磁電式傳感器-霍爾傳感器.ppt

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霍爾傳感器HallSensor,霍爾式傳感器是基于霍爾效應(yīng)而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器?；魻柶骷且环N磁敏傳感器，利用半導(dǎo)體元件對(duì)磁場(chǎng)敏感的特性來實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換，它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高(可達(dá)1MHz)，耐振動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。按照霍爾器件的功能可將它們分為：霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件，前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高(可達(dá)級(jí))。采用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)-55～+150℃。,,霍爾傳感器的工作原理,1．霍爾效應(yīng),半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。,當(dāng)有圖示方向磁場(chǎng)B作用時(shí),作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高?；魻栯妱?shì)UH可用下式表示：UH=KHIB,霍爾效應(yīng)演示,當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片A、B方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。,A,B,C,D,,可以推出，霍爾電動(dòng)勢(shì)UH的大小為：,,,式中：kH為靈敏度系數(shù)，kH=RH/d，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小,與材料的物理特性（霍爾系數(shù)）和幾何尺寸d有關(guān)；霍爾系數(shù)RH＝1/(nq)，由材料物理性質(zhì)所決定，q為電子電荷量；n為材料中的電子濃度。為磁場(chǎng)和薄片法線夾角。,,,,結(jié)論：霍爾電勢(shì)與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，則霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì)。,,金屬材料中的自由電子濃度n很高，因此RH很小，不宜作霍爾元件?；魻栐嘤幂d流子遷移率大的N型半導(dǎo)體材料制作。另外，霍爾元件越薄(d越小)，kH就越大，所以通?；魻栐驾^薄。薄膜霍爾元件的厚度只有1左右。,2．霍爾元件,霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片(一般為4mm2mm0.1mm)，經(jīng)研磨拋光，然后用蒸發(fā)合金法或其他方法制作歐姆接觸電極，最后焊上引線并封裝。而薄膜霍爾元件則是在一片極薄的基片上用蒸發(fā)或外延的方法做成霍爾片，然后再制作歐姆接觸電極，焊上引線最后封裝。一般控制端引線采用紅色引線，而霍爾輸出端引線則采用綠色引線?；魻栐臍んw用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。,,,,(a)霍爾元件外形(b)電路符號(hào)(c)基本應(yīng)用電路,3．霍爾元件的主要特性及材料,1)霍爾元件的主要特性參數(shù)(1)靈敏度kH：表示元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下所得到的開路（RL=∞）霍爾電動(dòng)勢(shì)，單位為V/(AT)。,(2)霍爾輸入電阻Ri：霍爾控制電流電極間的電阻值。(3)霍爾輸出電阻Ro：霍爾輸出電極間的電阻值。,(4)霍爾電阻的溫度系數(shù)α：表示在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流的條件下，環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)霍爾元件材料的電阻變化率，單位為%/℃。,1)霍爾元件的主要特性參數(shù)(6)額定控制電流Icm：空氣中的霍爾元件產(chǎn)生允許溫升ΔT=10℃時(shí)的控制電流，一般為幾毫安到幾百毫安。,(7)不等位電勢(shì)U0：外加磁場(chǎng)為0，霍爾元件在額定控制電流下，兩霍爾電極之間的開路電動(dòng)勢(shì)。U0越小越好，一般地，U0小于1mV。（8）不等位電阻r0:r0=U0/Icm。,(5)霍爾電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)β：表示在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流的條件下，環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)霍爾電勢(shì)的相對(duì)變化率單位為%/℃。,3．霍爾元件的主要特性及材料,1)霍爾元件的主要特性參數(shù),(9)霍爾最大允許激勵(lì)電流Imax：以霍爾元件允許最大溫升為限制所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流稱為最大允許激勵(lì)電流。,(10)霍爾寄生直流電勢(shì)UOD：在外加磁場(chǎng)為零、霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí)，霍爾電極輸出除了交流不等位電動(dòng)勢(shì)外，還有一直流電勢(shì)，稱為寄生直流電勢(shì)。,2)霍爾元件的材料鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)和砷化鎵(GaAs)是常見的制作霍爾元件的幾種半導(dǎo)體材料。表6-2所列為制作霍爾元件的幾種半導(dǎo)體材料主要參數(shù)。,電阻率,電子遷移率,不等位電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不可能保證將兩個(gè)霍爾電極對(duì)稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩電極點(diǎn)不能完全位于同一等位面上。,4霍爾元件的誤差及補(bǔ)償,1．霍爾元件的零位誤差與補(bǔ)償霍爾元件的零位誤差是指在無外加磁場(chǎng)或無控制電流的情況下，霍爾元件產(chǎn)生輸出電壓并由此而產(chǎn)生的誤差。它主要表現(xiàn)為以下幾種具體形式。