霍尔传感器.ppt

1、2020/7/9，1，第九章霍尔传感器，本章主要内容： 1，霍尔传感器的工作原理2，霍尔器件的基本结构和主要技术指标3，霍尔器件的测量电路4，霍尔传感器的例子，2020/7/9，2，概括：霍尔器件是基于霍尔效应的磁力仪，广泛应用。 可以检测磁场及其变化，可以在各种磁场相关时使用。 霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 特点：霍尔器件有很多优点，结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，电功耗小，频率高，抗振动能力强，不怕灰尘、油污、水蒸气或盐雾等污染或腐蚀。 第一节霍尔器件的基本工作原理、2020/7/9、3、霍尔效应原理、2020/7/9、4、霍尔器件、金属片被放置在磁场中，当电流流过时，在与

2、电流和磁场垂直的方向上产生电动势的物理现象被称为霍尔效应。 2020/7/9,5、5、5，图中的材料为型半导体，导电载流子为电子。 由于轴向磁场，电子受到轴负方向的力。 这种力量就是劳伦兹力量。 在FL=evB，FL，2020/7/9，6的大小下，电荷的蓄积必定产生静电场，即霍尔电场，该静电场作用于电子的力FE和洛伦兹力的方向相反，阻止电子的偏转，关于其大小，式中EH为霍尔电场，e为电子电量在FL=FE的情况下，假定电子的累积是不平衡，即、FL、FE、2020/7/9,7、7、7，并且流经霍尔器件的电流为I，则在公式中，ld是垂直于电流方向的截面面积，并且n是每体积的自由电子的数量(载流子浓度

3、)。 当然可以，可以，可以，可以，可以，可以，可以，可以，可以，可以，可以，可以，可以，可以，可以，可以，可以，可以，可以，可以，可以，可以。 由于金属导体内的载流子浓度比半导体内的载流子浓度大，因此半导体空穴系数比导体大。 霍尔系数和灵敏度，2020/7/9,9、9、9、KH是霍尔器件的灵敏度。 由以上讨论可知，霍尔器件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔器件的几何尺寸有关。 一般来说，霍尔器件的灵敏度越大越要求好，从霍尔器件的灵敏度公式可知，霍尔器件的厚度d与KH成反比。 (1)霍尔电压UH与材料的性质有关的n越大，KH越小，霍尔灵敏度越低，n越小，KH越大，但n过小时，施加非常

4、高的电压产生小的电流因此，霍尔器件一般使用n型半导体材料，2020/7/9，1.1，2 )霍尔电压UH与元件的尺寸有关。 d越小，KH越大，空穴灵敏度越高，因此霍尔器件的厚度越薄，但d过小时，元件的投入产出电阻增加。 霍尔电压UH与控制电流和磁场的强度成比例，如果磁场改变方向，方向也会改变。 当2020/7/9、1.2、磁场b与霍尔器件平面的法线形成角度时，由于作用于霍尔器件的有效磁感应强度为B cos，因此，UH=KHIBcos、2020/7/9、1.3、3)p型半导体的多数载流子为空穴，也有霍尔效应，但极性与n型半导体相反。 4 )霍尔电压UH与磁场b和电流I成比例，如果测量UH，则可以用

5、霍尔器件测量b和I的未知量。2020/7/9、1.4、一、霍尔器件的基本构造构成由霍尔板、4根导线和外壳构成，如下所示。第二节霍尔器件的基本结构和主要技术指标，2020/7/9，1.5，国产霍尔器件型号的命名方法，2020/7/9，1.6，二，主要技术指标，1，额定控制电流IC和最大控制电流ICm霍尔器件在空气中产生1.0温度上升时施加的控制电流称为额定控制电流IC。 在相同的磁感应强度下，IC值越大，得到的空穴输出越大。 限霍尔器件IC的主要原因是散热条件。 一般锗元件的最大允许温度是Tm80，硅元件的Tm175。 霍尔器件的温度上升达到Tm时的IC是最大控制电流ICm。、2020/7/9、

6、1.7、霍尔器件的积分灵敏度定义为以单位控制电流和单位磁感应强度霍尔电位输出端开路时的电位值，该单位为V(AT )，反映霍尔器件自身所具有的磁电转化能力，一般越大越好。 2、积分灵敏度KH，其定义，2020/7/9，1.8，3，输入电阻Ri和输出电阻R0，Ri是控制电流流过的电极(简称为控制电极)之间的电阻值，R0是霍尔器件的霍尔电位输出电极(简称为霍尔电极)之间的电阻，单位是。 在没有磁场的B0或室温(20 5)下，可使用欧姆表等进行测量。 在2020/7/9、1.9、额定控制电流Ic下，不施加磁B0的情况下，霍尔电极间的无负载霍尔电位UH0被称为不平衡(不等位)电位，单位为mV。 一般要求

