《霍尔传感器》课件.ppt

第八章霍尔传感器 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 第一节霍尔元件的工作原理及特性 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 如图所示 霍尔效应原理图 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 半导体薄片称霍尔片或者霍尔元件 在磁场B中运动的电子将受到Lorentz力fLfL evB偏转 建立的霍尔电场EH对随后的运动电子施加一电场力fEfE eEH eUH b平衡时 fL fE 即evB eUH b由于电流密度J nev v为电子运动速度 则电流强度为I nevbd所以式中 d 霍尔片度 n 电子浓度 RH 1 ne 霍尔系数 KH RH d 1 ned 霍尔灵敏度 从式evB eUH b知 霍尔电压UH与载流子的运动速度v有关 即与载流子的迁移率 有关 由于 v El El为电流方向上的电场强度 材料的电阻 1 ne 所以霍尔系数RH与载流体材料的电阻率 和载流子的迁移率 的关系为RH 金属导体 大 但 小 n大 绝缘体 大 n小 但 小 它们都不宜作霍尔元件 RH太小 半导体 适中 适宜作霍尔元件 霍尔电压UH还与元件的几何尺寸有关 KH 1 ned厚度d越小越好 一般d 0 01mm 宽度b加大 或长宽比 l b 减小时 将会使UH下降 应加以修正式中 f l b 形状效应系数 如表9 2所示 一般取l b 2 2 5 则f l b 1 就足够了 霍尔元件示意图a 原理图 b 结构图 c 图形符号 d 外形图 霍尔元件主要技术参数1 输入电阻Ri和输出电阻RoRi Ro Ri Ro 100 2000 2 额定控制电流Ic 使霍尔元件在空气中产生10 C温升的控制电流Ic 几 几十 mA 3 不等位电势U0和不等位电阻R0霍尔元件在额定控制电流作用下 不加外磁场时其霍尔电极间的电势为不等位电势U0 主要是由于两电极不在同一等位面上以及材料电阻率不均匀等因素引起的 一般U0 10mV 等效为不等为电阻R0 U0 Ic 4 灵敏度KH在单位磁感强度下 通以单位控制电流时所产生的开路霍尔电压 mV mA T或mV mA kGs 5 寄生直流电势UoD在不加外磁场时 交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电极间产生的直流电势为寄生直流电势UoD 它主要是由于电极与霍尔片间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造成的 6 霍尔电势温度系数 为温度变化1 C时 霍尔电势变化的百分率 C 7 电阻温度系数 为温度变化1 C时 霍尔元件电阻变化的百分 C 8 灵敏度温度系数 为温度变化1 C时 霍尔元件灵敏度的变化率 9 线性度 基本误差及其补偿温度误差及其补偿温度变化 导致霍尔元件内阻 Ri Ro 和霍尔灵敏度 KH 等变化 给测量带来一定误差 即温度误差 为了减温度误差 需采取温度补偿措施 1 采用恒流源供电和输入回路并联电阻温度变化引起霍尔元件输入电阻Ri变化 在稳压源供电时 使控制电流变化 带来误差 为了减小这种误差 最好采用恒流源 稳定度 0 1 提供控制电流 但灵敏度系数KH也是温度的函数 因此采用恒流源后仍有温度误差 为了进一步提高UH的温度稳定性 对于具有正温度系数的霍尔元件 可在其输入回路并联电阻R 如图所示 恒流源及输入并联电阻温度补偿电路 由补偿电路图知 在温度t0和t时 9 8 9 9 9 10 9 11 当温度影响完全补偿时 UH0 UHt 则 9 12 将式 9 8 式 9 11 代入式 9 12 可得 9 13 14 2 选取合适的负载电阻RL霍尔元件的输出电阻R 和霍尔电势都是温度的函数 设为正温度系数 霍尔元件应用时 其输出总要接负载RL 如电压表内阻或放大器的输入阻抗等 当工作温度改变时 输出电阻R 的变化必然会引起负载上输出电势的变化 RL上的电压为 式中 Ro0 温度为t0时霍尔元件的输出电阻 要使负载电压UL不随温度变化 即 3 采用恒压源和输入回路串联电阻当霍尔元件采用稳压源供电 且霍尔输出开路状态下工作时 可在输入回路中串人适当电阻来补偿温度误差 其分析过程与结果同式 温度误差及其补偿 温度误差产生原因 霍尔元件的基片是半导体材料 因而对温度的变化很敏感 其载流子浓度和载流子迁移率 电阻率和霍尔系数都是温度的函数 当温度变化时 霍尔元件的一些特性参数 如霍尔电势 输入电阻和输出电阻等都要发生变化 从而使霍尔式传感器产生温度误差 减小霍尔元件的温度误差 选用温度系数小的元件采用恒温措施采用恒流源供电 恒流源温度补偿 霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数 它随温度的变化引起霍尔电势的变化 霍尔元件的灵敏系数与温度的关系 KH0为温度T0时的KH值 温度变化量 霍尔电势的温度系数 大多数霍尔元件的温度系数 是正值时 它们的霍尔电势随温度的升高而增加 1 t 倍 同时 让控制电流I相应地减小 能保持KHI不变就抵消了灵敏系数值增加的影响 恒流源温度补偿电路 当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时 旁路分流电阻自动地加强分流 减少了霍尔元件的控制电流 控制电流 温度升到T时 电路中各参数变为 温度为T0时 霍尔元件输入电阻温度系数 分流电阻温度系数 为使霍尔电势不变 补偿电路必须满足 升温前 后的霍尔电势不变 经整理 忽略高次项后得 当霍尔元件选定后 它的输入电阻和温度系数及霍尔电势温度系数可以从元件参数表中查到 可以测量出来 用上式即可计算出分流电阻及所需的分流电阻温度系数值 