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1、1 传感器与检测技术 同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系 主讲教师 苏永清 物理现象观察 霍尔效应 第8章霍尔传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器 1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应 但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用 随着半导体技术的发展 开始用半导体材料制成霍尔元件 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展 霍尔传感器广泛用于电磁测量 压力 加速度 振动等方面的测量 霍尔元件是一种四端元件 定向运动的电子除受到洛仑兹力外 还受到霍尔电场的作用 当fl fE时 达到平衡 此时 霍尔系数 材料确定后为常数 灵敏度系数 对于导体 霍尔系数一般较小 故霍耳
2、元件一般用半导体制作 且愈小 薄 灵敏度愈高 霍尔元件基本结构 由霍尔片 引线和壳体组成 如图所示 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片 引出四个引线 1 1 两根引线加激励电压或电流 称为激励电极 2 2 引线为霍尔输出引线 称为霍尔电极 霍尔元件壳体由非导磁金属 陶瓷或环氧树脂封装而成 在电路中霍尔元件可用两种符号表示 基本电路 RW调节控制电流的大小 RL为负载电阻 可以是放大器的内阻或指示器内阻 霍尔效应建立的时间极短 10 12 10 14S I即可以是直流 也可以是交流 若被测物理量是I B或者IB乘积的函数 通过测量霍尔电势UH就可知道被测量的大小 二 元件特性及其补偿 1 UH I特
3、性 分析 UH I特性曲线是线性的 kI kH成正比 kI 1 d kI大的元件 d小 不能通过较大电流 UH I不一定高 2 UH B特性 当控制电流恒定时 霍尔元件的输出随B增加并不完全是线性关系 B 0 5T时 UH B才呈较好线性 其中Hz 4型元件线性度高 当磁场为交变 电流是直流时 由于交变磁场在导体内产生涡流而输出附加霍尔电势 因此霍尔元件只能在几千Hz频率的交变磁场内工作 2 性能补偿 1 温度补偿 霍尔元件是采用半导体材料制成的 因此它们的许多参数都具有较大的温度系数 当温度变化时 霍尔元件的载流子浓度 迁移率 电阻率及霍尔系数都将发生变化 从而使霍尔元件产生温度误差 1 采
4、用恒温措施 2 UH KHIB 采用恒流源供电 可以使霍尔电势稳定 减小由于输入电阻R随温度t变化而引起的激励电流I变化所带来的影响 3 热敏电阻补偿 霍尔元件一般具有正温度系数 即输出随温度升高而下降 若能使控制电流随温度升高而上升 输入回路串热敏电阻 当温度上升时其阻值下降 使控制电流上升 输出回路补偿负载上得到的霍尔电势随温度上升而下降被热敏电阻阻值减小所补偿 在使用时 热敏电阻或电阻丝最好和霍尔元件封在一起或靠近 使它们温度变化一致 2 不等位电势补偿 当霍尔元件B 0 I 0 UH U0 0 这时测得的空载霍尔电势称不等位电势 产生这一现象的原因有 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等
5、电位面上 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀 两电极电不在同一等电位面上 等电位面歪斜 不等位电势补偿的方法理想情况下 R1 R2 R3 R4 U0 0由于不等位电阻的存在 说明此四个电阻值不相等 则电桥不平衡 为使其达到平衡 可在阻值较大的桥臂上并联电阻 或在两个桥臂上同时并联电阻 四 霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于I B 三个变量的函数 即EH KHIBcos 利用这个关系可以使其中两个量不变 将第三个量作为变量 或者固定其中一个量 其余两个量都作为变量 这使得霍尔传感器有许多用途 1 霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘 也可选取机械系统中的一个齿轮 将线性型霍
6、尔器件及磁路系统靠近齿盘 齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化 霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直 放大 整形后可以确定被测物的转速 霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时 磁力线集中穿过霍尔元件 可产生较大的霍尔电动势 放大 整形后输出高电平 反之 当齿轮的空挡对准霍尔元件时 输出为低电平 霍尔转速传感器在汽车防抱死装置 ABS 中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死 将产生危险 用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小 带有微型磁铁的霍尔传感器 钢质 霍尔 另一种转速测量安装方法 磁性转盘的输入轴与被测转轴相连 当被测转轴转动时 磁性转盘随之转动 固定在磁性转盘附近的霍
7、尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲 检测出单位时间的脉冲数 便可知被测转速 磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率 5 霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷 而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置 其输出信号经放大 整形后触发电子线路 从而控制电枢电流的换向 维持电动机的正常运转 由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题 所以它在录像机 CD唱机 光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用 普通直流电动机使用的电刷和换向器 无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车 可充电电池组 无刷电动机 无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料 三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号 控制逆变桥各功率管通断 使三相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩 具有效率高 无火花 可靠性强等特点 光驱用的无刷电动机内部结构 知识回顾KnowledgeReview
