霍尔传感器培训课件

1、第九章 霍尔传感器本章主要讲述内容：1、霍尔传感器工作原理2、霍尔元件基本结构和主要技术指标3、霍尔元件测量电路4、霍尔传感器举例10/10/1霍尔传感器第1页概述： 霍尔元件是一个基于霍尔效应磁传感器，得到广泛应用。能够检测磁场及其改变，可在各种与磁场相关场所中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。特点： 霍尔器件含有许多优点，它们结构牢靠，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等污染或腐蚀。 第一节 霍尔元件基本工作原理10/10/2霍尔传感器第2页霍尔效应原理图10/10/3霍尔传感器第3页霍尔元件 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时

2、，在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。10/10/4霍尔传感器第4页 设图中材料是型半导体，导电载流子是电子。在轴方向磁场作用下，电子将受到一个沿轴负方向力作用，这个力就是洛仑兹力。它大小为：FL=evB zxyIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极 C、D-控制电极FL10/10/5霍尔传感器第5页 电荷聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子作用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为式中EH为霍尔电场，e为电子电量，UH为霍尔电势。当FL = FE时，电子积累到达动平衡，即所以IADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极FLF

3、E10/10/6霍尔传感器第6页 设流过霍尔元件电流为 I 时， 式中ld为与电流方向垂直截面积，n 为单位体积内自由电子数(载流子浓度)。则IADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极FLFE10/10/7霍尔传感器第7页令 RH则被定义为霍尔传感器霍尔系数。因为金属导体内载流子浓度大于半导体内载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。霍尔系数及灵敏度则10/10/8霍尔传感器第8页KH为霍尔元件灵敏度。 由上述讨论可知，霍尔元件灵敏度不但与元件材料霍尔系数相关，还与霍尔元件几何尺寸相关。普通要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件灵敏度公式可知，霍尔元件厚度d与KH成反比。令 则10

4、/10/9霍尔传感器第9页经过以上分析可知：1）霍尔电压UH与材料性质相关 n 愈大，KH 愈小，霍尔灵敏度愈低； n 愈小，KH 愈大，但n太小，需施加极高电压才能产生很小电流。所以霍尔元件普通采取N型半导体材料10/10/10霍尔传感器第10页2）霍尔电压UH与元件尺寸相关。 d 愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件厚度都比较薄，但d太小，会使元件输入、输出电阻增加。 霍尔电压UH与控制电流及磁场强度成正比，当磁场改变方向时，也改变方向。10/10/11霍尔传感器第11页若磁场B和霍尔元件平面法线成一角度，则作用于霍尔元件有效磁感应强度为B cos，所以 UH=KHIBcosIA

5、DBCBlLdUHA、B-霍尔电极 C、D-控制电极10/10/12霍尔传感器第12页3）P型半导体，其多数载流子是空穴，也存在霍尔效应，但极性和N型半导体相反。4）霍尔电压UH与磁场B和电流I成正比，只要测出UH ，那么B或I未知量均可利用霍尔元件进行测量。10/10/13霍尔传感器第13页一、霍尔元件基本结构组成由霍尔片、四根引线和壳体组成，以下列图示。第二节 霍尔元件基本结构和主要技术指标10/10/14霍尔传感器第14页国产霍尔元件型号命名方法10/10/15霍尔传感器第15页二、主要技术指标1、额定控制电流IC和最大控制电流ICm霍尔元件在空气中产生10温升时所施加控制电流称为额定控

6、制电流IC。在相同磁感应强度下，IC值较大则可取得较大霍尔输出。霍尔元件限制IC主要原因是散热条件。普通锗元件最大允许温升Tm80，硅元件Tm175。当霍尔元件温升到达Tm时IC就是最大控制电流ICm 。10/10/16霍尔传感器第16页 霍尔元件乘积灵敏度定义为在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电势值，其单位为V（AT），它反应了霍尔元件本身所含有磁电转换能力，普通希望它越大越好。2、乘积灵敏度KH其定义10/10/17霍尔传感器第17页3、输入电阻Ri和输出电阻R0Ri是指流过控制电流电极（简称控制电极）间电阻值，R0是指霍尔元件霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间电阻，

7、单位为。能够在无磁场即B0和室温（20 5）时，用欧姆表等测量。10/10/18霍尔传感器第18页 在额定控制电流 Ic 之下，不加磁B0时，霍尔电极间空载霍尔电势UH0，称为不平衡(不等位)电势，单位为mV。普通要求霍尔元件UH1mV，好霍尔元件UH能够小于0.1mV。不等位电势和额定控制电流Ic之比为不等位电阻RM，即 4、不等位电势UM和不等位电阻RM10/10/19霍尔传感器第19页 不平衡电势UH是主要零位误差。因为在工艺上难以确保霍尔元件两侧电极焊接在同一等电位面上。以下列图(a)所表示。当控制电流I流过时，即使末加外磁场，A、B两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势（不