,1)不等位電動(dòng)勢(shì)不等位電動(dòng)勢(shì)是零位誤差中最主要的一種，它是當(dāng)霍爾元件在額定控制電流(元件在空氣中溫升10℃所對(duì)應(yīng)的電流)作用下，不加外磁場(chǎng)時(shí)，霍爾輸出端之間的空載電動(dòng)勢(shì)。,,,此外,霍爾片電阻率不均勻，或片厚薄不均勻，或控制電流極接觸不良都將使等位面歪斜，如圖所示，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動(dòng)勢(shì)。,,2)寄生直流電勢(shì)在無磁場(chǎng)的情況下，元件通入交流電流，輸出端除交流不等位電壓以外的直流分量稱為寄生直流電勢(shì)。產(chǎn)生寄生直流電勢(shì)的原因有兩個(gè)方面：(1)由于控制電極焊接處接觸不良而造成一種整流效應(yīng)，使控制電流因正、反向電流大小不等而具有一定的直流分量。(2)輸出電極焊點(diǎn)熱容量不相等產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于鍺霍爾元件，當(dāng)交流控制電流為20mA時(shí)，輸出電極的寄生直流電壓小于100。,3)感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)是在未通電流的情況下，由于脈動(dòng)或交變磁場(chǎng)的作用，在輸出端產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與霍爾元件輸出電極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比，如圖所示。,4)自激場(chǎng)零電動(dòng)勢(shì)霍爾元件控制電流產(chǎn)生自激場(chǎng)，如圖所示。由于元件的左右兩半場(chǎng)相等，故產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向相反而抵消。實(shí)際應(yīng)用時(shí)由于控制電流引線也產(chǎn)生磁場(chǎng)，使元件左右兩半場(chǎng)強(qiáng)不等，因而有霍爾電動(dòng)勢(shì)輸出，這一輸出電動(dòng)勢(shì)即是自激場(chǎng)零電動(dòng)勢(shì)。,在上述的4種零位誤差中，寄生直流電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)以及自激場(chǎng)零電動(dòng)勢(shì)，是由于制作工藝上的原因而造成的誤差，可以通過工藝水平的提高加以解決。而不等位電動(dòng)勢(shì)所造成的零位誤差，則必須通過補(bǔ)償電路給予克服。,,,在理想情況下R1=R2=R3=R4，即可取得零位電動(dòng)勢(shì)為零(或零位電阻為零)，從而消除不等位電動(dòng)勢(shì)。實(shí)際上，若存在零位電動(dòng)勢(shì)，則說明此4個(gè)電阻不完全相等，即電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)可調(diào)電阻RP或在兩個(gè)臂上同時(shí)并聯(lián)電阻RP和R。,霍爾元件結(jié)構(gòu)及等效電路如圖,,,,霍爾元件零位誤差補(bǔ)償電路,2．霍爾元件的溫度誤差及補(bǔ)償與一般半導(dǎo)體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的性能參數(shù)如輸入、輸出電阻,霍爾常數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電動(dòng)勢(shì)變化，產(chǎn)生溫度誤差。,,,,將溫度每變化1℃時(shí)，霍爾元件輸入電阻或輸出電阻的相對(duì)變化率Ri/Ro稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)，用表示。,,將溫度每變化1℃時(shí)，霍爾電壓的相對(duì)變化率UHt/UH0稱為霍爾電壓溫度系數(shù)，用表示。,幾種溫度誤差的補(bǔ)償方法1)采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻,,,補(bǔ)償基本電路及等效電路如圖,霍爾電壓隨溫度變化的關(guān)系式為：,,,對(duì)上式求溫度的導(dǎo)數(shù)得，要使溫度變化時(shí)霍爾電壓不變，必須使外接電阻：,2)合理選擇負(fù)載電阻RL的阻值霍爾元件的輸出電阻Ro和霍爾電動(dòng)勢(shì)UH都是溫度的函數(shù)(設(shè)為正溫度系數(shù))，當(dāng)霍爾元件接有負(fù)載RL時(shí)，在RL上的電壓為：,3)采用溫度補(bǔ)償元件(如熱敏電阻、電阻絲)這是一種常用的溫度誤差補(bǔ)償方法。由于熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，電阻絲具有正溫度系數(shù)，可采用輸入回路串接熱敏電阻，輸入回路并接電阻絲，或輸出端串接熱敏電阻對(duì)具有負(fù)溫度系數(shù)的銻化銦材料霍爾元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償?？刹捎幂斎攵瞬⒔訜崦綦娮璺绞綄?duì)輸出具有正溫度系數(shù)的霍爾元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。一般來說，溫度補(bǔ)償電路、霍爾元件和放大電路應(yīng)集成在一起制成集成霍爾傳感器。,,5霍爾傳感器的應(yīng)用,1霍爾轉(zhuǎn)速傳感器,,,,,,,,,,,,在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。,,,,,,S,N,霍爾器件,磁鐵,霍爾轉(zhuǎn)速表原理,當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。,,,霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法,只要金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的脈動(dòng)，從而引起霍爾電勢(shì)的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)。,霍爾元件,磁鐵,,,2．位移測(cè)量,B,2．位移測(cè)量,3．霍爾機(jī)械振動(dòng)傳感器,1—霍爾元件；2—平板（非磁性材料）；3—頂桿；4—觸點(diǎn)；5—外殼；6—磁系統(tǒng),觸點(diǎn)4與被測(cè)對(duì)象接觸，整個(gè)組件隨被測(cè)體做機(jī)械振動(dòng)?；魻栐敵龅幕魻栯妱?dòng)勢(shì)可反映出被測(cè)振動(dòng)的頻率和幅度。,3．電流測(cè)量,霍爾鉗形電流表,測(cè)量原理,