霍尔传感器原理及其应用课件

1、第七章霍尔传感器的原理及应用，7.1概述7.2测量电路及误差分析7.3霍尔传感器的应用电路，7.1概述，霍尔传感器是一种基于霍尔效应的传感器。霍尔效应最早是在1879年由美国物理学家霍尔在金属材料中发现的，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有被应用。随着半导体技术的发展，霍尔元件由半导体材料制成，由于其显著的霍尔效应而得到应用和发展。霍尔传感器是一种基于霍尔效应的传感器，它将被测信号(如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等)进行转换。)转换成电动势输出。霍尔传感器虽然转换率低，但温度影响大，转换精度高时需要温度补偿，具有结构简单、体积小、鲁棒性强、频率响应宽(从DC到微波)、动态范围大(输出电动

2、势变化)、非接触、寿命长、可靠性高、易于小型化和集成化等优点。因此，它被广泛应用于测量技术、自动化技术和信息处理。霍尔元件的结构霍尔元件的外形如图7-1(a)所示，由霍尔片、四根引线和外壳组成。霍尔片为矩形半导体单晶片(一般)，其长度方向的两端面焊接有两条引线A和引线B，称为控制电流端引线，通常使用红色引线。焊接位置称为控制电流电极(或激励电流)，焊接位置的接触电阻要求小且为纯电阻，即欧姆接触(无PN结特性)。两个霍尔输出引线，C和D，以点的形式对称地焊接在薄板的另外两个端面的中间，通常使用绿色引线。焊接部分称为霍尔电极，需要欧姆接触，电极宽度与衬底长度之比小于0.1，否则会影响输出。霍尔元件

3、的外壳由非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。7.1.1霍尔元件的结构霍尔元件的外形如图7-1(a)所示，图7-1(b)是霍尔元件的结构示意图，图7-1(c)是霍尔元件的符号。目前，最常用的霍尔元件材料是半导体材料，如锗(ge)、硅(si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)，以及由不同比例的砷化铟和磷酸铟组成的in型固溶体。20世纪80年代后期，出现了一种新型霍尔元件，它具有霍尔元件超晶格结构(砷化铝/砷化砷)，可以用来测量微磁场。可以说超晶格霍尔元件是霍尔元件的质的飞跃。图7-1霍尔元件命名方法和7.1.2国产霍尔元件模型命名方法，如图7-2所示。7.1.3霍尔传感器的工作原理当半导体晶片置

4、于磁场中时，当其电流方向与磁场方向不一致时，在半导体晶片平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势。这种现象被称为霍尔效应，它被称为霍尔电势，半导体晶片被称为霍尔元件。如图7-3所示，半导体晶片被放置在垂直于外部磁场b的方向上，并且当电流I流过晶片时，将在垂直于电流和磁场的方向上产生霍尔电势。作用在半导体晶片上的磁场越强，霍尔电势越高。图7-3霍尔效应示意图7.1.3霍尔传感器霍尔势的工作原理可以用以下公式表示：霍尔元件灵敏度，表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下的霍尔势大小。从等式(7-1)可以看出，当磁场和环境温度恒定时，霍尔元件输出的霍尔电势与控制电流成比例。类似地，当控制电

5、流和环境温度恒定时，霍尔元件的输出电势与磁感应强度b的乘积成比例。许多类型的传感器可以通过使用上述一些线性关系来制造。然而，只有当磁感应强度小于0.5T时，上述线性关系更好。霍尔元件的主要特性参数如下：1额定控制电流和最大控制电流；2输入电阻和输出电阻；3产品敏感度；4不相等的电位和不相等的电阻；7.2霍尔传感器测量电路及误差分析；7.2.1霍尔传感器测量电路；霍尔元件的基本测量电路如图7-4所示。控制电流I由电压源e提供，r是根据需要改变I大小的调节电阻。施加的外部电场b通常垂直于霍尔元件的平面。控制电流也可以是交流电。图7-4霍尔元件的基本测量电路，7.2.2霍尔传感器的误差分析霍尔元件对

