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1 第7章霍尔传感器的原理及其应用 7 1概述7 2霍尔传感器的测量电路和误差分析7 3霍尔传感器的应用 2 7 1概述 1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应 但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用 随着半导体技术的发展 开始用半导体材料制成霍尔元件 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展 霍尔传感器是基于霍尔效应将被测量 如电流 磁场 位移 压力 压差 转速等 转换成电动势输出的一种传感器 不足 转换率较低 温度影响大 要求转换精度较高时必须进行温度补偿优势 结构简单 体积小 坚固 频率响应宽 从直流到微波 动态范围 输出电动势的变化 大 非接触 使用寿命长 可靠性高 易于微型化和集成化等优点 下一页 返回 3 7 1概述 7 1 1霍尔元件的结构霍尔元件由霍尔片 4根引线和壳体组成 霍尔片 一块矩形半导体单晶薄片 在长度方向两端面焊有a b两根控制电流端引线 通常用红色导线 其焊接处称为控制电流极 或称激励电流 要求焊接处接触电阻很小 并呈纯电阻 即欧姆接触 薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c d两根霍尔输出引线 通常用绿色导线 其焊接处称为霍尔电极 要求欧姆接触 且电极宽度与基片长度之比小于0 1 否则影响输出 壳体 用非导磁金属 陶瓷或环氧树脂封装 上一页 下一页 返回 4 7 1概述 上一页 下一页 返回 目前 最常用的霍尔元件材料是锗 Ge 硅 Si 锑化锢 InSb 砷化锢 InAs 和不同比例亚砷酸锢和磷酸锢组成的In型固熔体等半导体材料 20世纪80年代末出现了一种新型霍尔元件 超晶格结构 砷化铝 砷化稼 的霍尔器件 它可以用来测10 11T的微磁场 超晶格霍尔元件是霍尔元件的一个质的跃 5 7 1概述 7 1 2霍尔传感器的命名H 霍尔元件 Z S T 材料 序号 6 7 1概述 7 1 3霍尔传感器的工作原理通有电流的半导体薄片置于磁场中 当电流方向与磁场方向不一致时 半导体薄片上垂直于电流和磁场的方向上产生洛伦兹力 使得平行于电流x磁场面的两个面之间产生电动势 这种现象称为霍尔效应 该电动势称霍尔电势 半导体薄片称霍尔元件 上一页 下一页 返回 7 7 1概述 磁场强度B越强 霍尔电势EH也就越高 左手定则 四指电流方向 磁力线穿过掌心 拇指即洛伦兹力方向 负电荷移动方向 上一页 下一页 返回 8 7 1概述 霍尔电势EH可用下式表示 EH KHIB式中KH 霍尔元件的灵敏度 它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小 KH 1 nde式中n 电子浓度 单位体积中电子的数量d 薄片厚度 e 电子的电荷量 e 1 6x10 19C 上一页 下一页 返回 9 7 1概述 7 1 4霍尔传感器的特性参数磁场一定时 霍尔电势EH与控制电流I成正比 控制电流一定时 霍尔电势EH与磁感应强度B成正比 只有磁感应强度小于0 5T时 上述的线性关系才较好 磁场和电流方向不垂直怎么办 答 计算等效磁场强度 垂直分量 EH KHIBsin EH KHIBcos 上一页 下一页 返回 EH KHIB I B 10 7 1概述 KH 1 nde金属材料的电子浓度 n 很高绝缘材料电阻率极高 电子迁移率很小半导体材料的载流子浓度和电阻率适中元件厚度d越小 灵敏度越高 因此元件一般在1 m左右因为薄 击穿电压低 因此控制电流要低 载流子 电流载体 金属 电子半导体 电子 及电子缺失留下的空穴电解液 正负离子 11 7 1概述 霍尔元件的主要特性参数如下 1 