第二节霍尔集成电路 将霍尔元件及其放大电路 温度补偿电路和稳压电源等集成在一个芯片上构成独立器件 集成霍尔器件 不仅尺寸紧凑便于使用 而且有利于减小误差 改善稳定性 根据功能的不同 集成霍尔器件分为霍尔线性集成器件和霍尔开关集成器件两类 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 集成霍尔器件 线性集成霍尔器件输出特性 a b 线性集成霍尔器件 a 外形尺寸 b 内部电路框图 集成霍尔器件 a b 开关型集成霍尔器件 a 外形尺寸 b 内部电路框图 开关型线性集成霍尔器件的施密特输出特性 集成霍尔器件 a b 差动输出线性集成霍尔器件 a 外形 b 内部电路框图 差动输出线性集成霍尔器件输出特性 1 霍尔线性集成器件霍尔线性集成器件的输出电压与外加磁场强度在一定范围内呈线性关系 它有单端输出和双端输出 差动输出 两种电路 其内部结构如图所示 霍尔线性集成器件 a 单端输出 UGN3501T b 差动输出 UGN3501M UGN3501T的电源电压与相对灵敏度的特性如图所示 由图可知Ucc高时 输出灵敏度高 UGN3501T的温度与相对灵敏度的特性如图所示 随着温度的升高 其灵敏度下降 因此 若要提高测量精度 需在电路中增加温度补偿环节 Ucc与相对灵敏度关系 温度与相对灵敏度关系 UGN3501T的磁场强度与输出电压特性如图所示 由图可见 在 0 15T磁场强度范围内 有较好的线性度 超出此范围时呈饱和状态 UGN3501的空气间隙与输出电压特性如图所示 由图可见 输出电压与空气间隙并不是线性关系 磁场强度与输出电压关系 空气间隙与输出电压关系 UGN3501M为差动输出 输出与磁场强度成线性 UGN3501M的1 8两脚输出与磁场的方向有关 当磁场的方向相反时 其输出的极性也相反 如图所示 UGN3501M的输出与磁场方向关系 UGN3501M的5 6 7脚接一调整电位器时 可以补偿不等位电势 并且可改善线性 但灵敏度有所下降 若允许一定的不等位电势输出 则可不接电位器 输出特性如图所示 UGN3501M输出与磁场强度关系图 若以UGN3501M的中心为原点 磁钢与UGN3501M的顶面之间距离为D 则其移动的距离与输出的差动电压如图所示 由图可以看出 在空气间隙为零时 每移动0 01英寸 0 254mm 输出为3mV 即相当11 8mV mm 当采用高能磁钢 如钐钴磁钢或钕铁硼磁钢 每移动1mm时 能输出30mV 并且在一定距离内呈线性 移动距离与输出关系 2 霍尔开关集成器件常用的霍尔开关集成器件有UGN3000系列 其外形与UGN3501T相同 霍尔开关集成器件 a 内部结构框图 b 工作特性 c 工作电路 d 锁定型器件工作特性 第三节霍尔传感器应用 霍尔电势是关于I B 三个变量的函数 即E kIBcos 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 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 在这方面的应用有角位移测量仪等 维持 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 电流的测量 霍尔传感器广泛用于测量电流 从而可以制成电流过载检测器或过载保护装置 在电机控制驱动中 作为电流反馈元件 构成电流反馈回路 构成电流表 UGN3501M霍尔电流传感器原理如图所示 上图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UGN 3501M 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 位移测量 如图 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 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VH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 VH 0 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1 2mm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 霍尔电势UH与磁感应强度B关系曲线 霍尔功率传感器利用UH KHIB关系 如果I和B是两个独立变量 霍尔器件就是一个简单实用的模拟乘法器 如果I和B分别与某一负载两端的电压和通过的电流有关 则霍尔器件便可用于负载功率测量 下图是霍尔功率传感器原理图 霍尔器件测电功率 负载ZL所取电流i流过铁芯线圈以产生交变磁感强度B 电源电压U经过降压电阻R得到的交流电流ic流过霍尔器件 则霍尔器件输出电压UH便与电功率p成正比 即 则霍尔电压uH平均值为 若将图9 26中的电阻R改用电容C代替 使ic移相90 则可测无功功率Q 即 霍尔元件还可以完成乘方和开方功能 乘方运算极为简单 只需将电流端子和电磁铁的线圈串联起来 使输入电流Ii既形成磁感应强度B 又给元件提供控制电流Ii 结果必然得到UH Ii2的关系 见图所示 霍尔元件平方器 霍尔元件开方器是利用平方负反馈原理实现的 在图 a 中 设放大器的放大倍数足够大 则可认为放大器的输入信号 0 于是整个电路的输入电压Ui和负反馈电压UH几乎相等 即Ui UH 若负反馈方框是用和前图一样的霍尔平方器构成的 即如图 b 所示 则输出电流Io必然正比于Ui的平方根 即故得 霍尔元件开方器 霍尔开关电子点火器图为霍尔开关电子点火器分电盘及电路原理图 在分电盘上装几个磁钢 磁钢数与汽缸数相对应 在盘上装一霍尔开关器件 每当磁钢