《霍爾傳感器》PPT課件

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1、 主 要 內(nèi) 容 ： 基 本 磁 學 量 及 測 量 方 法磁 電 感 應 式 傳 感 器霍 爾 式 傳 感 器 . 4.1 基 本 磁 學 量 及 測 量 方 法一 、 基 本 磁 學 量 磁 感 應 強 度 B 磁 場 強 度 H 磁 通 磁 化 強 度 M 4.1基 本 磁 學 量 及 測 量 方 法磁 感 應 強 度 B:某 處 垂 直 于 磁 場 的 電 流 元 所 受 的 力 為 該 處 磁 感 應 強度 的 大 小 ， 即 idlFB 在 國 際 單 位 制 中 B的 單 位 為 T（ 特 斯 拉 ） ， 即 TmWmANB b 2GsT 4101 在 電 磁 單 位 制 中 ，

2、 B的 單 位 為 GS（ 高 斯 ） ， 其 關 系 為 4.1基 本 磁 學 量 及 測 量 方 法 磁 場 強 度 H 單 位 點 磁 荷 在 所 在 處 受 磁 場 力 的 大 小 ， 其 方 向 與正 磁 荷 在 該 處 所 受 磁 場 力 的 方 向 一 致 。 設 點 磁 極 的 磁 荷 為 ， 它 在 磁 場 某 處 受 力 為 F， 該處 磁 場 強 度 為 mq mqFH /在 國 際 單 位 制 中 ， H的 單 位 為 A/m（ 安 每 米 ） .在 電 磁 單 位 制 中 ， H的 單 位 為 Oe（ 奧 斯 特 ） ， 關 系 為OemA 3104/1 4.1基 本

3、 磁 學 量 及 測 量 方 法 磁 通 (磁 力 線 、 磁 感 應 線 ） 規(guī) 定 穿 過 某 一 閉 合 輪 廓 界 定 面 S的 磁 感 應 線 的 數(shù) 目 為 與 該 面（ 或 閉 合 輪 廓 ） 相 交 鏈 的 磁 通 量 ,其 表 達 式 為 SBdS式 中 ， dS為 面 積 元 矢 量 。 的 正 方 向 與 閉 合 輪 廓 的 繞 行 方 向 符 合 右 手螺 旋 定 則 ， 即 與 界 定 面 的 正 法 線 方 向 一 致 。在 國 際 單 位 制 中 ， 磁 通 的 單 位 為 （ ） ， 或 稱 Wb（ 韋 伯 ） 。在 電 磁 單 位 制 中 ， 磁 通 的 單

4、位 為 Mx（ 麥 克 斯 韋 ） ， 其 關 系 為 2mT 2米特 斯 拉 MxWb 8101 4.1基 本 磁 學 量 及 測 量 方 法 磁 化 強 度 M為 描 述 磁 介 質(zhì) 的 磁 化 狀 態(tài) ， 磁 化 強 度 矢 量 定 義 為單 位 體 積 內(nèi) 分 子 磁 矩 的 矢 量 和 ， 即VmM i式 中 為 體 積 內(nèi) 所 有 分 子 磁 矩 的 矢 量 和 。在 國 際 單 位 制 中 ， M的 單 位 為 A/m（ 安 每米 ） ， 其 電 磁 單 位 制 的 關 系 為 im V CGSMmA 310/1 4.1基 本 磁 學 量 及 測 量 方 法二 、 測 量 方 法

5、 介 紹 力 和 力 矩 法 利 用 鐵 磁 體 或 載 流 體 在 磁 場 中 受 的 力進 行 測 量 ， 是 一 種 經(jīng) 典 的 測 量 方 法 。 電 磁 感 應 法 以 法 拉 第 電 磁 感 應 定 律 為 基 礎 ， 是 一種 基 本 的 測 量 方 法 。 它 可 用 于 測 量 直 流 磁 場 ， 交 流 磁場 和 脈 沖 磁 場 。 霍 爾 效 應 法 利 用 半 導 體 內(nèi) 載 流 子 在 磁 場 中 受 力作 用 進 行 磁 場 測 量 的 方 法 。 磁 阻 效 應 法 利 用 物 質(zhì) 在 磁 場 作 用 下 電 阻 發(fā) 生 變化 的 特 性 進 行 磁 場 測 量

