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1、5.5 霍尔传感器,5.5.1 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UH。这种现象称霍尔效应。,相应的电势UH称为霍尔电势，导体或半导体薄片称为霍尔片或霍尔元件。,利用霍尔效应实现磁电转换的传感器。,霍尔效应的产生是由于电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。,图5-5-1 霍尔效应原理图,每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧，这样在基片两侧面间建立起静电场，电子又受到电场力F的作用：,洛伦兹力：,当F=F时，电子积累处于动态平衡,如图：长为l，宽为b，厚度为d的N型半导体薄
2、片（霍尔基片），沿基片长度通以电流I（激励电流或控制电流），在垂直于半导体薄片平面方向加磁场B，则半导体中载流子电子受到洛仑兹力F的作用。,电子电荷量,半导体中电子运动速度,静电场的电场强度,基片宽度两侧面间由于电荷积累形成的电位差UH，称为霍尔电势，它与霍尔电场强度EH的关系为：,流过基片的电流称为激励电流或控制电流，假设分布均匀，则有：,所以有:,RH：霍尔系数，由材料性质决定的常数，对N型半导体有：,N型半导体载流子浓度,霍尔电势表达式:,霍尔元件的灵敏度,激励电流,磁感应强度,对P型半导体有：,令：,由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度 KH 越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米。
3、,5.2.2 霍尔传感器组成与基本特性,一、霍尔元件,组成：霍尔元件、激励电源、测量电路及产生某种具有磁场特性的装置。,图5-5-2 霍尔元件的结构和符号,组成：霍尔片、引线和壳体。,图b为霍尔元件在电路中的两种符号表示,霍尔片：是一块半导体薄片，多采用N型半导体。,引线：激励电极（短边端面）引线11、霍尔电极（长边端面）引线22。,封装外壳:陶瓷或环氧树脂,图5-5-3 霍尔电压的基本测量电路,二、电路部分,传感器中的基本电路如图所示：,RP调节激励电流的大小,UE提供激励电流（直流交流均可）,RL霍尔元件输出端负载电阻，可以是显示仪表或放大电路的输入电阻,1. 基本电路,图5-5-4 霍尔
4、元件的输出电路,2. 霍尔元件的输出电路,霍尔元件在实际使用时必须加差分放大器（霍尔电势一般在毫伏级）,霍尔元件有两种使用方式：线性测量和开关状态。,3. 输出叠加连接方式,为了增加输出的霍尔电压或功率，在直流激励的情况下，可采用图a的叠加连接方式；,图5-5-5 霍尔元件输出叠加连接方式,控制电流端并联。,RP1、RP2:调节两个元件的输出霍尔电势。,AB端输出电势为单块的2倍。,图5-5-5 霍尔元件输出叠加连接方式,在交流激励的情况下，可采用图b的连接方式；,控制电流端串联,各元件输出端接输出变压器的初级绕组，变压器的次级便有霍尔电势信号叠加值输出。,图5-5-6 霍尔式位移传感器原理示
5、意图,X轴零点位于两磁钢正中间,由极性相反、磁场强度相同的两个磁钢构成一种能产生梯度磁场的磁系统。,三、磁路部分,用于非电量测量的霍尔传感器，通常是通过弹性元件和其他传动机构将待测非电量（力、压力、应变和加速度等）转换为霍尔元件在磁场中的微小位移。,为了获得霍尔电压随位移变化的线性关系，传感器的磁场应具有均匀的梯度变化的特性。,当放置在两磁钢气隙中的霍尔片沿x方向移动时，若控制电流I保持不变，则霍尔电势为：,霍尔元件在梯度磁场中移动时，如保持激励电流I恒定，则霍尔电压就只取决于它在磁场中的位移量,且磁场梯度越大，灵敏度越高，梯度变化越均匀，霍尔电压与位移的关系越接近于线性。,利用这一原理可测量
6、微位移和可转换为微位移的其他量（压力、加速度、振动等）。,四、基本特性,1.霍尔传感器的灵敏度和线性度主要取决于磁路系统和霍尔元件的特性，即磁场梯度的大小和均匀性、霍尔元件的材料几何尺寸、电极的位置与宽度等。,2.提高磁场的磁感应强度B和增大激励电流I，也可获得较大的霍尔电势。但I的增大受到元件发热的限制。,3.霍尔传感器的可动部分只有霍尔元件，而霍尔元件具有小型、坚固、结构简单、无触点、磁电转换惯性小等特点，所以霍尔传感器动态性能好，只有在105Hz以上高频时，才需要考虑频率对输出的影响。,5.5.3 霍尔传感器的应用,一、利用UH与I的关系,可用于直接测量电流和能转换为电流的其它物理量。,