6、温度变化非常敏感，因此，霍尔元件的输入电阻、输出电阻和产品灵敏度都会受到温度变化的影响，给测量带来很大的误差。为了减少测量中的温度误差，除了选择温度系数小的霍尔元件或采取一些恒温措施外，还可以采用以下温度补偿方法。(1)恒流源电源恒流源温度补偿电路，如图7-5所示。图7-5恒流源温度补偿电路，(2)使用热敏元件对于温度系数大的半导体材料制作的霍尔元件，使用图7-6所示的温度补偿电路，即热敏元件(热电阻或热敏电阻)。图7-6(a)是输入回路中的温度补偿电路；图7-6(b)是输出环路中的温度补偿电路。安装测量电路时，最好将热敏元件和霍尔元件封装在一起或尽可能靠近，以使它们的温度变化一致。(a)输入

7、环路中的补偿；补偿在输出电路中进行，如图7-6所示，温度补偿电路使用热敏元件。(3)不等电势的补偿不等电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势。在实践中，消除不平等的潜力是极其困难的，所以补偿是唯一的办法。从图7-7可以看出，不等电位是由不等电阻产生的，因此通过分析电阻可以找到不等电位的补偿方法。图7-7霍尔元件的等效电路，(3)不等电位补偿一个矩形霍尔片有两对电极，相邻电极之间有四个电阻，所以霍尔元件可以看作是一个四臂电阻电桥，如图7-8所示，这样不等电位就相当于电桥的初始不平衡输出电压。理想情况下，不等电势为零，也就是说，电桥是平衡的，这相当于，所以所有能够平衡电桥的方法都可以

8、用来补偿不等电势并使其为零。图7-8电位补偿电路，(1)基本补偿电路霍尔元件不等电位补偿电路有多种形式，图7-9为两种常见电路，图7-9(a)并联在一个导致电桥不平衡的大阻值桥臂上，通过调整使电桥平衡，称为不对称补偿电路；图7-9(b)相当于在两个桥臂上并联电阻，称为对称补偿电路。(a)不对称补偿；(2)对称电路，图7-9非对称电位的基本补偿电路，(2)带温度补偿的补偿电路图7-10是一种常见的带温度补偿的不等电位补偿电路。其中一个电桥是热敏电阻，其温度特性与霍尔元件的等效电路相同。当磁感应强度B为零时，调整和使补偿电压抵消霍尔元件，然后输出不等电势，使B=0时的总输出电压为零。图7-10不等

9、电位电桥补偿电路和霍尔传感器霍尔元件应用电路具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽、动态性能好、寿命长等优点，因此得到广泛应用。在电磁测量中，用于测量恒定或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；在自动检测系统中，它主要用于测量位移和压力。7.3霍尔传感器1的应用电路。霍尔接近开关图7-11霍尔接近开关1。霍尔接近开关2。霍尔式压力传感器由霍尔元件组成的压力传感器基本上包括两个部分：一个是弹性元件，如弹簧管或波纹管，它感测压力并将其转换成位移；另一部分是霍尔元件和磁路系统。图7-13为霍尔压力传感器的结构示意图。弹性元件是弹簧管。当测得的压力发生变化时，弹簧管的末端发生位移，从而

10、驱动霍尔板在均匀的梯度磁场中运动。作用在霍尔板上的磁场改变，输出霍尔电势也相应改变。图7-13霍尔压力传感器示意图3霍尔速度传感器霍尔元件图7-14显示了几种不同结构的霍尔速度传感器。转台的输入轴与被测转轴连接。当被测转轴转动时，转盘随之转动。固定在转盘附近的霍尔传感器可以在每个小磁场通过时产生相应的脉冲，并且可以检测每单位时间的脉冲数，从而知道被测转速。根据磁转盘上小磁铁的数量，可以确定传感器测量速度的分辨率。图7-14霍尔速度传感器4。电机失速报警电机失速报警电路如图7-15所示，主要由霍尔检测电路和报警电路组成。当电机转动时，安装在电机转轴上的磁铁以一定的频率穿过霍尔传感器，霍尔传感器不

11、断输出脉冲信号，使扬声器发出声音。图7-15电机停止报警电路5。霍尔式汽车无触点点火装置传统的机电式气缸点火装置采用机械式分电器，存在点火时间不准确、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。四缸汽车的点火装置如图7-16所示。图中的磁鼓取代了传统的凸轮和铂金触点。图7-16霍尔点火装置5示意图。霍尔式汽车无触点点火装置传统的机电式气缸点火装置采用机械式分电器，存在点火时间不准确、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。四缸汽车的点火装置如图7-16所示。图中的磁鼓取代了传统的凸轮和铂金触点。图7-16霍尔点火装置5示意图。