额定控制电流IC与最大控制电流ICM霍尔元件在空气中产生10oC的温升时所施加的控制电流值称为额定控制电流IC 在相同的磁场感应强度下 IC值较大则霍尔效应更明显 可获得较大的输出电压 但增大控制电流 霍尔元件的功耗加大 温度升高 温漂增大 限制IC的主要因素是散热条件 一般锗元件最大的允许温升为 Tm 80oC硅元件 Tm 175oC当霍尔元件的温升达到 Tm时 ICM就是最大控制电流 上一页 下一页 返回 12 7 1概述 因此每种型号的霍尔元件均规定了相应的最大控制电流 它的数值从几毫安至十几毫安 以下哪一个激励电流的数值较为妥当 8 A0 8mA8mA80mA 13 7 1概述 2 输入电阻Ri和输出电阻Ro霍尔片中两个控制电极间的电阻称为输入电阻Ri 两个霍尔电极间的电阻称为输出电阻Ro 一般Ri Ro为几欧姆到几百欧姆 通常Ro Ri 但二者相差不大 3 乘积灵敏度KH单位控制电流和单位磁感应强度下 霍尔电势输出端开路时的电势值 其单位为V AT 越大越好 霍尔元件还有磁灵敏度 电路灵敏度和电势灵敏度等技术指标 上一页 下一页 返回 EH KHIB 14 7 1概述 4 不等位电势EM和不等位电阻RM当I 0而B 0时 理论上应有EH 0 实际使用中由于 a 两个霍尔电极安装不对称或不在同一等电位面上 b 半导体材料的电阻率或几何尺寸不均匀 c 控制地电路接触不良等原因使得当I 0 B 0时 EH 0 此时 EH值定义为不等位电势EM 不等位电势EM与额定控制电流IC之比 称为不等位电阻RM 7 4 上一页 返回 15 7 1概述 不等位电势 当霍尔元件的控制电流为额定值 元件所处位置的磁感应强度为零时 测得的空载霍尔电势 下图不等位电势是由霍尔电极2 2 和之间的电阻决定的 r0称不等位电阻 16 7 2霍尔传感器的测量电路和误差分析 7 2 1霍尔传感器的测量电路控制电流I由电压源E供给R是调节电阻 用以根据要求改变I的大小输出的负载电阻RL一般为放大器的电阻或表头内阻 所施加的外电场B一般与霍尔元件的平面垂直 控制电流也可以是交流电 由于建立霍尔效应所需的时间短 10 14 10 12s 控制电流的频率可达109Hz以上 下一页 返回 17 7 2霍尔传感器的测量电路和误差分析 7 2 2霍尔传感器的误差分析霍尔元件对温度的变化很敏感 为了减少测量中的温度误差 除了选用温度系数小的霍尔元件或采取一些恒温措施外 还可使用以下温度补偿方法 上一页 下一页 返回 18 1 恒流源供电EH KHIB恒流源通过保持I恒定 可保持EH稳定但KH也是温度的函数 随温度变化假设KH的温度系数为 温度由0时刻到t时刻变化了 t 则 K H KH 1 t 如果 0 正温度系数 则温度升高 t使EH放大了 t倍 7 2霍尔传感器的测量电路和误差分析 19 思考 如何在KH变化了 t倍之后还使EH保持恒定呢 思路 减小I途径 并联电阻进行自动分流目的 当霍尔元件的内阻随温度升高而增加时 旁路分流电阻自动地加强分流 减少元件的控制电流已知 R0 元件t0时内阻值 灵敏度温度系数 元件内阻温度系数 补偿电阻的温度系数由 KH0I KHtI 可推出 7 2霍尔传感器的测量电路和误差分析 EH KHIB 20 7 2霍尔传感器的测量电路和误差分析 2 热敏元件对于温度系数较大的霍尔元件 采用图7 6的温度补偿电路 图中Rt是热敏元件 热电阻或热敏电阻 输入回路进行温度补偿的电路 用Rt的变化来抵消霍尔元件的灵敏度KH和输入电阻Ri的变化对霍尔输出电势EH的影响 输出回路进行温度补偿的电路 用Rt的变化来抵消霍尔电势EH和输出电阻Ro变化对负载电阻RL上的电压UL的影响 保证霍尔电势EH不变 保证测量电压UL不变 21 7 2霍尔传感器的测量电路和误差分析 3 不等位电势的补偿不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级 有时甚至会超过霍尔电势 实用中 不等位电势极难消除 只有采用补偿的方法 