6、的 方 法 。 4.1基 本 磁 學 量 及 測 量 方 法 磁 通 門 法 利 用 鐵 磁 材 料 的 交 流 飽 和 磁 特 性 對 恒 定 磁場 進 行 測 量 的 方 法 。 磁 共 振 法 利 用 某 些 物 質(zhì) 在 磁 場 中 選 擇 性 地 吸 收 或 輻射 一 定 頻 率 的 電 磁 波 ， 引 起 微 觀 粒 子 （ 核 、 電 子 及 原 子 ）的 共 振 躍 遷 來 進 行 測 量 的 方 法 。 弱 連 接 超 導 效 應 法 利 用 超 導 弱 連 接 的 磁 通 量 子 化或 約 瑟 夫 遜 效 應 制 成 的 磁 強 計 ， 稱 為 超 導 量 子 干 涉 儀 ，

7、是 目 前 世 界 上 最 靈 敏 的 磁 強 計 ， 主 要 用 于 測 量 微 弱 磁 場 。 磁 光 法 利 用 傳 光 材 料 在 磁 場 作 用 下 的 法 拉 第 磁 光 效應 和 磁 致 伸 縮 效 應 等 進 行 磁 場 測 量 的 方 法 。 基 于 這 種 方法 的 光 纖 傳 感 器 具 有 獨 特 優(yōu) 點 ， 可 用 于 惡 劣 環(huán) 境 下 的 磁場 測 量 磁 感 強 度 與 磁 場 源 的 分 布 磁 電 式 傳 感 器機械能 電 量 原 理 法 拉 第 電 磁 感 應 定 律 線 圈 所 交 鏈 的 磁 通 發(fā) 生 變 化 時 ， 線 圈 中 將 產(chǎn) 生 感 應

8、電 動 勢 dtdBNSdtde edtNSB 1 l磁 場 檢 測 方 法 1.固 定 線 圈 法 ： 用 于 測 交 變 磁 場 的 探 測 線 圈 固 定 在 被 測 磁 場 中 某 位 置 不 變 。2.拋 移 線 圈 法 :將 線 圈 從 被 測 場 位 置 迅 速 移 動 到 無 磁 場 處 ， 主 要 測 恒 定 磁 場 。3.旋 轉(zhuǎn) 線 圈 法 （ 測 量 發(fā) 電 機 法 ） ： 適 用 于 測 量 恒 定 磁 場 。 n 磁 敏 元 件 基 于 磁 電 轉(zhuǎn) 換 原 理 ,60年 代 西 門 子 公司 研 制 了 第 一 個 磁 敏 元 件 ,68年 索 尼 公 司 研 制 成

9、磁 敏 二 極 管 ,目 前 磁 敏 元 件 應 用 廣 泛 。 磁 敏 元 件磁 敏 傳 感 器 主 要 有 ： 磁 敏 電 阻 ； 磁 敏 二 極 管 ； 磁 敏 三 極 管 ； 霍 爾 式 磁 敏 傳 感 器 。 磁 敏 傳 感 器磁學量 電信號 霍 爾 傳 感 器 就 是 基 于 霍 爾 效 應 ， 把 一 個 導 體（ 半 導 體 薄 片 ） 兩 端 通 以 控 制 電 流 I， 在 薄 片 垂 直方 向 施 加 磁 感 強 度 B的 磁 場 ， 在 薄 片 的 另 外 兩 側(cè) 會產(chǎn) 生 一 個 與 控 制 電 流 I和 磁 場 強 度 B的 乘 積 成 比 例的 電 動 勢 . 通

10、 電 的 導 體 （ 半 導 體 ） 放 在 磁 場 中 ， 電 流 I與 磁場 B方 向 垂 直 ， 在 導 體 另 外 兩 側(cè) 會 產(chǎn) 生 感 應 電 動 勢 ，這 種 現(xiàn) 象 稱 霍 爾 效 應 。 HU 在 磁 場 中 導 體 自 由 電 子 在 磁 場 的 作 用 下 做 定 向 運 動 。 每 個 電 子 受 洛 侖 茲 力 作 用 被 推 向 導 體 的 另 一 側(cè) ： LF e B HH UE b霍 爾 電 場 H HF eE霍 爾 電 場 作 用 于 電 子 的 力 當 兩 作 用 力 相 等 時 電 荷 不 再 向 兩 邊 積 累 ， 達 到 動 態(tài) 平 衡 ： H LF

