《检测技术》-第８章　霍尔传感器

８.１霍尔元件的工作原理及结构８.１.１霍尔效应如图８－１所示，一块长为ｌ、宽为ｂ、厚为ｄ的半导体，在外加磁场Ｂ作用下，当有电流Ｉ流过时，运动电子受洛伦兹力的作用而偏向一侧，使该侧形成电子的积累，与它对立的侧面由于电子浓度下降，出现了正电荷。这样，在两侧面间就形成了一个电场。运动电子在受洛伦兹力的同时，又受电场力的作用，最后当这两力作用相等时，电子的积累达到动态平衡，这时两侧之间建立电场，称霍尔电场ＥＨ，相应的电压称霍尔电压ＵＨ，上述这种现象称霍尔效应。经分析推导得霍尔电压下一页返回８.１霍尔元件的工作原理及结构８.１.２霍尔元件的材料及结构特点根据霍尔效应原理做成的器件叫作霍尔元件。霍尔元件一般采用具有Ｎ型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成。锑化铟元件的输出较大，但受温度的影响也较大。锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但是受温度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。因此，以砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用。上一页下一页返回８.１霍尔元件的工作原理及结构霍尔元件结构很简单，是一种半导体四端薄片，它由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片的相对两侧对称地焊上两对电极引出线，如图８－２（ａ）所示。其中，一对（ａ、ｂ端）称为激励电流端；另外一对（ｃ、ｄ端）称为霍尔电势输出端，引线焊接处要求接触电阻小，而且呈现纯电阻性质（欧姆接触）。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。上一页下一页返回８.１霍尔元件的工作原理及结构８.１.３霍尔元件的基本参数１.输入电阻Ｒｉ霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。它的数值从几欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高，输入电阻变小，从而使输入电流变大，最终引起霍尔电势变化。为了减少这种影响，最好采用恒流源作为激励源。２.输出电阻Ｒｏ两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻，它的数值与输入电阻属同一数量级，它也随温度改变而改变。选择适当的负载电阻ＲＬ与之匹配，可以使由温度引起霍尔电势的漂移减至最小。上一页下一页返回８.１霍尔元件的工作原理及结构３.最大激励电流ＩＭ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，它的数值为几毫安至几百毫安。４.灵敏度ＫＨＫＨ＝ＥＨ／（Ｉ·Ｂ），它的数值约为１０ｍＶ／（ｍＡ·Ｔ）。５.最大磁感应强度ＢＭ磁感应强度为ＢＭ时，霍尔电势的非线性误差将明显增大，ＢＭ的数量级一般为０.１Ｔ。上一页下一页返回８.１霍尔元件的工作原理及结构６.不等位电势在额定激励电流下，当外加磁场为零时，霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电势，这是由于４个电极的几何尺寸不对称引起的，使用时多采用电桥法来补偿不等位电势引起的误差。７.霍尔电势温度系数在一定磁场强度和激励电流的作用下，温度每变化１℃时霍尔电势变化的百分数称为霍尔电势温度系数，它与霍尔元件的材料有关。上一页返回８.２霍尔传感器测量电路８.２.１基本电路及原理霍尔元件的基本电路如图８－３所示。控制电流由电源Ｅ供给，ＲＰ为调节电阻，调节控制电流的大小。霍尔输出端接负载Ｒｆ，Ｒｆ可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示器内阻。在磁场与控制电流的作用下，负载上就有电压输出。在实际使用时，Ｉ或Ｂ或两者同时作为信号输入，而输出信号则正比于Ｉ或Ｂ或两者的乘积。下一页返回８.２霍尔传感器测量电路８.２.２温度误差及其补偿１.温度误差霍尔元件测量的关键是霍尔效应，而霍尔元件是由半导体制成的，因半导体对温度很敏感，霍尔元件的载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都随温度而变化，因而使霍尔元件的特性参数（如霍尔电势和输入、输出电阻等）成为温度的函数，导致霍尔传感器产生温度误差。上一页下一页返回８.２霍尔传感器测量电路２.温度误差的补偿为了减小霍尔元件的温度误差，需要对基本测量电路进行温度补偿的改进，可以采用的补偿方法有许多种，常用的有以下方法：采用恒流源提供控制电流，选择合理的负载电阻进行补偿，利用霍尔元件回路的串联或并联电阻进行补偿，也可以在输入回路或输出回路中加入热敏电阻进行温度误差的补偿。上一页下一页返回８.２霍尔传感器测量电路采用温度补偿元件是一种最常见的补偿方法。图８－４所示为采用热敏电阻进行补偿的几种补偿方法。图８－４（ａ）所示为输入回路补偿电路，锑化铟元件的霍尔输出随温度升高而减小的因素，被控制电流的增加（热敏电阻的阻值随温度升高而减小）所补偿。图８－４（ｂ）所示为输出回路补偿电路，负载上得到的霍尔电势随温度升高而减小的因素，被热敏电阻阻值减小所补偿。