7、霍尔器件的UH1mV，良好霍尔器件的UH小于0.1mV。 不均匀电位与额定控制电流Ic之比为不均匀电阻RM，即4，不均匀电位UM与不均匀电阻RM，2020/7/9，2.0，不平衡电位UH为主要的零误差。 这是因为，工艺上很难保证霍尔器件两侧的电极焊接在同一电位面上。 如下图(a )所示。 如果流过控制电流I，则即使施加磁场，在a、b两电极上在该时刻也存在电位差，将该电位差称为不均匀电位(不平衡电位) UH。 2020/7/9，2.1，在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化为1时，霍尔电位变化的百分率称为霍尔电位温度系数，单位为1。 5、霍尔电位温度系数、2020/7/9、2.2，另一方面，基

8、本测定电路的控制电流I从电源e供给，音量r调节控制电流I的大小。 霍尔器件的输出连接负载电阻RL、RL可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内部电阻。 由于霍尔器件必须通过磁场和控制电流产生霍尔电位UH，所以在测量中，如果把I，第三节霍尔器件的测量电路与b的积，或者I，b作为输入，则霍尔器件的输出电位分别与IB，I或者b成比例。2020/7/9、2.3、为了得到大空穴输出电位，可以采用几种重叠方式。 下图(a )为直流供电，控制电流端并联串联输出。 下图(b )为交流供电，控制电流侧串联电压互感器的重日式榻榻米输出。 连接方式、2020/7/9、2.4，由于载流子浓度等根据温度变化而变化，所以霍尔

9、器件的内部电阻、空穴电位等也根据温度变化而变化。 这种变化的程度因半导体材料而异。 而且温度在某种程度上很高，变化很大。 温度误差是霍尔器件测量中不可忽视的误差。 对于温度变化引起的内阻(输入、输出电阻)的变化，可以补偿输入或输出电路的电阻。 二、温度误差及其补偿，使用2020/7/9、2.5、(一)恒流源供给控制电流，对于上图所示的基本测定电路，使温度从t增加到t，通过霍尔片的电子浓度n增加，使霍尔器件的积灵敏度从KH减少到KH(1T )。 2020/7/9，2.6，另一方面，霍尔器件的输入电阻从Ri减少到Ri (1T )。 其中是Ri的温度系数。 输入电阻的变化使控制电流从IC变化为ICI

10、C，霍尔电位从UHKHICB变化为UH UH KH (1T)(ICIC )B。 UH 0需要IC (1T) (ICIC )、2020/7/9、2.7，为了满足IC (1T) (ICIC )，采用上图所示的以电源为恒流源的测量电路，在电路中并联连接作为并联的补偿电阻r。 根据上图可以得到公式中补偿电阻r的温度系数。 对于2020/7/9、2.8、代入该2式，整理上式，忽略(t )的2项得到的2020/7/9、2.9、特定的霍尔器件，可以用元件残奥仪表调查值，Ri可以没有外部磁场和室温条件直接测量。 因此，只需选择适当的补偿电阻，满足r和上式，即可在输入电路中实现温度误差的补偿。 合理地选择202

11、0/7/9、3.0、(2)负载电阻，如上所述，将负载电阻RL与霍尔电位输出端子连接时，温度设为t时，RL上的电压可以表示为：式中的R0霍尔器件的输出电阻。2020/7/9、3.1、温度从t变化为t时，RL上的电压成为式中霍尔电位的温度系数的霍尔器件输出电阻的温度系数。 为了使UL不受温度变化的影响，必须对UL0、上式进行整理，对于2020/7/9、3.2、特定的霍尔器件，能够简单地得到和R0的值，因此只要负载电阻RL满足上式，就能够在输出电路中实现温度误差的补偿RL通常是放大器的输入电阻和标题内部电阻，其值是一定的，但可以用串行残奥电平电阻调整RL的值。2020/7/9、3.3、(3)热敏器件

12、，用温度系数大的半导体材料(锑化铟等)制作的霍尔器件，最好采用右图所示的温度补偿电路，图中Rt是热敏器件(热阻抗或热敏电阻)。 2020/7/9，3.4，图(a )是用输入电路进行温度补偿的电路，温度变化时，用Rt的变化抵消霍尔器件的积灵敏度KH和输入电阻Ri的变化对霍尔输出电位UH的影响。 2020/7/9，3.5，图(b )是用输出电路进行温度补偿的电路，温度变化时，霍尔电位UH和输出电阻R0的变化对负载电阻RL上的电压UL的影响用Rt的变化抵消。 安装测量电路时，请确保热敏器件和霍尔器件的温度一致。 2020/7/9、3.6、不等电位在霍尔器件施加控制电流不施加磁场时，霍尔电位称为零误差

