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1、传感器原理及工程应用,第7章 磁电式传感器,霍尔式传感器,概述,传感器原理及工程应用,第7章磁电式传感器,利用霍尔效应制成的传感器称霍尔式传感器，是基于磁电转换原理，把磁学物理量转换成电信号。 随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。,霍尔式传感器.,霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流I，在薄片垂直方向施加磁感强度B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场 强度B的乘积成比例的电动势。 通电的导体（半导体）放 在磁场
2、中，电流I与磁场B方 向垂直，在导体另外两侧 会产生感应电动势，这种现 象称霍尔效应。,7.2 霍尔式传感器 7.2.1 霍尔效应及霍尔元,1.霍尔效应,工作原理：假设在N型半导体薄片上通以电流I， 则半导体中的自由电荷沿着和电流相反的方向运 动，由于在垂直于半导体薄片平面的方向施加磁 场B，所以电子受到洛仑兹力 FL的作用向一边偏转，并使该 边形成电子积累，而另一边则 为正电荷的积累,于是形成电 场，该电场阻止运动电子的继 续偏转。,7.2 霍尔式传感器 7.2.1 霍尔效应及霍尔元件,1.霍尔效应,霍尔电势UH的大小： 式中： RH霍尔系数（m3/C） I控制电流（I） B磁感应强度（T
3、） d霍尔元件厚度（m） 霍尔系数RH=，为载流子的电阻率，为 载流子的迁移率。 令：KH=RH/d 称霍尔元件的灵敏度 则：UH=KHIB,7.2 霍尔式传感器 7.2.1 霍尔效应及霍尔元,1.霍尔效应,UH=KHIB 霍尔元件的灵敏度KH就是指单位磁感应强度和 单位控制电流作用时，所能输出的霍尔电势的大小 当控制电流的方向或磁场的方向改变时，输出电 动势的方向也将改变。但当磁场与电流同时改变方 向时，霍尔电动势极性不变。 如果磁感应强度B和元件平面法线成一角度时 则作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量： UH=KHIBcos,7.2 霍尔式传感器 7.2.1 霍尔效应及霍尔元,1.霍
4、尔效应,1) 霍尔电压UH与材料的性质有关。根据公式，材料的、大，RH就大。金属的虽然很大，但很小，故不宜做成霍尔元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，且np，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。 2) 霍尔电压UH与元件的尺寸有关。 根据公式d 愈小，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄。 3）霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。根据公式UH正比于I及B。当控制电流I恒定时B愈大UH愈大。当磁场改变方向时， UH也改变方向。同样，当霍尔灵敏度及磁感应强度B恒定时，增加控制电流I，也可以提高霍尔电压UH的输出。,RH=,讨论：,7.2 霍尔式传感器 7.2.2 霍尔传感器基
5、本电路,传感器原理及工程应用,第7章磁电式传感器,霍尔晶体外形矩形薄片有 四根引线，两端加激励两端为 输出；电源E产生控制电流I； 负载RL，R可调,调节控制电流， B磁场与元件面垂直（向里）。 .实测中可把I*B作输入， 也可把I或B单独做输入。 而霍尔电势输出测量信号U0 与I或B成正比关系。,2.霍尔元件基本结构,7.2 霍尔式传感器 7.2.3 霍尔传感器的误差及补偿(式3.不等位电势补偿,传感器原理及工程应用,第7章磁电式传感器,.当霍尔元件通以激励电流I时，若磁场B=0，理论上霍尔电势UH=0,但实际UH不等于0，这时测得的空载电势称不等位电势U0。 产生的原因：,霍尔引出电极安装
6、不对称,半导体材料不均匀,如图所示，电桥臂的四个电阻分别是r1、r2、r3、 r4，当两个霍尔电极c、d处在同一等位面上时， r1=r2=r3=r4这时电桥平衡，不等位电势U0=0，当两 个霍尔电极不在同一等位面上时，电桥不平衡，不 等位电势不等于零，此时可 根据c、d两点电位的高低， 判断应在某一桥臂上并联一 定电阻，使电桥达到平衡， 从而使不等位电势为零。,传感器原理及工程应用,第7章磁电式传感器,7.2 霍尔式传感器 7.2.1 霍尔效应及霍尔元件 3.不等位电势补偿,传感器原理及工程应用,第7章磁电式传感器,7.2 霍尔式传感器 7.2.1 霍尔效应及霍尔元件 3.不等位电势补偿,传感
