霍尔传感器自主学习报告.doc

传感器技术自主学习报告 霍尔传感器团队成员 执 笔 * 院 系 工学院机电系 专 业 机械电子工程 完成日期 2目 录1、霍尔传感器的工作原理12、霍尔元件的结构13、霍尔传感器的优缺点24、霍尔元件主要技术指标25、霍尔传感器的测量电路36、霍尔元件的误差及其补偿【3】46.1不等位电势及其补偿46.2温度误差及其补偿57、霍尔传感器的应用67.1位移传感器【3】67.2力（压力）测量【4】77.3霍尔式汽车点火器【3】77.4转速计87.5霍尔加速度传感器【4】98、学习心得10参考文献：101、霍尔传感器的工作原理霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。霍尔发现，半导体薄片置于磁场（B0）中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间会产生电动势，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。图1为霍尔效应原理图。图1：霍尔效应原理图【1】霍尔电势可用下式表示：=IB其中，是霍尔元件的灵敏度，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。=式中，n，d，e分别表示电子浓度，薄片厚度，电子的电荷量。2、霍尔元件的结构霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片（一般为4mm2mm0.1mm），在它的长度方向焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，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（无PN结特性）。在薄片另两侧端面的中间以点形式对称地焊有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。霍尔元件的壳体上用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装【2】。图2所示依次为霍尔元件外形、结构示意图和符号。 A B C图2：霍尔元件霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。3、霍尔传感器的优缺点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霍尔传感器，它具有磁场敏感、结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、易于微型化和集成化、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用；但它转化率较低、温度影响大、要求转换精度高时必须进行温度补偿。4、霍尔元件主要技术指标（1）额定激励电流使霍尔元件温升10所施加的控制电流值称为额定激励电流（又称额定控制电流）。通常用表示。由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。一般锗元件的允许温升为80C，硅元件，但二者相差不大，使用时不能搞错。（3）不等位电势和不等位电阻当霍尔元件通以控制电流而不加外磁场时，它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，称为不等位电势。不等式电势与额定激励电流之比为不等位电阻。即：=（4）寄生直流电势当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时，霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和。其中的交流霍尔电势与前述零位电势相对应，而直流霍尔电势是个寄生量，称为寄生直流电势。（5）热阻它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输入lmW的电功率时产生的温升，单位为/mW，之所以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定条件下与电阻有关。（6）乘积灵敏度霍尔元件的乘积灵敏度定义为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，它反映了霍尔元件本身所具有的磁电转化能力，一般希望他越大越好。公式为：=除外，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。5、霍尔传感器的测量电路霍耳元件基本测量电路如图3所示，图中激励电流 由电源供给，可以是直流电源或交流电源，调节电阻 是用来调节控制电流 的大小；是霍耳输出电压 的负载电阻，通常是放大电路的输入电阻或表头内阻。霍耳电压 一般为毫伏数量级，因而实际应用时要后接差动放大器。由于建立霍耳电势所需的时间较短，约为 ss，所以它的频率响应很高。当控制电流采用交流电时，它的频率可达 Hz。图3：霍尔元件的基本测量电路6、霍尔元件的误差及其补偿【3】在实际使用中，存在着各种影响霍耳元件精度的因素，即在霍耳电动势中叠加着各种误差电势，这些误差电势产生的主要原因有两类：一类是由于制造工艺的缺陷；另一类是由于半导体本身固有的特性。不等位电势和温度是影响霍耳元件主要误差的两个因素。6.1不等位电势及其补偿当霍耳元件的控制电流为 时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍耳电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍耳电势称不等位电势。不等位电势与霍耳电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍耳电势。实用中，若想消除不等位电势极其困难，因而只有采用补偿的方法。一个矩形霍耳片由两对电极，各个相邻电极之间有 4 个电阻 、 、 ，因而可以把霍耳元件视为一个 4 臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压，如图 4 所示。