第五章第2节霍尔传感器介绍.ppt

第二节霍尔式传感器,霍尔式传感器是基于霍尔效应原理而将被测量，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。虽然它的转换率较低，温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔式传感器结构简单，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，无触点，使用寿命长，可靠性高，易于微型化和集成电路化，因此在测量技术、自动化技术和信息处理等方面得到广泛的应用。,一、工作原理与特性（一）霍尔效应,通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。,设霍尔片的长度为l，宽度为b，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力e电子电量(1.6210-19C)；v电于运动速度。同时，作用于电子的电场力,当达到动态平衡时,霍尔电势UH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成：,电流密度j=nev,代入：,得：,RH霍尔系数,得到：,设KH=RH/d,KH霍尔器件的灵敏度系数。它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霍尔电势的大小。,若磁感应强度B的方向与霍尔器件的平面法线夹角为时，霍尔电势应为：,UHKHIB,UHKHIBcos,注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势并不改变方向。,具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件。霍尔式传感器就是由霍尔元件所组成。金属材料中自由电子浓度n很高，因此RH很小，使输出UH极小，不宜作霍尔元件。如果是P型半导体，载流子是空穴，若空穴浓度为p，同理可得UHIB/ped。一般电子迁移率大于空穴迁移率，因此霍尔元件多用N型半导体材料。霍尔元件越薄（即d越小），kH就越大，所以通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件厚度只有1m左右。,(二)霍尔元件,图霍尔元件（a）外形结构示意图；（b）图形符号,霍尔元件的外形如下图所示，它是由霍尔片、4根引线和壳体组成。,(三)输入电阻和输出电阻激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在205时所确定的。,(四)基本电路,在实际应用中，霍尔元件可以在恒压或恒流条件下工作。,霍尔元件的基本电路,a.恒压工作,恒压条件下性能不好的主要原因：恒压工作的控制电流：输入电阻随温度变化,b.恒流工作,由于输入电阻的温度系数大，偏移电压的影响更为严重,c.差分放大,需要差分放大的原因：霍尔元件的输出电压低，需要放大去除同相电压，需要差分,A1、A2二个同相放大器组成差动式放大电路，输入信号加在A1、A2的同相输入端，从而具有高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗。功率放大器A3为后级，它不仅切断共模干扰的传输，还将双端输入方式变换成单端输出方式，以满足负载的需要,Ua,Ub,霍尔传感器输出电压是交流的情况：,C1漏电流小，C2漏电流大，其差表现为偏移电压。,C1,C2漏电流相等,二、霍尔元件的误差及其补偿,由于制造工艺问题以及实际使用时所存在的各种影响霍尔元件性能的因素，如元件安装不合理、环境温度变化等，都会影响霍尔元件的转换精度，带来误差。（一）霍尔元件的零位误差及其补偿霍尔元件的零位误差包括不等位电动势、寄生直流电动势等。,1.不等位电动势U0及其补偿,不等位电动势是零位误差中最主要的一种。当霍尔元件在额定控制电流(元件在空气中温升10所对应的电流)作用下，不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载电势，称为不等位电动势U0。U0产生的原因是由于制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上，如图5-8a所示。此外霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均匀或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势。,a)两电极点不在同一等位面上b)等位面歪斜,二、霍尔元件的误差及其补偿,一般要求U0lmV。除了工艺上采取措施降低U0外,还需采用补偿电路加以补偿。由于霍尔元件可等效为一个四臂电桥，如图5-9a所示，因此可在某一桥臂上并上一定电阻而将U0降到最小，甚至为零。,图5-9b中给出了几种常用的不等位电动势的补偿电路，其中不对称补偿简单，而对称补偿温度稳定性好。,2.寄生直流电动势,当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电动势外，还有直流电动势分量，称为寄生直流电动势。该电动势是由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而形成整流效应，以及两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同引起温差所产生的。它随时间而变化，导致输出漂移。因此在元件制作和安装时，应尽量使电极欧姆接触，并做到散热均匀，有良好的散热条件。