8、平衡电势）UH。10/10/20霍尔传感器第20页 在一定磁感应强度和控制电流下，温度改变1时，霍尔电势改变百分率称为霍尔电势温度系数，单位为1。5、霍尔电势温度系数10/10/21霍尔传感器第21页一、基本测量电路 控制电流I由电源E供给，电位器R调整控制电流I大小。霍尔元件输出接负载电阻RL，RL能够是放大器输入电阻或测量仪表内阻。因为霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产生霍尔电势UH，所以在测量中，能够把 I 第三节 霍尔元件测量电路与 B 乘积、或者 I，或者 B 作为输入情号，则霍尔元件输出电势分别正比于 IB 或 I 或 B。 10/10/22霍尔传感器第22页 为了取得较大

9、霍尔输出电势，能够采取几片叠加连接方式。下列图(a)为直流供电，控制电流端并联输出串联。下列图(b)为交流供电，控制电流端串联变压器叠加输出。连接方式10/10/23霍尔传感器第23页 因为载流子浓度等随温度改变而改变，所以会造成霍尔元件内阻、霍尔电势等也随温度改变而改变。这种改变程度随不一样半导体材料有所不一样。而且温度高到一定程度，产生改变相当大。温度误差是霍尔元件测量中不可忽略误差。 针对温度改变造成内阻(输入、输出电阻)改变，能够采取对输入或输出电路电阻进行赔偿。 二、温度误差及其赔偿10/10/24霍尔传感器第24页（一）采取恒流源提供控制电流对于上图所表示基本测量电路，设温度由T增

10、加到T+T，因霍尔片电子浓度n增加，从而使霍尔元件乘积灵敏度由KH减小到KH（1T），其中是KH温度系数。10/10/25霍尔传感器第25页其次霍尔元件输入电阻由Ri减小到Ri （1T）。其中是Ri温度系数。输入电阻变化将使控制电流由IC变为ICIC，此时霍尔电势将由UHKHICB变为UH UH KH （1T）（ICIC ）B。要使 UH 0，必须IC （1T） （ICIC ）10/10/26霍尔传感器第26页要满足IC （1T） （ICIC ），为此采取上图所表示电源为恒流源测量电路，电路中并联一个起分流作用赔偿电阻R。依据上图可得式中 赔偿电阻R温度系数。10/10/27霍尔传感器第27页

11、将这两式代入对上式进行整理，并忽略（T）2 项可得得到10/10/28霍尔传感器第28页 对于一个确定霍尔元件，和值可由元件参数表查得，Ri可在无外磁场和室温条件下直接测得。所以只要选择适当赔偿电阻，使其R和满足上式，就可在输入回路实现对温度误差赔偿了。10/10/29霍尔传感器第29页（二）合理选择负载电阻如上图所表示，若霍尔电势输出端接负载电阻RL，则当温度为T时，RL上电压可表示为：式中 R0霍尔元件输出电阻。10/10/30霍尔传感器第30页当温度由T变为T+T时，则RL上电压变为式中 霍尔电势温度系数； 霍尔元件输出电阻温度系数。 要使UL不受温度改变影响，即UL0，由上两式可知，必

12、须对上式进行整理可得10/10/31霍尔传感器第31页 对于一个确定霍尔元件，能够方便地取得、和R0值，所以只要使负载电阻RL满足上式，就可在输出回路实现对温度误差赔偿了。即使RL通常是放大器输入电阻或表头内阻，其值是一定，但可经过串、并联电阻来调整RL值。10/10/32霍尔传感器第32页（三）采取热敏元件对于由温度系数较大半导体材料（如锑化铟）制成霍尔元件，常采取右图所表示温度赔偿电路，图中Rt是热敏元件（热电阻或热敏电阻）。10/10/33霍尔传感器第33页图（a）是在输入回路进行温度赔偿电路，当温度改变时，用Rt改变来抵消霍尔元件乘积灵敏度KH和输入电阻Ri改变对霍尔输出电势UH影响。

13、10/10/34霍尔传感器第34页 图（b）则是在输出回路进行温度赔偿电路，当温度改变时，用Rt改变来抵消霍尔电势UH和输出电阻R0改变对负载电阻RL上电压UL影响。 在安装测量电路时，应使热敏元件和霍尔元件温度一致。10/10/35霍尔传感器第35页 不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时，而出现霍尔电势称为零位误差。 在分析不等位电势时，可将霍尔元件等效为一个电桥，如右图所表示。控制电极A、B和霍尔电极C、D可看作电桥电阻连接点。它们之间分布电阻R1、R2、R3、R4组成四个桥臂，控制电压可视为电桥工作电压。三、不等位电势赔偿10/10/36霍尔传感器第36页 理想情况下，不等位电

