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)而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器?；魻柶骷且环N磁敏傳感器，利用半導(dǎo)體元件對磁場敏感的特性來實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換，它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高(可達1MHz)，耐振動，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?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高(可達級)。采用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達-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)強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。,當有圖示方向磁場B作用時,作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軺H可用下式表示：UH=KHIB,霍爾效應(yīng)演示,當磁場垂直于薄片時，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。,A,B,C,D,,可以推出，霍爾電動勢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)強度和單位控制電流時的霍爾電動勢的大小,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。為磁場和薄片法線夾角。,,,,結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強度B成正比，且當B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。,,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。霍爾元件多用載流子遷移率大的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(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)強度和單位控制電流下所得到的開路（RL=∞）霍爾電動勢，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)強度和控制電流的條件下，環(huán)境溫度每變化1℃時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℃時的控制電流，一般為幾毫安到幾百毫安。,(7)不等位電勢U0：外加磁場為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勢。U0越小越好，一般地，U0小于1mV。（8）不等位電阻r0:r0=U0/Icm。,(5)霍爾電動勢的溫度系數(shù)β：表示在一定的磁感應(yīng)強度和控制電流的條件下，環(huán)境溫度每變化1℃時霍爾電勢的相對變化率單位為%/℃。,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)霍爾最大允許激勵電流Imax：以霍爾元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵電流稱為最大允許激勵電流。,(10)霍爾寄生直流電勢UOD：在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極輸出除了交流不等位電動勢外，還有一直流電勢，稱為寄生直流電勢。,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,不等位電動勢產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不可能保證將兩個霍爾電極對稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩電極點不能完全位于同一等位面上。,4霍爾元件的誤差及補償,1．霍爾元件的零位誤差與補償霍爾元件的零位誤差是指在無外加磁場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)不等位電動勢不等位電動勢是零位誤差中最主要的一種，它是當霍爾元件在額定控制電流(元件在空氣中溫升10℃所對應(yīng)的電流)作用下，不加外磁場時，霍爾輸出端之間的空載電動勢。,,,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)生不等位電動勢。,,2)寄生直流電勢在無磁場的情況下，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。產(chǎn)生寄生直流電勢的原因有兩個方面：(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)輸出電極焊點熱容量不相等產(chǎn)生溫差電動勢。對于鍺霍爾元件，當交流控制電流為20mA時，輸出電極的寄生直流電壓小于100。,3)感應(yīng)零電動勢感應(yīng)零電動勢是在未通電流的情況下，由于脈動或交變磁場的作用，在輸出端產(chǎn)生的電動勢。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動勢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)自激場零電動勢霍爾元件控制電流產(chǎn)生自激場，如圖所示。由于元件的左右兩半場相等，故產(chǎn)生的電動勢方向相反而抵消。實際應(yīng)用時由于控制電流引線也產(chǎn)生磁場，使元件左右兩半場強不等，因而有霍爾電動勢輸出，這一輸出電動勢即是自激場零電動勢。,在上述的4種零位誤差中，寄生直流電動勢、感應(yīng)零電動勢以及自激場零電動勢，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。而不等位電動勢所造成的零位誤差，則必須通過補償電路給予克服。,,,在理想情況下R1=R2=R3=R4，即可取得零位電動勢為零(或零位電阻為零)，從而消除不等位電動勢。實際上，若存在零位電動勢，則說明此4個電阻不完全相等，即電橋不平衡。為使其達到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)可調(diào)電阻RP或在兩個臂上同時并聯(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償電路,2．霍爾元件的溫度誤差及補償與一般半導(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，致使霍爾電動勢變化，產(chǎn)生溫度誤差。,,,,將溫度每變化1℃時，霍爾元件輸入電阻或輸出電阻的相對變化率Ri/Ro稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)，用表示。,,將溫度每變化1℃時，霍爾電壓的相對變化率UHt/UH0稱為霍爾電壓溫度系數(shù)，用表示。,幾種溫度誤差的補償方法1)采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻,,,補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：,,,對上式求溫度的導(dǎo)數(shù)得，要使溫度變化時霍爾電壓不變，必須使外接電阻：,2)合理選擇負載電阻RL的阻值霍爾元件的輸出電阻Ro和霍爾電動勢UH都是溫度的函數(shù)(設(shè)為正溫度系數(shù))，當霍爾元件接有負載RL時，在RL上的電壓為：,3)采用溫度補償元件(如熱敏電阻、電阻絲)這是一種常用的溫度誤差補償方法。由于熱敏電阻具有負溫度系數(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具有負溫度系數(shù)的銻化銦材料霍爾元件進行溫度補償?？刹捎幂斎攵瞬⒔訜崦綦娮璺绞綄敵鼍哂姓郎囟认禂?shù)的霍爾元件進行溫度補償。一般來說，溫度補償電路、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,,,,,,,,,,,,在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，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經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。,,,,,,S,N,霍爾器件,磁鐵,霍爾轉(zhuǎn)速表原理,當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，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)生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號。,霍爾元件,磁鐵,,,2．位移測量,B,2．位移測量,3．霍爾機械振動傳感器,1—霍爾元件；2—平板（非磁性材料）；3—頂桿；4—觸點；5—外殼；6—磁系統(tǒng),觸點4與被測對象接觸，整個組件隨被測體做機械振動?；魻栐敵龅幕魻栯妱觿菘煞从吵霰粶y振動的頻率和幅度。,3．電流測量,霍爾鉗形電流表,測量原理,