另外，霍尔电极和激励电极的引线布置不合理，也会产生零位误差，也需予以注意。,（二）霍尔元件的温度误差及其补偿,一般半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度而变化。霍尔元件由半导体材料制成，因此它的性能参数如输入和输出电阻、霍尔常数等也随温度而变化，致使霍尔电势变化，产生温度误差。为了减小温度误差，除选用温度系数较小的材料如砷化铟外，还可以采用适当的补偿电路。下面简单介绍几种温度误差的补偿方法。,1.采用恒流源供电和输入回路并联电阻,为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定。但也只能是减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流I的变化的影响。,霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数，它随温度变化将引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成,KH=KH0(1+T),（0）,式中：KH0温度T0时的KH值；T=T-T0温度变化量；霍尔电势温度系数。,大多数霍尔元件的温度系数是正值，它们的霍尔电势随温度升高而增加T倍。但如果同时让激励电流Is相应地减小，并能保持KHIH乘积不变，也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。图5-10就是按此思路设计的一个既简单，补偿效果又较好的补偿电路。,图5-10恒流温度补偿电路,在图5-10所示的温度补偿电路中，设初始温度为T0，霍尔元件输入电阻为Ri0，灵敏系数为KH0，分流电阻为Rp0，根据分流概念得：,（1）,图5-10恒流温度补偿电路,（1）,当温度升至T时，电路中各参数变为：,（2）,（3）,式中：霍尔元件输入电阻温度系数；分流电阻温度系数。,则,（4）,虽然温度升高了T，为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电势不变，即UH0=UH，则,KH0IH0B=KHIHB,（5）,有,KH0IH0=KHIH,（6）,KH=KH0(1+T),将以上三式（即式（0）、（1）、（4）代入,KH0IH0=KHIH,经整理并略去(T)2高次项后得,（7）,（7）,当霍尔元件选定后，它的输入电阻Ri0和温度系数及霍尔电势温度系数是确定值。由式（7）即可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值。为了满足Rp0及两个条件，分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合，这样虽然麻烦但效果很好。,2合理选取负载电阻RL的阻值,霍尔元件的输出电阻Ro和霍尔电势UH都是温度的函数（设为正温度系数），当霍尔元件接有负载RL（如放大器的输入电阻）时，在RL上的电压为,式中，Ro0为温度t0时的霍尔元件的输出电阻,为使负载上的电压不随温度而变化，应使dUL/d(t-t0)=0，即,可采用串、并联电阻的方法使上式成立来补偿温度误差。但霍尔元件的灵敏度将会降低。,3采用恒压源和输入回路串联电阻,当霍尔元件采用稳压电源供电，且霍尔输出开路状态下工作时，可在输入回路中串入适当的电阻来补偿温度误差。其分析过程与结果同式（5-5）即：,3采用温度补偿元件（如热敏电阻、电阻丝）,这是一种常用的温度误差的补偿方法，尤其适用于锑化铟材料的霍尔元件，图5-11示出了几种不同连接方式的例子。,热敏电阻Rt具有负温度系数，电阻丝具有正温度系数。图a、b、c中霍尔元件材料为锑化铟，其霍尔输出具有负温度系数。图d为用Rt补偿霍尔输出具有正温度系数的温度误差。使用时要求这些热敏元件尽量靠近霍尔元件，使它们具有相同的温度变化。,4霍尔元件不等位电动势Uo的温度补偿,U0受温度的影响，可采用如图5-12所示的桥路补偿法。,图中RP用来补偿U0。在霍尔输出端串入温度补偿电桥，Rt是热敏电阻。桥路输出随温度变化的补偿电压与霍尔输出的电压相加作为传感器输出。细心调节，在40范围内补偿效果很好。,应该指出，霍尔元件因通入控制电流I而有温升，且I变动，温升改变，都会影响元件的内阻和霍尔输出。为使温升不超过所需值，必须对霍尔元件的额定控制电流加以限制，尤其在安装元件时要尽量做到散热情况良好，只要有可能应选用面积大些的元件，以降低其温升。若将硅霍尔元件与放大电路、温度补偿电路等集成在一起制成集成霍尔传感器，则具有性能优良、使用方便、体积小、成本低、输出功率大和输出电压高等优点，是应用最为广泛的集成传感器之一。,三应用,（一）霍尔式位侈传感器保持霍尔元件的控制电流恒定，而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿x方向移动如图5-13所示。则输出的霍尔电势为:,k：位移传感器的灵敏度,霍尔电势的极性表示了元件位移的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。为了得到均匀的磁场梯度，往往将磁钢的磁极片设计成特殊形状，如图5-14b所示。这种位移传感器可用来测量0.5mm的小位移，特别适用于微位移、机械振动等测量。若霍尔元件在均匀磁场内转动，则产生与转角的正弦函数成比例的霍尔电压，因此可用来测量角位移。,奥迪A6上的工程应用在出厂之前，每部车的点火提前角都调在标准范围之间，GOL是6-12度，在这里面的都是正常的，太小，发动机没有力气，太大要引起发动机爆震。所以说,越接近12度越有爆发力，但不能超过12度。点火提前角不是不变的，随着转速变化而变化。