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1、传感与检测技术,武汉理工大学自动化学院,Copyright 2004 WUT. All Rights Reserved.,第七章 霍尔传感器,第一节 霍尔效应 第二节 霍尔元件的基本特性 第三节 霍尔元件的误差及其补偿 第四节 测量电路 第五节 集成霍尔传感器 第六节 霍尔传感器的应用,第一节 霍尔效应,1879年美国物理学家霍尔发现霍尔效应。 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。,半导体中的电子受洛伦兹力FL的作用：,电子又受到霍尔电场的作用力,当达到动态平衡时,霍尔电场强度,X为电荷的迁移率（m2/vs）,霍尔电压为
2、：,令,则,霍尔常数RH等于材料的电阻率与电子迁移率的乘积，金属材料电子迁移率大，但电阻率很小；绝绝材料电阻率极高，但载流子迁移率极低；只有半导体材料适于作霍尔元件，其电阻率和载流子的迁移率都比较大。,目前常用的半导体材料有硅、锗、锑化铟和砷化铟等，这些材料不但有较大的霍尔常数，而且有较好的线性度。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。,KH表示为一个霍尔元件在单位B和电位I时输出霍尔电压的
3、大小。与霍尔常数RH成正比，而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。,则,第二节 霍尔元件的基本特性,一、霍尔元件,二、霍尔元件的基本特性,1. UHB 特性 当控制电流不变时，霍尔电压与磁场具有单值关系，在磁不饱和时，UH与B具有线性关系。如使传感器处于非均匀磁场中，传感器的输出正比于磁感应强度，因此，对凡是能转换为磁感应强度变化的量都能进行测量，如位移、角度、转速和加速度等。,二、霍尔元件的基本特性,2. UH I 特性 特性磁场不变，传感器输出值正比于控制电流值，因此，凡能转换为电流变化的量，均能进行测量。,3. UHIB 特性 传感器输出值正比于磁感应强度和控制
4、电流之积，因此，它可以用于乘法、功率等方面的计算与测量。,霍尔元件主要特性参数：,1. 输入电阻和输出电阻 霍尔元件工作时需要加控制电流，这就需要知道控制电极间的电阻，称输入电阻。霍尔电极输出霍尔电势对外电路来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在205时确定的。,2. 额定控制电流和最大允许控制电流 当霍尔元件自身温升10时所流过的控制电流称为额定控制电流。以元件允许的最大温升为限制所对应的控制电流称为最大允许控制电流。,3. 不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的控制电流为IN时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零
5、。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： （1）霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； （2）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。 （3）控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。,不等位电势是由霍尔电势c和d之间的电阻ro决定的，称为不等位电阻,4. 寄生直流电势,其产生的原因有： （1）控制电极和霍尔电极与基片的连接属于金属与半导体的连接，这种连接是非完全欧姆接触时。会产生整流效应； （2）控制电流和霍尔电势都是交流时，经整流效应，它们各自都在霍尔电极之间建立直流电势。 （3）两个霍尔电极焊点的不一致，造成两焊点热容量、散热状态的不一致，因而引
6、起两电极温度不同产生温差电势，也是寄生直流电势的一部分。,5. 寄生感应电势,当控制电流I为交变电流时，此电流形成的交变磁场在电极引线上要产生寄生感应电势。为了减小寄生感应电势，要求各电极引线尽可能短，且布线合理以减少磁交链。,6. 霍尔电势温度系数,在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1时，霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数。,三、误差及其补偿,1、零位误差及其补偿 霍尔元件在控制电流I=0或磁场B=0时出现的霍尔电压UH，称之为零位误差。,（1）直流寄生电势 霍尔元件控制电流或霍尔电压两引线电极焊点大小不等、热容量不同，或接触不良、欧姆电阻大小不等，因而引起温差电势。提高电极焊点结
7、构上的对称性，保持电极引线接触良好，且散热条件相同，可以减小这种直流寄生电势。,（2）寄生感应电势 当控制电流I为交变电流时，此电流形成的交变磁场在电极引线上要产生寄生感应电势。为了减小寄生感应电势，要求各电极引线尽可能短，且布线合理以减少磁交键。,（3）不等位电势 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势。实用中，若想消除不等位电势极其困难的，因而只有采用补偿的方法。由于不等位电势由不等位电阻产生，因而可以用分析电阻的方法找到一个不等位电势的补偿方法。,霍尔元件不等位电势原理图,（a）不对称电极 （b）电极等效电桥,不等位电势补偿电路,（a）是电阻值较大的桥臂上并联电阻 （
8、b）是在两相邻桥臂上并联电阻，以增加电极等效电桥的对称性。,2、温度误差及其补偿,电路中用一个分流电阻rT与霍尔元件的控制电极相并联。当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动加强分流，减小了霍尔元件的控制电流I，从而达到补偿的目的。,选择温度系数小的霍尔元件 ； 采取恒温措施； 采用恒流源供电 。,四、测量电路,1. 线性型测量电路,U0正比于磁感应强度，输出电压与外加磁感应强度呈线性关系。,2. 开关型测量电路,U0为开关量，差动放大器工作在开环状态。,第三节 集成霍尔传感器及应用,把霍尔元件和测量电路集成在一起组成集成霍尔传感器. 这类传感器具有工作频带宽、响应快、灵敏度高
9、、无触点、体积小等优点。按其功能不同可分为两大类：开关型集成霍尔传感器和线性型集成霍尔传感器。,一、开关型霍尔传感器的组成,输出电平与磁感应强度 之间的关系,开关型集成霍尔传感器输出电平具有迟滞现象，其回差宽度B=BHBL。B越小，电平转移灵敏度就越高；反之，B越大，输出电平抗干扰能力越强。,二、应用,1.国产CS835 霍尔无触点开关,B0，VT导通，V0=0 B=0， VT截止，V0=1 可作安保设备用。集成器件装在门框上，永磁体装门上。门打开时，开关输出高电平，门铃响。,2.国产CS3120高温霍尔传感器的外型结构,第三节 集成霍尔传感器及应用,霍尔式汽车点火器,思考题： 用开关型霍尔传感器测量电动小汽车的路程和速度。,妈妈新开了个淘宝店，欢迎前来捧场 妈妈的淘宝点开了快半年了，主要卖的是毛绒玩具、坐垫、抱枕之类的，但生意一直不是很好，感觉妈妈还是很用心的，花了不少功夫，但是就是没有人气，所以我也来出自己的一份力，帮忙宣传一下。 并且妈妈总是去五亭龙挑最好的玩具整理、发货，质量绝对有保证。 另外我家就在扬州五亭龙玩具城旁边，货源丰富，质量可靠，价格便宜。 欢迎大家来逛逛【扬州五亭龙玩具总动员】 ,个人小广告：,
