电路,随着微电子技术的发展，目前，霍尔器件大多已集成化。霍尔集成电路有许多优点，例如：体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小、对电源稳定性要求低等。,霍尔集成元件是霍尔元件与集成运放一体化的结构，是一种传感器模块。可分为线性输出型和开关输出型两大类。线性输出型是将霍尔元件和恒流源、线性放大器等做在一个芯片上，输出电压较高，使用非常方便，已得到广泛的应用。较典型的线性霍尔器件如UGN3501等。而开关输出型是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高电阻状态变为到通状态，输出变为低电平，当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高电阻状态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。开关输出型霍尔集成元件与微型计算机等数字电路兼容，因此，应用相当广泛。,一、开关输出型霍尔集成元件,图77所示为开关输出型霍尔集成元件UGN3020的电路外形及外形尺寸。其中，1为接地端，2为电源端，3为输出端。 图78所示为开关输出型霍尔集成元件UGN3020的内部电路图。其中，X为霍尔元件，A为放大器，S为施密特电路，T为输出晶体管，E为稳定电源。 图79所示为开关输出型霍尔集成元件UGN3020的输出特性图。其中，由于增设了施密特电路，使他具有时滞特性，提高了抗噪声的性能。该电路主要用于接近开关，但以0磁场为中心的霍尔集成元件也用于无刷电动机中。,二、线性输出型霍尔集成元件,图710和711所示为具有双端差动输出特性的线性霍尔器件UGN3501M的内部电路图和输出特性曲线图。当线性霍尔器件UGN3501M感受的磁场为零时，第一脚相对于第八脚的输出电压等于零；当线性霍尔器件UGN3501M感受的磁场为正向（磁钢的S极对准3501M的正面）时，输出为正；磁场为反方向时，输出为负，因此，使用起来更为方便。线性霍尔器件UGN3501M的第5、6、7脚外接一只微调电位器后，就可以微调并消除不等位电势引起的差动输出零点漂移。,第四节 霍尔型传感器应用,霍尔电势是关于I、B、a三个变量的函数，即E=kIBcosa，人们利用这个关系可以使其中两个变量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量、其余两个量都作为变量。三个变量的多种组合使得霍尔传感器具有非常广阔的应用领域。霍尔传感器由于结构简单、尺寸小、无触点、动态特性好、寿命长等特点，因而得到了广泛应用。如磁感应强度、电流、电功率等参数的检测都可以选用霍尔器件。它特别适合于大电流、微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。此外，也可用于位移、加速度、转速等参数的测量以及自动控制。归纳起来，霍尔传感器主要有下列三个方面的用途：,维持I、a不变，则E=f(B)，在这方面的应用有：测量磁场强度的高斯计、测量转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔式角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔式加速度计、微压力计等； 维持I、B不变，则E=f(a)，在这方面的应用有角位移测量仪等； 维持a不变，则E=f(IB)，即传感器的输出E与IB的乘积成正比，在这方面的应用有模拟乘法器、霍尔式功率计等。 下面我们介绍几种霍尔传感器的应用实例,一、电流的测量,图 712 给出了霍尔元件用于测量电流时的工作原理图。标准圆环铁心有一个缺口，用于安装霍尔元件，圆环上绕有线圈，当检测电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器就有信号输出。若采用传感器为UGN3501M，当线圈为9 匝，电流为20A时，其电压输出约为7.4V。利用这种原理，也可制成电流过载检测器或过载保护装置。,二、位移测量,如图713（a)所示。在磁场强度相同而极性相反的两个磁铁气隙中放置一个霍尔元件。当元件的控制电流I恒定不变时，霍尔电势 与磁感应强度B成正比。若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度 为一常数如图713（b）所示。则当霍尔元件沿x方向移动时， 的变化为: 式中K为位移传感器输出灵敏度。 将上式积分后得:,上式说明，霍尔电势 与位移量成线性关系，其极性反映了元件位移的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线型度越好。当时，即元件位于磁场中间位置上时， ，这是由于元件在此位置受到大小相等、方向相反的磁通作用的结果。一般可用来测量12mm 的小位移，其特点是：惯性小，响应速度快，无接触测量。利用这一原理还可以测量其他非电量，如力、压力、压差、液位和加速度等,图713 霍尔电势UH与磁感应强度B关系曲线,三、角位移测量仪,角位移测量仪的结构如图714所示。霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电势 就反应了转角 变化。不过，这个变化是非线性的（ 正比于 ），若要求 与 成线性关系，必须采用特定形状的磁极。,四、霍尔转速表,图715是霍尔转速表示意图。在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性形霍尔器件及磁路系统靠近齿盘，随着齿盘的转动，磁路的磁阻也周期性地变化，测量霍尔元件输出的脉冲频率经隔直、放大、整形后就可以确定被测物的转速。,五、霍尔式微压力传感器,霍尔式微压力传感器的原理如图716所示。被测压力使弹性波纹膜盒膨胀，带动杠杆向上移动，从而，使霍尔器件在磁路系统中运动，改变了霍尔器件感受的磁场大小及方向，引起霍尔电势的大小和极性的改变。由于波纹膜盒及霍尔器件的灵敏度很高，所以可用于测量微小压力的变化。,第五节电 霍尔传感器综合训练 习题,1. 霍尔效应是导体中的载流子在磁场中受 作用产生 的结果。 2. 半导体材料中的 比金属的小得多，因而霍尔常数大，加上半导体中电子的 比空穴大，故霍尔元件多采用 材料制成。 3. 减少霍尔元件温度误差的措施有：（1）采用 提供控制电流；（2）合理选择 。（3） 。 4. 霍尔式传感器基本包括两部分：一部分是弹性元件，将感受的非电量转换成 ，另一部分是霍尔元件和 。 5. 制造霍尔元件的半导体材料中，目前用的较多的是锗、锑化铟、砷化铟，其原因是（ ） A. 半导体材料的乘积灵敏度比金属的大 B. 半导体中电子迁移率比空穴高 C. 半导体材料的电子迁移率比较大 D. 半导体较适宜制造灵敏度较高的霍尔元件,6. 霍尔效应中，霍尔电动势与（ ） A. 乘积灵敏度成反比 B. 乘积灵敏度成正比 C. 霍尔元件的厚度成反比 D. 霍尔元件的厚度成正比 7. 霍尔效应中，霍尔电动势与（ ） A. 激磁电流成正比 B. 激磁电流成反比 C. 磁感应强度成正比 D.磁感应强度成反比 8. 为什么霍尔元件不用金属制作，而用半导体，且用N型半导体制作？ 9. 简述霍尔元件灵敏系数的定义。 10. 试述霍尔元件的简单结构。 11. 试述霍尔电势建立的过程。霍尔电势的大小和方向与哪些因素有关？ 12. 为测量某霍尔元