应用：霍尔传感器安装于发动机缸体上，感知发动机爆燃情况，将信号反馈给控制单元，适当的减小点火提前角，防止发动机爆震燃烧。,（二）霍尔式压力传感器,任何非电量只要能转换成位移量的变化，均可利用霍尔式位移传感器的原理变换成霍尔电势。霍尔式压力传感器就是其中的一种，如图5-14a所示。它首先由弹性元件（可以是波登管或膜盒）将被测压力变换成位移，由于霍尔元件固定在弹性元件的自由端上，因此弹性元件产生位移时将带动霍尔元件，使它在线性变化的磁场中移动，从而输出霍尔电势。,检测磁场(数字高斯计）,用霍尔线性器件作探头，测量6T10T的交变和恒定磁场，已有许多商品仪器。,概述HT20系列手持式数字高斯计/特斯拉计可用于测量直流磁场、交流磁场、辐射磁场等各类磁场的磁感应强度。该仪器可以随身携带，量程范围宽，操作方便，液晶显示清晰。电源为一节9V干电池，可连续使用20小时。应用范围永磁材料表面磁场、直流电机、扬声器、磁选机、永磁除铁器的工作磁场。,霍尔特斯拉计（高斯计）,霍尔元件,霍尔高斯计（特斯拉计）的使用,霍尔元件,磁铁,霍尔传感器用于测量磁场强度,霍尔元件,测量铁心气隙的B值,电流传感器,当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。既可测直流也可测交流。,卡形电流计的结构,霍尔电流传感器演示,铁心,线性霍尔IC,I,I,UH=KHIB,在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来，构成霍尔接近传感器。霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑色金属的厚度检测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。,霍尔接近传感器和接近开关,当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位,控制、转速检测等等。霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。,霍尔传感器的引申学习,霍尔开关集成传感器是利用霍尔效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。霍尔开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。,引申一：霍尔开关集成传感器,由稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。,1霍尔开关集成传感器的结构及工作原理,2霍尔开关集成传感器的工作特性曲线从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞BH，这对开关动作的可靠性非常有利。图中的BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。,霍尔开关集成传感器的工作特性曲线,VOUT/V,12,ON,OFF,BRP,BOP,BH,B,霍尔开关集成传感器的技术参数：工作电压、磁感应强度、输出截止电压、输出导通电流、工作温度、工作点。,0,该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。,3霍尔开关集成传感器的应用（1）霍尔开关集成传感器的接口电路,磁铁轴心接近式在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，,随磁铁与传感器的间隔距离的增加,作用在传感器表面的磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一定位置时,传感器开关接通,而磁铁移开到一定距离时开关关断。应用时,如果磁铁已选定,则应按具体的应用场合,对作用距离作合适的选择。,（2）给传感器施加磁场的方式,磁铁侧向滑近式要求磁铁平面与传感器平面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑近移动的方式在传感器前方通过。,霍尔开关集成传感器的应用领域：点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等。,4.霍尔开关集成传感器的应用领域,1霍尔线性集成传感器的结构及工作原理霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器一般由霍尔元件和放大器组成，当外加磁场时,霍尔元件产生与磁场成线性比例变化的霍尔电压,经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍尔开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍尔线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。霍尔线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。,引申二霍尔线性集成传感器,单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是SL3501T。双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是SL3501M。,2霍尔线性集成传感器的主要技术特性(1)传感器的输出特性如下图：,2霍尔线性集成传感器的主要技术特性(2)传感器的输出特性如下图：,SL3501M传感器的输出特性曲线,