第4章_磁敏传感器

第4章磁敏传感器 1磁敏传感器的物理基础2霍尔元件3霍尔元件的应用 4 1磁敏传感器的物理基础 1 磁现象 磁荷不能单独存在 必须N S成对存在 并且在闭区间表面全部磁束进出总和必等于零 即divB 02 磁感应强度 电场强度与运动电荷所受力的关系 F e E vB eE evB3 磁通变化与电动势的关系 金属或半导体薄片置于磁场中 当有电流流过时 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 这种物理现象称为霍尔效应 德国物理学家霍尔1879年发现 一 霍尔效应 4 2霍尔元件 二霍尔元件工作原理 如图所示N型半导体薄片 于垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场 在薄片左右两端通以控制电流I 图4 1霍尔效应原理图 半导体中的载流子 电子 将沿着与电流I相反的方向运动 由于外磁场B的作用 使电子受到磁场力fL 洛仑兹力 而发生偏转 结果在半导体的后端面上电子积累带负电 而前端面缺少电子带正电 在前后断面间形成电场 该电场产生的电场力fE阻止电子继续偏转 分析 式中 电阻率 n 电子浓度 电子迁移率 E单位电场强度作用下载流子运动速度 在半导体前后两端面之间 即垂直于电流和磁场方向 建立电场 称为霍尔电场EH 相应的电势称为霍尔电势UH RH 霍尔系数 由载流材料的物理性质决定 kH 灵敏度系数 与载流材料的物理性质和几何尺寸有关 表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的大小 d 薄片厚度 UH KHIB 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n很高 RH很小 UH很小 不适用 半导体材料电阻率 较大RH大 非常适于做霍尔元件 半导体中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 d 1 m 注 1 当电流I的方向或磁场的方向改变时 输出电势的方向也将改变 但当两者的方向同时改变时输出电势不改变方向 2 如果磁场和薄片法线有 角 那么 VH KHIBcos 三霍尔元件结构 霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线 电流端子A B称为器件电流端 控制电流端 端子C D称为霍尔端或输出端 实测中可把I B作输入 也可把I或B单独做输入 通过霍尔电势输出测量结果 控制电流I 霍尔电势UH 控制电压V 霍尔负载电阻RL 霍尔电流IH 图中控制电流I由电源E供给 R为调节电阻 保证器件内所需控制电流I 霍尔输出端接负载RL RL可是一般电阻或放大器的输入电阻 或表头内阻等 磁场B垂直通过霍尔器件 在磁场与控制电流作用下 由负载上获得电压 实际使用时 器件输入信号可以是I或B 或者IB 而输出可以正比于I或B 或者正比于其乘积IB 四基本电路形式 霍尔元件输入输出电路 1 恒压工作 特点 性能差 适用于对精度要求不高的地方性能差的原因 霍尔元件输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响 2 恒流工作 特点 充分发挥霍尔传感器的性能 没有霍尔元件输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响 3 差分放大 特点 能去除霍尔输出的同相电压 五基本特性 1 UH I特性当磁场 恒定时 在一定温度下 测定控制电流I与霍尔电势UH 可得到良好的线性关系 如图所示 直线的斜率称为控制电流灵敏度 用KI表示 由此可得 灵敏度KH大的元件 其控制电流灵敏度KI一般也大 但是灵敏度大的元件 UH不一定大 因为UH还与I有关 2 UH B特性当控制电流I保持不变时 元件的开路霍尔输出随磁场的增加不完全呈现线性关系 而有非线性偏离 通常 霍尔元件工作在0 5Wb m2以下时线性度较好 如图所示 使用中 若对线性度要求很高时 可采用HZ 4 它的线性偏离一般不大于0 2 六霍尔元件的误差及其补偿 产生误差的原因 一是制作工艺 制作水平的限制 二是外界温度的影响 一 零位误差1 不等位电势U0及其补偿B 0 I 0 UH U0 0 U0为不等位电势 产生原因 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上 或激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等 2020 4 7 传感器原理及应用 产生原因 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀 等电位面歪斜 不等位电势U0及其补偿不等位电势是一个主要的零位误差 制作霍尔元件时 不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上 如图 当控制电流I流过元件时 即使磁感应强度等于零 在霍尔电势极上仍有电势存在 该电势称为不等位电势U0 不等位电势是产生零位误差的主要原因 其等效电路如图所示 若两个霍尔电极在同一等位面上 则r1 r2 r3 r4 电桥平衡 U0 0 当霍尔电极不在同一等位面上时 如图 因r3增大 r4减小 电桥平衡被破坏 使U0 0 有各种方法可以减小不等位电势以达到补偿的目的 不等位电势的补偿 不等位电势可表示为U0 r0IH r0为不等位电阻 分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥 不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出U0 0 可在电阻大的桥臂上并联电阻 二 霍尔元件温度误差及补偿 由于半导体材料的电阻率 迁移率和载流子浓度等会随温度的变化而发生变化 因此 霍尔元件的性能参数 如内阻 霍尔电势等 对温度的变化也是很灵敏的 为了减小霍尔元件的温度误差 除选用温度系数小的元件 如砷化铟 或采用恒温措施外 用恒流源供电往往可以得到明显的效果 恒流源供电的作用是减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化 但采用恒流源供电还不能完全解决霍尔电势的稳定性问题 还必须结合其它补偿线路 图所示是一种既简单 补偿效果又较好的补偿线路 它是在控制电流极并联一个合适的补偿电阻r0 这个电阻起分流作用 当温度升高时 霍尔元件的内阻迅速增加 所以流过元件的电流减小 而流过补偿电阻r0的电流却增加 这样 利用元件内阻的温度特性和一个补偿电阻 就能自动调节流过霍尔元件的电流大小 从而起到补偿作用 r0的大小可通过推导求得 当霍尔元件给定后 霍尔元件的内阻温度系数 和霍尔电势的温度系数 可以从元件的参数表中查到 而元件的内阻R0则可以直接测量出来 表4 1常用霍尔元件的特性参数 4 2霍尔传感器的应用利用霍尔效应制作的霍尔器件 不仅在磁场测量方面 而且在测量技术 无线电技术 计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用 利用霍尔电势与外加磁通密度成比例的特性 可借助于固定元件的控制电流 对磁量以及其他可转换成磁量的电量 机械量和非电量等进行测量和控制 应用这类特性制作的器具有磁通计 电流计 磁读头 位移计 速度计 振动计 罗盘 转速计 无触点开关等 利用霍尔传感器制作的仪器优点 1 体积小 结构简单 坚固耐用 2 无可动部件 无磨损 无摩擦热 噪声小 3 装置性能稳定 寿命长 可靠性高 4 频率范围宽 从直流到微波范围均可应用 5 霍尔器件载流子惯性小 装置动态特性好 霍尔器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点 但是 由于新材料新工艺不断出现 这些缺点正逐步得到克服 霍尔位移传感器如图4 41 a 在极性相反 磁场强度相同的两个磁钢的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UH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dB dx为一常数 见图4 40 b 则当霍尔元件沿x方向移动时 霍尔电势的变化为 式中 k是位移传感器的输出灵敏度 4 15 将式 4 15 积分后得 UH kx 4 16 式 4 16 说明 霍尔电势与位移量成线性关系 霍尔电势的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 输出线性度越好 当x 0 即元件位于磁场中间位置上时 UH 0 这是由于元件在此位置受到方向相反 大小相等的磁通作用的结果 霍尔位移传感器一般可用来测量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它非电量 如力 压力 压差 液位 加速度等 图4 41霍尔位移传感器的磁路结构示意图 a 磁路结构 b 磁场变化 2 霍尔压力传感器 图4 42是HYD型压力传感器 这类霍尔压力传感器是把压力先转换成位移后 再应用霍尔电势与位移关系测量压力 作为压力敏感元件的弹簧管 其一端固定 另一端安装着霍尔元件 当输入压力增加时 弹簧管伸长 使处于恒定梯度磁场中的霍尔元件产生相应的位移 从霍尔元件的输出电压的大小即可反映出压力的大小 其元件的位移在 1 5mm范围内 输出约20mV 工作电流10mA 线性较好 图4 