14、势UM=0，对应于电桥平衡状态，此时R1R2R3R4。 假如霍尔元件UM0，则电桥就处于不平衡状态，此时R1、R2、R3、R4阻值有差异，UM就是电桥不平衡输出电压。 只要能使电桥到达平衡方法都可作为不等位电势赔偿方法。10/10/37霍尔传感器第37页（一）基本赔偿电路 霍尔元件不等位电势赔偿电路有各种形式，图97为两种常见电路，其中RW是调整电阻。基本赔偿电路没有考虑温度改变影响。当温度发生改变，需要重新进行平衡调整。10/10/38霍尔传感器第38页（二）含有温度赔偿赔偿电路右图是一个常见含有温度赔偿不等位电势赔偿电路。该赔偿电路本身也接成桥式电路，其工作电压有霍尔元件控制电压提供；其中

15、一个为热敏电阻Rt，而且于霍尔元件等效电阻温度特征相同。10/10/39霍尔传感器第39页在该电桥负载电阻RP2上取出电桥部分输出电压（称为赔偿电压），与霍尔元件输出电压反向串联。在磁感应强度B为零时，调整RP1和RP2，使赔偿电压抵消霍尔元件此时输出不等位电势，从而使B0时总输出电压为零。10/10/40霍尔传感器第40页在霍尔元件工作温度下限T1时，热敏电阻阻值为Rt（T1）。电位器RP2保持在某一确定位置，经过调整电位器RP1来调整赔偿电桥工作电压，使赔偿电压抵消此时不等位电势UML，此时赔偿电压称为恒定赔偿电压。10/10/41霍尔传感器第41页当工作温度T1升高到T1 T时，热敏电阻

16、阻值为Rt（T1 T ）。RP1保持不变，经过调整RP2，使赔偿电压抵消此时不等位电势UML UM。此时赔偿电压实际上包含了两个分量，一个是抵消工作温度为T1时不等位电势UML恒定赔偿电压分量，另一个是抵消工作温度升高T时不等位电势改变量UM改变赔偿电压分量。10/10/42霍尔传感器第42页依据上述讨论可知，采取桥式赔偿电路，能够在霍尔元件整个温度范围内对不等位电势进行良好赔偿，而且对不等位电势恒定部分和改变部分赔偿可独立地进行调整。所以，可到达相当高赔偿精度。10/10/43霍尔传感器第43页第四节 霍尔式传感器举例一、将被测量转换为磁感应强度B保持霍尔元件控制电流I恒定不变，就可测量磁感

17、应强度B，以及位移、角度等可直接转换为B物理量，深入还能够测量先转换成位移或角度、然后间接转换为B物理量，如振动、压力、速度、加速度、转速等等。下面以霍尔式压力传感器为例进行说明。10/10/44霍尔传感器第44页 图9-9 霍尔压力传感器结构原理图霍尔元件磁钢压力P波登管N SS N霍尔式压力传感器霍尔传感器第45页霍尔式压力传感器由两部分组成：一部分是弹性敏感元件波登管用以感受压力P，并将P转换为弹性元件位移量x，即xKPP，其中系数KP为常数。另一部分是霍尔元件和磁系统，磁系统形成一个均匀梯度磁场，如右图所表示，在其工作范围内，BKBx，其中斜率KB为常数；霍尔元件固定在弹性元件上，所以

18、霍尔元件在均匀梯度磁场中位移也是x。这么，霍尔电势UH与被测压力P之间关系就可表示为UHKHIBKHIKBKPPKP式中 KHIKBKPK霍尔式压力传感器输出灵敏度。霍尔传感器第46页二、将被测量转换为I与B乘积右图为霍尔式单相交流功率计基本电路。设输入电压BiRuicUHZL经过降压电阻R得到霍尔元件控制电流负载ZL上电流流过铁心线圈，产生垂直于霍尔平面交变磁感应强度B，且B正比于i，即10/10/47霍尔传感器第47页霍尔输出电势uHKHiCB将前两式代入上式可得式中 K=KHK1K2常系数若求uH平均值，则上式中cos（2t）为零，所以经过测出平均霍尔电势，即可求出负载ZL上有功功率。10/10/48霍尔传感器第48页将图中电阻改用电容C代替，则使iC产生90相移，同理可得 可见利用霍尔元件也可测量单相负载上无功功率。 若使用三个串联霍尔元件和适当电路，则可测量三相负载上有功功率和无功功率。10/10/49霍尔传感器第49页本章小结1、在霍尔元件平面法线方向施加磁感应强度B，经由控制电流引线通入控制电流，则因为洛仑兹力作用，两个霍尔电极上出现相反极性载流子积累，从而在霍尔电势输出