11、F HeE e BI ne bd通 過 （ 半 ） 導 體 薄 片 的 電 流 I與 載 流 子 濃 度 n， 電 子 運 動 速 度 v， 薄 片 橫 截 面 積 b*d 有 關 ： HU Bb霍 爾 電 勢 ： H H HIB IBU Bb R K IBned d 1HR ne HH RK d霍 爾 系 數(shù)靈 敏 度 討 論 ： 任 何 材 料 在 一 定 條 件 下 都 能 產(chǎn) 生 霍 爾 電 勢 ， 但 不 是 都 可 以 制 造 霍 爾 元 件 絕 緣 材 料 電 阻 率 很 大 ， 電 子 遷 移 率 很 小 ， 不 適 用 ； 金 屬 材 料 電 子 濃 度 很 高 ， RH很

12、小 ， UH很 小 。 半 導 體 電 子 遷 移 率 一 般 大 于 空 穴 的 遷 移 率 ， 所 以 霍 爾 元 件 多 采 用 N型 半 導 體 （ 多 電 子 ） 。 v由 上 式 可 見 ， 厚 度 d越 小 ， 霍 爾 靈 敏 度 KH 越 大 ， 所 以 霍 爾 元 件 做 的 較 薄 ， 通 常 近 似 1微 米 。 霍 爾 元 件 符 號 霍 爾 晶 體 外 形 矩 形 薄 片 有 四 根 引 線 ， 兩 端 加 激 勵 兩 端 為 輸 出 ； 電 源 E， 控 制 電 流 I； 負 載 RL， R可 調(diào) 保 證 控 制 電 流 ， B磁 場 與 元 件 面 垂 直 （ 向

13、 里 ） 。 實 測 中 可 把 I或 B單 獨 做 輸 入 也 可 把 I*B作 輸 入 。 通 過 霍 爾 電 勢 輸 出 測 量 結(jié) 果 。 輸 出 Uo與 I或 B成 正 比 關 系 。 外 形 特 點 ： 四 端 元 件 ,一 對 控 制 極 ， 一 對 輸 出 極 ； 性 能 特 點 ： 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 體 積 小 ； 頻 帶 寬 ； 非 接 觸 測 量 ， 壽 命 長 。但 溫 度 特 性 差 ， 轉(zhuǎn) 換 效 率 低 。 電 阻 相 對 變 化溫 度 低 -溫 度 高升 溫 減 小負 溫 度 系 數(shù)升 溫 增 大正 溫 度 系 數(shù) 溫 度 低 -溫 度 高霍 耳 電 壓 相

14、對 變 化砷 化 銦硅 鍺碲 化 銦鍺溫 度 特 性 磁 特 性 ： UH-B特 性 ： I一 定 UH-I特 性 ： B一 定 Ri -B ,Ro-B特 性 ： 磁 阻 效 應 InSb霍 爾 元 件 的 輸 出 特 性UH-B特 性 ：I一 定 GaAs霍 爾 元 件 的 輸 出 特 性 UH-B特 性 ： 特 性 參 數(shù) ：w輸 入 /輸 出 電 阻 ： Ri , RO (B=0, T一 定 ）w溫 度 系 數(shù) (霍 爾 電 壓 系 數(shù) ， 電 阻 系 數(shù) )w額 定 激 勵 電 流 /最 大 激 勵 電 流 ： IN/Imw最 大 磁 感 應 強 度 ： Bmw霍 爾 靈 敏 度 ：

15、KHw不 等 位 電 勢 ： U no (1)不 等 位 電 勢 當 霍 爾 元 件 通 以 激 勵 電 流 I時 ， 若 磁 場 B=0， 理 論 上霍 爾 電 勢 UH=0,但 實 際 UH不 等 于 0， 這 時 測 得 的 空 載 電勢 稱 不 等 位 電 勢 U0。 產(chǎn) 生 的 原 因 ：霍 爾 引 出 電 極 安 裝 不 對 稱 半 導 體 材 料 不 均 勻 (1)不 等 位 電 勢 u 不 等 位 電 勢 的 補 償 (2)溫 度 誤 差 及 補 償霍 爾 元 件 是 半 導 體 元 件 ， 它 的 許 多 參 數(shù) 與 溫 度 有 關 。當 溫 度 T變 化 時 ， 載 流 子