7、器原理及工程应用,第7章磁电式传感器,7.2 霍尔式传感器 7.2.1 霍尔效应及霍尔元件 4.霍尔元件温度补偿,温度误差产生原因： 霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。 当温度变化时，霍尔元件的一 些特性参数，如霍尔电势、输入电阻 和输出电阻等都要发生变化，从而使 霍尔式传感器产生温度误差。,传感器原理及工程应用,第7章磁电式传感器,选用温度系数小的元件 采用恒温措施 采用恒流源供电 恒流源补偿： 霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系:,7.2 霍尔式传感
8、器 7.2.1 霍尔效应及霍尔元件 4.霍尔元件温度补偿,KH0 为温度T0时的KH值；T温度变化量；霍尔元件的温度系数。,具体补偿方法: 在霍尔元件上并联一Rp分流， 无Rp时： 当T增大时KH增大UH 增大;(UH=KHIB) 有Rp时：当T增大时Ri增大，Ip增大IH减小UH下降， Rp自动加强分流.,7.2 霍尔式传感器 7.2.1 霍尔效应及霍尔元件 4.霍尔元件温度补偿,恒流温度补偿电路,大多数霍尔元件的温度系数是正值时，它们的霍尔电 势随温度的升高而增加（1+t）倍。如果让控制电 流I相应地减小，能保持KHI不变就抵消了灵敏系数值增 加的影响。,7.2 霍尔式传感器 7.2.1
9、霍尔效应及霍尔元件 4.霍尔元件的连接方式,1、连接方式 为了得到较大的霍尔电动势输出，当元件的工作 电流为直流时，可把几个霍尔元件输出串联起来，但 控制电流极应该并联图a），输出的电动势就等于单 个元件的两倍，不能接成如图b）的形式。,如图为交流供电情况。控制电流端串联，各元 件输出端接输出变压器B的初级绕组，变压器的 次级便有霍尔电势信号叠加值输出。,7.2 霍尔式传感器 7.2.1 霍尔效应及霍尔元件 4.霍尔元件的连接方式,霍尔电势一般为毫伏级输出，所以实际使用时都采用运 算放大器将信号进行放大。霍尔元件的体积一般较小。 可以与放大电路一起集成在一块很小的晶片上，便于微 型化。霍尔元件
10、大体分为线性测量和开关状态两种使用 方式。,7.2 霍尔式传感器 7.2.1 霍尔效应及霍尔元件 4.霍尔元件输出电路,7.2 霍尔式传感器 7.2.2 霍尔传感器的应用.,传感器原理及工程应用,第7章磁电式传感器,优点: 结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长 应用： 电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功 功率、无功功率、相位、电能等参数； 自动检测系统：多用于位移、压力的测量。,1. 微位移和压力的测量,7.2 霍尔式传感器 7.2.2 霍尔传感器的应用.,传感器原理及工程应用,第7章磁电式传感器,测量原理： 霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍
11、尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。 应用： 位移测量、力、压力、应变、 机械振动、加速度、 测转速,检缺口 检齿,7.2 霍尔式传感器 7.2.2 霍尔传感器的应用.,传感器原理及工程应用,第7章磁电式传感器,7.2 霍尔式传感器 7.2.2 霍尔传感器的应用,传感器原理及工程应用,第7章磁电式传感器,霍尔传感器位移测量原理,在两个极性相反，磁感应强度相同的磁钢的气 隙中，放置一个霍尔元件。,这种传感器灵敏度很高，位移量较小，适于测量微位移和机械振动,磁场梯度越大，灵敏度越高； 磁场梯度越均匀，输出线型 度越好。,霍尔压力传感器结构原理,b 螺旋型波登管,c 扭转型波登管,a C型波登管,霍尔压力传感器结构原理,7.2 霍尔式传感器 7.2.2 霍尔集成传感器,传感器原理及工程应用,第7章磁电式传感器,霍尔开关集成传感器,7.2 霍尔式传感器 7.2.2 霍尔集成传感器,传感器原理及工程应用,第7章磁电式传感器,自动供水装置,