不等位电势由不等位电阻产生 因此可以用分析电阻的方法找到一个不等位电势的补偿方法 可以把霍尔元件视为一个4臂电阻电桥 返回 R2 R3 R4 22 7 2霍尔传感器的测量电路和误差分析 这样不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压 理想情况下 不等位电势为零 即电桥平衡 相当于R1 R2 R3 R4所有能够使电桥达到平衡的方法均可用于补偿不等位电势 使不等位电势为零 上一页 下一页 返回 23 7 2霍尔传感器的测量电路和误差分析 1 基本补偿电路霍尔元件的不等位电势补偿电路有很多形式 图7 9为两种常见电路 其中RP是调节电阻 图7 9 a 是在造成电桥不平衡的电阻值较大的一个桥臂上并联RP 通过调节RP使电桥达到平衡状态 称为不对称补偿电路 图7 9 b 则相当于在两个电桥臂上并联电阻 称为对称补偿电路 上一页 下一页 返回 基本补偿电路没有考虑温度的影响温度变化时需要重新平衡不等位电势 24 7 2霍尔传感器的测量电路和误差分析 2 具有温度补偿的补偿电路图7 10是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路 补偿电路本身也为桥式电路 补偿电路工作电压由霍尔元件的控制电压提供其中一个桥为热敏电阻Rt 与霍尔元件的等效电阻的温度特性相同 上一页 下一页 返回 25 7 2霍尔传感器的测量电路和误差分析 在磁感应强度B为零时调节RP1和RP2 使补偿电压抵消霍尔元件此时输出的不等位电势 从而使B 0时的总输出电压为零 在霍尔元件的工作温度下限T1时 保持RP2的位置 通过调节电位器RP1来调节补偿电桥的工作电压 使补偿电压抵消此时的不等位电势 工作温度升高时 保持RP1的位置 调节RP2使补偿电压抵消此时的不等位电势 此时补偿电压包含两个分量 抵消原不等位电势的分量抵消温度变化引起的不等位电势变化的分量 上一页 返回 26 总结 使用桥式补偿电路 可在霍尔元件的整个温度范围内对不等位电势进行良好的补偿 并且对其恒定部分和变化部分可独立调节 因此可达到相当高的补偿精度 7 2霍尔传感器的测量电路和误差分析 27 7 3霍尔传感器的应用电路 霍尔元件具有结构简单 体积小 质量轻 频带宽 动态性能好和寿命长等许多优点 因而得到广泛应用 在电磁测量中 用它测量恒定的或交变的磁感应强度 有功功率 无功功率 相位 电能等参数 在自动检测系统中 多用于位移 压力的测量 下一页 返回 28 霍尔元件可制成位移传感器霍尔元件置于两相反方向的磁场中在a b两端通入控制电流i左半产生的霍尔电势VH1和右半产生的霍尔电势VH2方向相反c d两端输出电压是VH1 VH2 若使初始位置时VH1 VH2 则输出电压为零 当霍尔元件相对于磁极作x方向位移时 可得到输出电压VH VH1 VH2 且 VH数值正比于位移量 x 正负方向取决于位移 x的方向霍尔元件传感器既能测量位移的大小 又能鉴别位移的方向 7 3霍尔传感器的应用电路 29 7 3霍尔传感器的应用电路 1 霍尔接近开关霍尔接近开关将磁场强度B的变化转变为输出信号 是一个无接触磁控开关 磁铁靠近时 开关接通 磁铁离开后 开关断开 下一页 返回 30 车门闭合警示 汽车的四个门框上各安装一个开关型霍尔传感器 在车门适当位置各固定一块磁钢 开门时磁钢远离霍尔开关 输出端为高电平 若四个门中有一个未关好 或非门输出为低电平 红灯亮 若四个门都关好 或非门输出为高电平 绿灯亮 表示车门关好 31 32 7 3霍尔传感器的应用电路 2 霍尔式压力传感器霍尔压力传感器包括两部分 弹性元件 霍尔元件和磁路系统 图7 13所示 当被测压力发生变化时 弹簧管端部发生位移 带动霍尔片在均匀梯度磁场中移动 作用在霍尔片的磁场发生变化 输出的霍尔电势改变 由此知道压力的变化 并且霍尔电势与位移 压力 成线性关系 上一页 下一页 返回 33 34 7 3霍尔传感器的应用电路 3 霍尔式转速传感器转盘的输入轴与被测转轴相连 