3.10霍尔式传感器.ppt

3 10霍尔式传感器 法拉第电磁感应定律 当穿过回路的磁通量发生变化时 回路中的感生电动势的大小和穿过回路的磁通量变化率成正比 1831 当一个N匝线圈相对地处于随时间变化的磁场中 当穿过它的磁通量 发生变化时 线圈产生的感应电动势 当导体在稳恒均匀磁场中 沿垂直磁场方向运动时 导体内产生的感应电动势为 霍尔式 霍尔效应 半导体或金属薄片置于磁场中 当有电流 在与磁场垂直的薄片平面方向 流过时 在垂直于磁场和电流的方向上产生电动势 1879 3 10 1霍尔效应 3 10 1霍尔效应 如书上图3 88所示 一块长为l 宽为b 厚度为h的N型半导体 在半导体长度方向通以电流I 将其置于磁感应强度为B的磁场中 则半导体中的载流子电子将会受到洛仑兹力FL的作用 根据物理学知识FL q0vbFL方向如图所示 在力的作用下 按长度方向运动的电子将会向半导体的一侧偏移 形成电子积累 而在另一侧将会累积正电荷 从而又在两侧之间形成一附加内电场EH 即霍尔电场 此时霍尔电场两端之间的电位差UH为UH bEH 3 10 1霍尔效应 在霍尔电场中电子又受到电场力FE的作用 阻止电子继续偏移 其方向与力FL的方向相反 大小为FE q0EH这样电子会同时受到两个力FE和FL的作用 FL FE时 电子累积将会出现动态平衡 即q0vb q0EH由上可以推出UH bvB设激励电流I在霍尔片内均匀分布 根据电流的概念可得I nq0vbh 3 10 1霍尔效应 根据上式可得v I nq0bh进而可以推得UH BI nq0h令RH 1 nq0 称为霍尔常数 它是由材料性质决定的常数 则UH RHBI h KHBI式中 KH 霍尔片的灵敏系数 KH RH h 进一步知道 3 10 2霍尔元件 1 霍尔元件的结构霍尔元件的结构很简单 它由霍尔片 引线和壳体三部分构成 见书P105如图3 89所示 霍尔元件的等效电路如图3 90所示 2 霍尔元件的应用根据式UH RHBI h KHBI可知 霍尔元件一般可应用于下面三种情况的测量 1 测量电流I2 测量磁感应强度B3 功率测量 1 用霍尔器件检测由电流感生的磁场 即可测出产生这个磁场的电流的量值 由此 可以构成霍尔电流 电压传感器 2 因为霍尔器件的输出电压与加在它上面的磁感应强度以及流过其中的工作电流的乘积成比例 是一个具有乘法器功能的器件 因而可用它检测电功率 构成具有各种特殊功能的霍尔功率计和霍尔电度表 3 由输入的电信号建立的磁场 经霍尔器件的作用 实现了磁电变换后 又变成电信号输出 这一变换实现了输入 输出信号间的电隔离 由此可构成隔离放大器 隔离耦合器等许多新型产品 霍尔传感器的应用 3 10 3霍尔式传感器的组成 1 霍尔元件的基本电路霍尔元件的基本电路见书P106如图3 91所示 2 霍尔元件的连接1 激励电流端并联 直流激励情况下 见书P106如图3 92 a 所示 2 激励电流端串联 交流激励情况下 见书P106如图3 92 b 所示 3 实用测量电路1 线性测量应用2 开关状态应用 3 10 4测量误差补偿 1 零位误差及其补偿1 不等位电势2 寄生直流电势要完全消除零位电势非常困难 因而只能采取补偿的方法 通常采用零位电势补偿电路 如图3 95所示 2 温度误差及补偿温度的变化会引起霍尔电势的改变 称为温度误差 1 恒流源供电和输入回路并联电阻2 恒压源供电和输入回路串联电阻 霍尔式 霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器 它可以直接测量磁场及微位移量 也可以间接测量液位 压力等工业生产过程参数 目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段 正越来越受到人们的重视 应用日益广泛 需供电源 3 10霍尔式传感器 按被检测的对象的性质可将霍尔传感器的应用分为 直接应用和间接应用 前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性 后者是检测受检对象上人为设置的磁场 用这个磁场来作被检测的信息的载体 通过它 将许多非电 非磁的物理量例如力 力矩 压力 应力 位置 位移 速度 加速度 角度 角速度 转数 转速以及工作状态发生变化的时间等 转变成电量来进行检测和控制 霍尔传感器的应用 在盒体上固定均质弹簧片S 片S的中部处装一惯性块M 片S的末端固定测量位移的霍尔元件H H的上下方装上一对永磁体 它们同极性相对安装 盒体固定在被测对象上 当它们与被测对象一起作垂直向上的加速运动时 惯性块在惯性力的作用下使霍尔元件H产生一个相对盒体的位移 产生霍尔电压VH的变化 可从VH与加速度的关系曲线上求得加速度 霍尔传感器的应用 铁磁材料受到磁场激励时 因其导磁率高 磁阻小 磁力线都集中在材料内部 若材料均匀 磁力线分布也均匀 如果材料中有缺陷 如小孔 裂纹等 在缺陷处 磁力线会发生弯曲 使局部磁场发生畸变 用霍尔探头检出这种畸变 经过数据处理 可辨别出缺陷的位置 性质 孔或裂纹 和大小 如深度 宽度 铁磁材料霍尔传感器检测 霍尔传感器的应用 壳体内装有一个带磁体的叶轮 磁体旁装有霍