理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡。若两个霍耳电极不在同一等位面上时，电桥不平衡，不等位电势不等于零，此时必须采取电路补偿的方法以消除不等位电势。(a)不对称电极 (b)电极等效电桥图4：霍耳元件不等位电势原理图图5给出了两种补偿电路，图(a)是在电阻值较大的桥臂上并联电阻，图(b)是在两相邻桥臂上并联电阻，以增加电极等效电桥的对称性。(a)在阻值较大的桥臂上并联电阻 (b)在两相邻桥臂上并联电阻图5：不等位电势补偿电路6.2温度误差及其补偿霍耳元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍耳元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍耳系数都将发生变化，从而使霍耳元件产生温度误差。为了减小温度误差，除了选择温度系数小的霍耳元件(如砷化铟)或采取恒温措施外，由 =IB可看出：采用恒流源供电是个有效措施，减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化，但是还不能完全解决霍耳电动势的稳定问题。霍耳元件的灵敏系数 也是温度的系数，它随着温度的变化引起霍耳电势的变化，并且大多数霍耳元件的温度系数 是正值，它们的霍耳电势随温度升高而增加。如果，与此同时让控制电流 I 相应地减小，并能保持 I 乘积不变，也就抵消了灵敏系数 增加的影响。下面介绍一种既简单、补偿效果又较好的补偿电路，如图 6 所示。图 6中，电流 I为恒定电流，不受温度影响；电阻 为霍耳元件等效输入电阻；在霍耳元件的控制电极并联一个合适的补偿电阻， 具有如 相同的正温度系数，这个电阻起分流作用。当霍耳元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻 会自动加强分流，减小了霍耳元件的控制电流 ，从而达到补偿的目的。图6：温度补偿电路上述的温度补偿电路的实验表明，补偿后的霍耳电势受温度的影响极小，而且该方法对霍耳元件的其他性能无影响，只是由于控制电流被分流了，霍耳电势的输出稍有下降，若需要，可以通过增大恒流源 I 的数值来达到原来的输出值。7、霍尔传感器的应用霍耳式传感器的应用可分为下述三个方面：（1）当输入电流恒定不变时，传感器的输出正比于磁感应强度。因此，凡是能转换为磁感应强度 B 变化的物理量均可进行测量，如位移、角度、转速和加速度等。（2）当磁感应强度 B保持恒定时，传感器的输出正比于控制电流 I的变化。因此，凡能转换为电流变化的物理量均可进行测量和控制。（3）由于霍耳电压正比于控制电流 I和磁感应强度 B，所以凡是可以转换为乘法的物理量(如功率)都可进行测量。下面介绍霍耳式传感器的几个应用实例。7.1位移传感器【3】在两个极性相反、磁感应强度相同的磁钢的气隙中，放置一个霍耳元件，保持霍耳元件的控制电流恒定，而使霍耳元件在一个均匀的梯度磁场中沿着x方向移动，如图7所示。图7：霍耳式位移传感器原理示意图若控制电流 I 恒定不变， 霍耳电压与磁感应强度 B成正比， 则磁场在一定范围内沿着x的方向的变化为常数，因此元件沿x方向移动时，霍耳电压的变化为=I=K式中，K 为位移传感器输出灵敏度。对上式积分 =Kx上式表明霍耳电压与位移成正比，电压的极性表示了元件位移的方向。这种位移传感器可用来测量 1mm2mm的小位移，且惯性小、响应速度快。利用这种位移与电压转换关系，还可以用来测量力、压力、压差、液位、流量等。7.2力（压力）测量【4】如图8所示，当力F作用在悬梁臂上时，梁将发生变形，霍尔器件将有与力成正比的电压输出，通过测试电压即可得出力的大小。图8：霍尔力传感器7.3霍尔式汽车点火器【3】传统的汽车点火装置是利用机械装置使触点闭合和打开，在点火线圈断开的瞬间，感应出高电压供火花塞点火。这种方法容易造成开关的触点产生磨损、氧化，使发动机性能变坏，也使发动机性能的提高受到限制。而汽车电子点火器具有无触点，节油，能适应恶劣的工作环境和较广的车速范围，启动性能好，便于微机控制等优点，目前得到广泛的应用。图9为霍耳汽车点火器的结构示意图。图中的霍耳传感器采用 SL3020，在磁轮鼓圆周上有永久磁铁和软铁制成的扼铁磁路，它和霍耳传感器保持有适当的间隙。由于永久磁铁按磁性交替排列并等分嵌在磁轮鼓圆周上，因此当磁轮鼓转动时，磁铁的 N 极和 S极便交替地在霍耳传感器的表面通过，霍耳传感器的输出端便输出一串脉冲信号。用这些脉冲信号被积分后去触发功率开关管，使它导通或截止，在点火线圈中便输出 15kV 的感应高电压，以点燃汽缸中的燃油，随之发动机开始转动。图9：霍耳汽车点火器结构示意图采用霍耳传感器制成的汽车点火器和传统的汽车点火器相比具有很多优点，如由于无触点，因此无需维护，使用寿命长；由于点火能量大，汽缸中气体燃烧充分，排气对大气的污染明显减少；由于点火时间准确，可提高发动机的性能。7.4转速计转速计原理如图10所示，磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，将霍耳元件移置旋转盘下边，让转盘上小磁铁形成的磁力线垂直穿过霍耳元件。当被测转轴转动时，磁性转盘随之转动，固定在转盘上的霍耳传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲电压，检测出单位时间内脉冲电压的个数，便可知被测转轴的旋转速度，从而实现转速的检测。转盘上磁铁对数越多，传感器测速的分辨率就越高。图10：转速计原理图下图【1】是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车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。下图【5】是霍尔传感器在智能电动玻璃升降器的应用。在关闭的过程中，驱动机构中有电子控制单元(ECU)及霍尔传感器(脉冲发生器)时刻检测电动机的转速，当霍尔传感器检测到转速有变化时就会向ECU传送信息，ECU向继电器发出指令，使电动机停转或反转(下降)，车窗也就停止上升或下降。7.5霍尔加速度传感器【4】霍尔加速度传感器的结构原理如图11所示。这种加速度传感器在（-14+14）m/范围内，其输出霍尔电压与加速度a之间有较好的线性关系，如图b。图11：霍尔加速度传感器8、学习心得本次自主学习，初步了解霍尔传感器的工作原理、基本结构、优缺点及