16、 濃 度 n、 遷 移 率 、 電 阻 率 ，霍 爾 系 數(shù) RH 都 會 變 化 。幾 種 補 償 方 法 ： 1、 恒 流 源 激 勵 ， 消 除 Ri受 溫 度 影 響 。 2、 輸 入 回 路 串 入 電 阻 ， 消 除 UH受 溫 度 影 響 。 3、 選 取 合 適 負 載 電 阻 ， 消 除 Ro UH受 溫 度 影 響 。 2.利 用 輸 入 回 路 串 電 阻 進 行 補 償UHB - + - 等 效 電 路 )1(0 tRR HHt 在 t度 下 霍 耳 系 數(shù) ： tRR HH 0)1(0 tRR iit 在 t度 下 輸 入 電 阻 ： tRR ii 0 itHtHtH

17、 RR EBdRdIBRU 由 itRR EI 得 tRR EBdRtdtdUU itHtHH )( tRRRU i iH )( 0 00 溫 度 引 起 的 霍 耳 電 壓 增 量 :顯 然 ,當 時 ,溫 度 變 化 不 引 起 的 霍 耳 電 壓 輸 出 。RRR i i 0 0結(jié) 論 ：輸 入 補 償 電 阻 數(shù) 值 ： （ 補 償 前 提 ： ） )(0 iRR 3.利 用 輸 出 回 路 的 負 載 進 行 補 償UHB - + - 等 效 電 路恒 流 源 恒 流 源 )1( 0 tUU HHt 在 t度 下 霍 耳 電 壓 ： )1(0 tRR OOt 在 t度 下 輸 出 電

18、 阻 ：LOt LHtL RR RUU LO LHLOt LHtL RtR RtURR RUU )1()1( 00 0dtdU L 對 上 式 求 導 ， 令 ， 即 輸 出 電 壓 對 溫 度 t的變 化 率 為 零 ， 得 ： 0OLRR結(jié) 論 ： 用 負 載 進 行 溫 度 補 償 所 需 負 載 電 阻 為 ： 0OL RR (1)測 轉(zhuǎn) 速 (2) 測 磁 場(3)位 移 測 量 (4)壓 力 測 量(5)開 關 （ 6)測 電 流檢 缺 口 檢 齒 磁 場 測 量 w磁 場 測 量w 霍 爾 器 件 檢 測 磁 場 的 方 法 最 簡 單 ， 將霍 爾 器 件 放 在 被 測 磁

19、場 中 ， 令 磁 力 線 和 器 件表 面 垂 直 ， 通 電 后 即 可 由 輸 出 電 壓 得 到 被 測磁 場 的 磁 感 應 強 度 。 若 不 垂 直 ， 則 應 求 出 其垂 直 分 量 來 計 算 被 測 磁 場 的 磁 感 應 強 度 值 。 因 霍 爾 元 件 的 尺 寸 極 小 ， 可 以 進 行 多點 檢 測 ， 并 可 對 狹 縫 ， 小 孔 中 的 磁 場 進 行 檢測 。 霍 爾 傳 感 器 位 移 測 量 原 理 產(chǎn) 生 梯 度 磁 場 的 磁 系 統(tǒng) 和 霍 爾 位 移 傳 感 器 的 靜 態(tài) 特 性 霍 爾 位 移 傳 感 器 霍 爾 壓 力 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 原 理 1 集 成 霍 爾 元 件 線 性 集 成 電 路 (測 位 移 、 測 振 動 ) 開 關 集 成 器 件 (測 轉(zhuǎn) 速 、 開 關 控 制 、 判 斷 N S極 性 ) B 、 B 形 成 切 換 回 差 ,這 是 位 置 式 作 用 傳 感 器 的特 點 , 作 無 觸 點 開 關 時 可 防 止 干 擾 引 起 的 誤 動 作 。 形成切換回差 2 應 用 ： 無 觸 點 開 關 2 應 用 ： 接 口 電 路 霍 爾 電 流 傳 感 器 霍 爾 零 磁 通 電 流 傳 感 器 本 章 要 點 ：