13、。 解析不均匀电位时，霍尔器件如右图所示相当于桥。 控制电极a、b和霍尔电极c、d可看作电桥的电阻连接点。 分布于这些个之间的电阻器R1、R2、R3和R4构成四臂，并且控制电压可以被认为是桥的操作电压。 三、不等电位补偿，2020/7/9，3.7，理想对应不等电位UM=0，桥的平衡态，此时R1R2R3R4。 若是霍尔器件的UM0，则桥接器处于不平衡状态，此时R1、R2、R3、R4的电阻值有差，UM为桥接器的不平衡输出电压。 如果是平衡桥的方法，则能够成为不均匀电位的补偿方法。 2020/7/9、3.8、(1)基本补偿电路、霍尔器件的非均匀电位补偿电路有多种形式，图9.7是两种常见电路，RW是调

14、节电阻。 基本补偿电路没有考虑温度变化的影响。 温度变化时，需要重新进行平衡调整。 2020/7/9，3.9，(2)具有温度补偿的补偿电路，右图为具有一般温度补偿的非均匀电位补偿电路。 该补偿电路自身也与桥接电路连接，其工作电压被供给霍尔器件的控制电压的一个是热敏电阻Rt，霍尔器件的等效电阻的温度特性相同。2020/7/9、4.0，从该桥的负载电阻RP2取出桥的输出电压(称为补偿电压)的一部分，并与霍尔器件的输出电压反向串联连接。 当磁感应强度b为0时，RP1和RP2被调整为0，使得补偿电压抵消在霍尔器件时输出的不均匀电位，B0时的总输出电压为0。 在2020/7/9、4.1、霍尔器件的动作温

15、度下限T1时，热敏电阻的电阻值为Rt(T1 )。 电位计RP2保持在某个确定的位置，通过调节电位计的RP1调节补偿桥的工作电压，使补偿电压抵消此时的不均匀电位UML，将该时的补偿电压称为一定补偿电压。2020/7/9、4.2、工作温度T1上升到T1 T时，热敏电阻的电阻值是Rt(T1 T )。 RP1不变，通过调整RP2，补偿电压抵消此时的不均匀电位UML UM。 此时的补偿电压实际上包含抵消工作温度为T1时的不均匀电位UML的一定的补偿电压分量和抵消工作温度上升t时的不均匀电位的变化量UM的变化补偿电压分量这两个分量。 2020/7/9、4.3、根据上述讨论，通过采用桥补偿电路，能够在霍尔器

16、件的全温度范围良好地补偿不均匀电位，能够独立调节不均匀电位的一定部分和变化部分的补偿。 因此，可以得到相当高的校正精度。例如，当转换为磁感应强度b的霍尔器件的控制电流I保持恒定时，2020/7/9、4.4、第四节霍尔式传感器能够测定磁感应强度b、位移、角度等能够直接转换为b的物理量，进而在转换为位移或角度之后，间接地转换为b的物理量，例如以霍尔式压力传感器为例进行说明。 图9-9霍尔压力传感器的结构原理图、霍尔压力传感器、霍尔压力传感器由两部分构成。 一部分由于弹性敏感元件的波浪登管用而感觉到压力p，将p变换为弹性元件的位移量x、xKPP。 系数KP是常数。 另一部分是霍尔器件和磁系统，磁系统

17、形成均匀的梯度磁场，如右图所示，因为其动作范围内BKBx，其斜率KB是常数的霍尔器件固定到弹性元件，所以霍尔器件均匀梯度磁场中的位移也是x。 像这样，霍尔电位UH和被检测压力p的关系以uhkhibikbkpk方式表示为KHIKBKPK霍尔式压力传感器的输出灵敏度。 2020/7/9，4.7，二，测量转换为I和b的乘积，右图是霍尔式单相交流电表的基本回路。 若设为输入电压，则霍尔器件的控制电流、负载ZL上的电流经由降压电阻r流过铁元素芯线圈，产生与孔平面垂直的交变磁感应强度b，b与I成比例，即，2020/7/9， 4.8、霍尔输出电位uHKHiCB通过将上式代入上式而获得，求出式中K=KHK1K2常数、uH的平均值时，上式中cos(2t )为零，因此通过测定平均霍尔电位，能够求出负载ZL上的有功功率。 将2020/7/9、4.9、图中的电阻置换为电容器c，使iC产生9.0相移，同样，可以利用霍尔器件测量单相负载下的无功功率。 使用串联的霍尔器件和适当的电路，可以测量三相负载上的有功功率和无功功率。 在本章的总结中，1、在霍尔器件的平面法线方向施加磁感应强度b，经由控制电流引线流过控制电流时，在洛伦兹力的作用下，在2个霍尔电极上出现反极性载流子的蓄积，在霍尔电位输出引线