当被测转轴转动时 转盘随之转动 固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁场通过时产生一个相应的脉冲 检测出单位时间的脉冲数 便可知道被测转速 上一页 下一页 返回 35 7 3霍尔传感器的应用电路 36 霍尔转速表 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 将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘 齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化 霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直 放大 整形后可以确定被测物的转速 S N 线性霍尔 磁铁 37 霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时 磁力线集中穿过霍尔元件 可产生较大的霍尔电动势 放大 整形后输出高电平 反之 当齿轮的空挡对准霍尔元件时 输出为低电平 38 霍尔转速传感器在汽车防抱死装置 ABS 中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死 将产生危险 用霍尔转速传感器来检测和保持车轮的转动 有助于控制刹车力的大小和防止侧偏 带有微型磁铁的霍尔传感器 钢质 霍尔 39 7 3霍尔传感器的应用电路 无刷电动机 电刷 40 霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷 而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置 其输出信号控制电枢电流的换向 维持电动机的正常运转 无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题 在录像机 CD唱机 光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用 普通直流电动机使用的电刷和换向器 41 无刷电动机在电动自行车上的应用 无刷电动机 42 无刷电动机在电动自行车上的应用 三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号控制各功率管通断三相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩 具有效率高 无火花 可靠性强等特点 43 电动自行车的无刷电动机及控制电路 44 光驱用无刷电动机 45 7 3霍尔传感器的应用电路 4 电动机停转报警器电动机停转报警电路主要由霍尔检测和报警电路两个部分组成 当电动机转动时 电动机转轴上的磁铁以一定的频率经过霍尔传感器 不断地输出脉冲信号 经C1藕合 二极管VD1 VD2整流 在C2上形成直流高电平 晶体管VT1截止 音乐IC无触发信号 无声音输出 当电动机停止转动时 霍尔式传感器无脉冲信号输出 C2为低电平 VT1导通 音乐IC触发 扬声器BL发出声音 VD3 VD5起降压作用 音乐IC的电源电压一般为3V 上一页 下一页 返回 46 7 3霍尔传感器的应用电路 5 霍尔式汽车无触点点火装置传统的机电汽缸点火装置使用机械式的分电器 存在着点火时间不准确 触点易磨损等缺点 霍尔开关无触点晶体管点火装置可以克服上述缺点 并提高燃烧效率 四汽缸汽车点火装置如图7 16所示 磁轮鼓代替了传统的凸轮及白金触点 磁轮鼓与发动机主轴连接 上装有与汽缸数相应的4块磁钢 当发动机带动磁轮鼓转动时 每当磁钢转动到霍尔传感器处时 传感器即输出一个与汽缸活塞运动同步的脉冲信号 此脉冲信号触发晶体管功率开关 使点火线圈二次侧产生很高的感应电压 火花塞产生火花放电 下一页 返回 47 7