42HYD型压力传感器 3 霍尔磁极检测器 使用霍尔元件可以很方便地制作检查磁铁 N极 S 极的磁极检测器 磁极检测器的电路如图4 43所示 电路中使用了输出电压大的InSb霍尔元件H1 H1在恒压条件下工作 电阻R1 330 是限流电阻 发光二极管是电流指示灯 在霍尔元件中流过的电流Ic为 式中 Ucc为电源电压 ULED为发光二极管的正向电压 RH为霍尔元件的电阻 图中选用的霍尔元件的RH 300 使Ic约为100mA 图4 43磁极检测器电路 霍尔电压UH由运算放大器A1和A2放大100倍 N极 S极可用满刻度为0 2的模拟表指示 当然 使用在调谐器中所用的调谐指示比较方便 被测磁铁很大时 表针可能会超过指示范围 为此要加上二极管V1和V2 将加在表上的电压限制在0 6 0 7V 为了保证表头上流过0 2mA的电流 取R3 3k 由于有二极管V1和V2的限流作用 R2可取2k 流过二极管的最大电流约有4mA 该检测器使用简便 当用它靠近被测磁铁 表针就会指示出极性 电路图中的Rw用于调整霍尔传感器的偏移电压 没有磁铁靠近时 表针应处在中心位置 改变Rw 便可达到零点调整 H1是由先锋公司精密生产的InSb霍尔元件 霍尔电压130 300mV 12mA 1kGs 非一致性 35mV 输入电阻150 600 最大工作电流20mA 4 霍尔转速测量仪 利用霍尔效应测量转速有两种可行的方案 分别如图4 44 a 和4 44 b 所示 图4 44 a 中将永磁体安装在旋转轴的轴端 图4 44 b 中是将永磁体安装在旋转轴的轴侧 霍尔元件放置于磁体的气隙中 当轴转动时 霍尔元件输出的电压则包含有轴转速的信息 将霍尔元件输出电压经处理电路处理后 便可求得转速的数据 图4 44利用霍尔效应测量转速的方案 a 永磁体安装在轴端 b 永磁体安装在轴侧 5 用霍尔元件测量电流 用霍尔元件测量工程上的大直流电流 往往具有结构简单 成本低廉 准确度高等诸多优点 常用的测量方法有 旁测法 贯串法 绕线法等 6 霍尔开关按键霍尔开关按键是由霍尔元件装配键体而成的开关电键 霍尔电路用磁体作为触发媒介 当磁体接近霍尔电路时 产生一个电平信号 霍尔按键就是依靠改变磁体的相对位置来触发电信号的 霍尔开关是一个无触点的按键开关 霍尔电路具有一定的磁回差特性 在按下按键过程中 即使手指有所抖动 也不会影响输出电平的状态 按键的输出电平由集成元件的输出级提供 电平的建立时间极短 因此 霍尔按键是一个无触点 无抖动 高可靠 长寿命的按键开关 南京半导体器件总厂生产的HKJ系列霍尔开关按键已有7种型号 每种型号内又各有6个品种 如直键 斜键 弹簧式发光键 插片式发光键及带控制端的按键等 广泛用于计算机的各种输入键盘 各种控制设备中的控制键盘 各种面板上的按键开关 手动脉冲发生器等 其技术性能指标为 电键按力50g 120g 300g 按键全行程5 0 5mm 导通行程3 0 5mm 输出脉冲边沿宽度 50ns 寿命 107次 使用环境温度 20 55 7 霍尔集成传感器的应用 1 用霍尔集成传感器控制LED的亮 灭 用霍尔集成传感器控制LED亮 灭的电路如图4 49所示 霍尔集成传感器采用PST 525 其输出可视情况接入一个 1k 的限流电阻 再去控制发光二极管LED的亮 灭 电路中 由于霍尔集成传感器采用NPN集电极开路输出形式 所以LED阳极接到电源正端 要增大LED的亮度 可以减小限流电阻增大IF 但受霍尔集成传感器的额定电流 十几mA 的限制 为此 当需要大电流时 可接入驱动晶体管 图4 49LED亮 灭控制电路 2 用霍尔集成传感器控制电机的通断 用霍尔集成传感器控制电机的通断电路如图4 50所示 霍尔集成传感器采用PST 525 为了增大驱动功率 电路中接入PNP型功率晶体管V1 该电路可以直接驱动1A左右的电流负载 此例为驱动直流电动机 也可以接螺线管 灯泡等负载 图4 50电机通断控制电路 3 用霍尔集成传感器进行转数检测 用霍尔集成传感器检测磁转子转数的电路如图4 51所示 电路中霍尔集成传感器采用了UGN3040 输出端接入一小功率PNP晶体管V V的输出端B的信号极性与UGN3040输出端A的相反 因此 该电路可以获得相位相反的两种信号A与B 图4 51转数检测电路 4 用霍尔集成传感器进行无触点照明控制 用霍尔集成传感器构成的无触点照明控制电路如图4 52所示 带有磁钢的机械臂或设备接近霍尔集成传感器时 系统将以无触点的方式控制灯的亮 灭 由图4 52可见 电路中霍尔集成传感器的输出端接有光电固态继电器SF5D M1 用以带动交流100V的照明装置的通断 另外 SF5D M1还起到高低压之间的电气隔离作用 该电路也可以控制100V交流感应电机或其它设备的通断 图4 52无触点照明控制电路 5 用霍尔集成传感器控制卫生间照明灯 用霍尔集成传感器控制卫生间照明灯的电路如