图８－４（ｃ）所示为用正温度系数的热敏电阻进行补偿的电路。８.２.３集成霍尔元件随着微电子技术的发展，目前霍尔元件多已集成化。集成霍尔元件有许多优点，如体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小且对电流稳定性要求低等。上一页下一页返回８.２霍尔传感器测量电路集成霍尔元件可分为线性型和开关型两大类。前者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，目前已得到广泛的应用，较典型的线性霍尔元件有ＵＧＮ３５０１等。开关型是将霍尔元件、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导通状态，输出变为低电平；当外加磁场低于释放点时，ＯＣ门重新变为高阻状态，输出高电平。这类器件中较为典型的有ＵＧＮ３０２０等。有一些开关型集成霍尔元件内部还包括双稳态电路，这种元件的特点是必须施加相反极性的磁场，电路的输出才能翻转回到高电平，也就是说具有“锁键”功能。上一页下一页返回８.２霍尔传感器测量电路图８－５、图８－７所示分别为集成霍尔元件ＵＧＮ３５０１和ＵＧＮ３０２０的外形尺寸及内部电路框图，图８－６、图８－８分别为其输出电压与磁场的关系曲线。上一页返回８.３霍尔传感器的应用８.３.１应用类型霍尔传感器是由霍尔元件与弹性敏感元件或永磁体结合而形成。它具有灵敏度高、体积小、质量轻、无触点、频响宽（由直流到微波）、动态特性好、可靠性高、寿命长且价格低等优点。因此，在磁场、电流及各种非电量测量、信息处理、自动化技术等方面得到了广泛的应用，归纳起来，霍尔传感器主要有下列３个方面的应用类型。①利用霍尔电势正比于磁感强度的特性来测量磁场及与之有关的电量和非电量。例如，磁场计、方位计、电流计、微小位移计、角度计、转速计、加速度计、函数发生器、同步传动装置、无刷直流电动机和非接触开关等。下一页返回８.３霍尔传感器的应用②利用霍尔电势正比于激励电流的特性可制作回转器、隔离器和电流控制装置等。③利用霍尔电势正比于激励电流与磁感应强度乘积的规律制成乘算器、除算器、乘方器、开方器和功率计等，也可以作混频、调制、斩波和解调等用。８.３.２应用举例１.角位移测量仪角位移测量仪的结构如图８－９所示。霍尔元件与被测物联动，而霍尔元件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电势ＥＨ就反映了转角θ的变化。不过，这个变化是非线性的（ＥＨ正比于ｓｉｎθ）。如要求ＥＨ与θ呈线性关系，必须采用特定形状的磁极。上一页下一页返回８.３霍尔传感器的应用２.霍尔转速表图８－１０所示为霍尔转速表的结构。在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将霍尔元件及磁路系统靠近齿盘，随着齿盘的转动，磁路的磁阻也周期性地变化，测量霍尔元件输出的脉冲频率就可以确定被测物的转速。３.霍尔功率计这是一种采用霍尔传感器进行负载功率测量的仪器，其工作原理如图８－１１所示。由于负载功率等于负载电压和负载电流之乘积，使用霍尔元件时，分别使负载电压与磁感应强度成比例，负载电流与控制电流成比例，显然负载功率就正比于霍尔元件的霍尔电势。上一页下一页返回８.３霍尔传感器的应用８.３.３霍尔元件的其他应用１.霍尔式微压力传感器霍尔式微压力传感器的原理如图８－１２所示。被测压力ｐ使弹性波纹膜盒膨胀，带动杠杆向上移动，从而使霍尔器件在磁路系统中运动，改变了霍尔器件感受的磁场大小及方向，引起霍尔电势的大小和极性的改变。由于波纹膜盒及霍尔器件的灵敏度很高，所以可用于测量微小压力的变化。上一页下一页返回８.３霍尔传感器的应用２.霍尔无触点点火装置传统的汽车气缸点火装置使用机械式的分电器，存在着点火时间不准确、触点易磨损等缺点。采用霍尔开关无触点晶体管点火装置可以克服上述缺点，提高燃烧效率。霍尔无触点点火装置如图８－１３所示，图中的磁轮鼓代替了传统的凸轮及白金触点。发动机主轴带动磁轮鼓转动时，霍尔元件感受到的磁场的极性发生交替改变，它输出一连串与气缸活塞运动同步的脉动信号去触发晶体管功率开关，点火线圈二次侧产生很高的感应电压，火花塞产生火花放电，完成气缸点火过程。上一页下一页返回８.３霍尔传感器的应用３.霍尔元件在无刷直流电动机中的应用这是一种采用霍尔传感器驱动的无触点直流电动机，它的基本原理如图８－１４所示。由图８－１４可知，转子是长度为Ｌ的圆桶形永久磁铁，并且以径向极化，定子线圈分成４组，呈环形放入铁芯内侧槽内。当转子处于如图８－１４中所示位置时，霍尔元件Ｈ１感应到转子磁场，便有霍尔电势输出，其经Ｔ４管放大后便使ＬＸ２通电，对应定子铁芯产生一个与转子成９０°的超前激励磁场，它吸引转子逆时针旋转；当转子旋转９０°以后，霍尔元件Ｈ２感应到转子磁场，便有霍尔电势输出，其经Ｔ２管放大后便使ＬＸ２通电，于是产生一个超前９０°的激励磁场，它再吸引转子逆时针旋转。上一页下一页返回８.３霍尔传感器的应用４.霍尔式接近开关霍尔式接近开关的工作原理如图８－１５所示。在图８－１５（ａ）中，磁极的轴线与霍尔器件的轴线在同一直线上。当磁铁随运动部件移动到距霍尔器件几毫米时，霍尔器件的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，运动部件停止移动。在图８－１５（ｂ）中，磁铁随运动部件沿ｘ方向