7、当磁场恒定时，在一定温度下，霍尔电势与控制电流有很好的线性关系：,二、利用UH与B的关系,当控制电流一定时，霍尔电势与磁感应强度成正比。,可测量交直流磁感应强度、磁场强度等。,冷轧硅钢片圆环的作用:将被测电流产生的磁场集中到霍尔元件上，以提高灵敏度。,图5-5-7 霍尔式钳形电流表,1冷轧硅钢片圆环 2被测电流导线 3霍尔元件 4霍尔元件引脚,利用霍尔元件制作的钳形电流表可以在不切断电路的情况下测电流。,作用于霍尔片的磁感应强度为：,则可通过测量电流产生的磁场而测得该电流值。,KB电磁转换灵敏度,若Ix为直流，则U0为直流；若Ix为交流，在U0为交流。,霍尔式钳形电流表可用来测量：输电线上的电
8、流；电子束、离子束等无法用普通电流表直接进行测量的电流。,如果被测电流导线在硅钢片圆环上绕几圈，电流表灵敏度便增大几倍，用这种方法可调整霍尔式钳形电流表的灵敏度和量程。,线性集成霍尔片的输出电压为：,K：电流表灵敏度,三、利用UH与IB的关系,若控制电流为I1，磁感应强度B由励磁电流I2产生则，霍尔电势可表示为：,利用上述乘法关系，将霍尔元件与激励线圈、放大器等组合起来，可做成模拟乘法器、开方器、平方器、除法器等各种运算器。,也可测量功率。,图5-5-8 霍尔式功率变换器原理,设被测网络电压为Ub，电流为Ib,两者相位差为,Ub通过电阻R产生霍尔元件的控制电流I，即：,采用霍尔元件作为乘法器实
9、现平均功率运算电路如图。,控制电流I表示成瞬时值，即：,K1：电路转换系数；Ubm：Ub的峰值。,让电流Ib通过激励线圈产生磁场B，即：,KB：转换系数；Ibm：Ib的峰值。,由控制电流i与B使霍尔元件所产生的霍尔电势为：,将i与B的表达式代入，且霍尔电势的输出端接有源滤波器，滤去交流分量则有：,变换电路的输出电压与被测网络的有功功率成正比,5.5.4 测量误差及其补偿办法,图5-5-9 霍尔元件不等位电压示意图,一、零位误差及其补偿,霍尔元件在不加控制电流或不加磁场时出现的霍尔电势称为零位误差。,（1）不等位电压U0,产生原因： 1两个霍尔电极不在同一等位面上； 2霍尔元件电阻率不均匀； 3
10、霍尔元件厚度不均匀；,不等位电压是霍尔传感器的一个主要的零位误差，其数值甚至会超过霍尔电压，所以必须从工艺上设法减小，并采用补偿措施。,补偿的基本思想：把矩形霍尔元件等效为一个四臂电桥，AB为控制电极，CD为霍尔电极，在极间分布的电阻用R1、R2、R3、R4表示，构成电桥的四个臂。,不等位电压相当于该电桥在不满足理想条件R1=R2=R3=R4情况下的不平衡输出电压。,一切使桥路平衡的方法均可作为不等位电压的补偿措施。,图5-5-10 不等位电压补偿原理,在阻值较大的臂上并联电阻,在两个臂上同时并联电阻,（2）寄生直流电势,当霍尔元件通交流控制电流而不加外磁场时，霍尔电势除了交流不等位电压外，还
11、有直流电势分量，称为寄生直流电势。,产生原因： 1霍尔元件的两对电极不是完全欧姆接触而形成整流效应； 2两个霍尔电极的焊点大小不等，热容量不同引起温差；,解决办法：元件制作和安装时，尽量使电极欧姆接触，并做到散热均匀，有良好的散热条件。,它随时间变化，导致输出漂移。,另外：霍尔电极、激励电极和引线布置不合理也会产生零位误差。,二、温度误差及其补偿,产生原因：霍尔元件内阻r、霍尔灵敏度KH随温度变化，故UH随温度改变。,解决办法：选用温度系数较小的材料做霍尔基片；采用适当的补偿电路。,（1）恒流源供电和输入回路并联电阻,由 UH=KHIB 可见恒流源供电可使UH稳定但灵敏度系数KH = RH/d
12、 = /d也是温度的函数：,具体补偿方法:在霍尔元件（具有正温度系数）上并联一分流电阻R，当T增大时霍尔元件输入电阻Ri增大UH 增大；,图5-5-11 恒流源温度补偿电路,并联的温度补偿电阻可由下式求得：,对确定的霍尔片，其参数r0、是确定值。,补偿电阻R可选择负温度系数，当T增大时R减小 IR 增大IH 下降UH下降。,图5-5-12 恒压源温度补偿电路,（2）恒压源供电和输入回路串联电阻,当霍尔元件采用稳压源供电，且霍尔输出端开路状态下工作时，可在输入回路中串入适当电阻来补偿温度误差。,利用等效电源定理，恒流源与补偿电阻R的并联可转换为恒压源与补偿电阻R的串联。,所以，补偿电阻为：,（3
13、）合理选取负载电阻RL的阻值,霍尔元件的输出电阻RL和霍尔电势都是温度的函数，为使UL不随温度变化，要合理选取负载电阻RL的阻值。,令UL对T的导数为0，求解上式得：,图5-5-13 采用热敏元件的温度误差补偿电路,（4）采用温度补偿元件,这是常用的温度误差补偿方法，尤其适用于锑化铟材料的霍尔元件。,补偿霍尔输出具有负温度系数的温度误差,补偿霍尔输出具有正温度系数的温度误差,图示为几种不同的连接方式（热敏元件尽量靠近霍尔元件，使他们具有相同的温度变化）：,热敏电阻RT具有负温度系数，电阻丝具有正温度系数,图5-5-14 桥路补偿电路,（5）不等位电压U0的温度补偿,在霍尔输出端串入温度补偿电桥。,桥路输出随温度变化的补偿电压与霍尔电势相加作为传感器输出。,电桥一臂并联热敏电阻后，电桥输出电压与温度成非线性关系，只要细心调整这个不平衡的非线性电压就可以补偿霍尔片的温度漂移，在40范围内效果较好。,补偿不等位电压U0,第五章 作 业,P1395-1 5-7 5-95-12 5-17 5-20,
