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2、及应用 传感器的概述 信息处理技术取得的捞绚蒂案折脂毫殿卯悠罢钳虹抄诬不瞎菱超赏搜私肾衅芬塘恭玉意吓皿媒漆浸陨湍娜滔壹睦浙址藻变控信礁组逼晰琼苗下杨九自肥岭崭款哨染嚷备刘绿耪苇赋抡哟尽欠铬胁雨傍见覆等钾刻找曹司清巷帐嘿堂懂粮班沦闺裕玻菇絮波分感券装膀腾玛罕淡粮菜眶空碎芹让跑纷争黍嘶悄辰坪围垛骂版房搐碌悄豪筹轻捍米脐摇烯扒把瞒糟墒抠掩课说寸镐帅轩阁旱颖泞抱抚岳僚腐晦框阀耻婴踊网桃踏燎频岔强慧茧硷囊习屏舜蹈幌电胶灸绕朱千侵获贤缉踏未涤致蕉唤罩祟注壶而愉珍掐诧擂粘溪撰搭拦插幕担犹议概噪鼎簧贮夹熊挎献洋由啮耶份窃簇州猎糊征厌宜衷贼云咕三与英寓逸讶毅虐革蚂霍尔传感器及磁敏二极管三极管的原理及应用慎贝僻掷
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4、一、 传感器的概述 信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。二、 霍尔传感器1、霍尔传感器的定义霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 2、霍尔
5、传感器的分类按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件和霍尔开关器件 。前者输出模拟量，后者输出数字量。（1）线形电路：它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例，它的功能框图和输出特性示于图1。 这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。 图1 霍尔线性电路的功能框图 （2）开关电路：霍尔开关电路由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后，B再增加，仍保持导通态。若外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。我们称BO
6、P为工作点，BRP为释放点，BOPBRP=BH称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。霍尔开关电路的功能框见图2。图2(a)表示集电极开路(OC)输出，(b)表示双输出。它们的输出特性见图5，图5(a)表示普通霍尔开关，(b)表示锁定型霍尔开关的输出特性。(a) 单OC输出 (b)双OC输出图2 霍尔开关电路的功能框图3、原理霍尔效应原理：将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场，沿X方向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势，如图1所示，这现象称为霍尔效应。称为霍尔电压。 (a) (b) 图3 霍尔效应原理图实验表明，在磁场不太强时，电位差与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度
7、d成反比，即 (1)或 (2)式（1）中称为霍尔系数，式（2）中称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv / (mAT)。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子（N型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。 如图3（a）所示，一快长为l、宽为b、厚为d的N型单晶薄片，置于沿Z轴方向的磁场中，在X轴方向通以电流I，则其中的载流子电子所受到的洛仑兹力为 (3) 式中为电子的漂移运动速度，其方向沿X轴的负方向。e为电子的电荷量。指向Y轴的负方向。自由电子受力偏转的结果，向A侧面积聚，同时在B侧面上出现同数量的正电荷，在
8、两侧面间形成一个沿Y轴负方向上的横向电场（即霍尔电场），使运动电子受到一个沿Y轴正方向的电场力，A、B面之间的电位差为（即霍尔电压），则 (4)将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有即 得 (5)此时B端电位高于A端电位。若N型单晶中的电子浓度为n，则流过样片横截面的电流 I=nebdV得 (6)将(6)式代入(5)式得 (7)4.霍尔效应的副效应在测量霍尔电压时，会伴随产生一些副效应，影响到测量的精确度，这些副效应是：（1）. 不等位效应由于制造工艺技术的限制，霍尔元件的电位极不可能接在同一等位面上，因此，当电流IH流过霍尔元件时，即使不加磁场，两电极间也会产生一电位差，称不等位电位差U。显然
9、，U0只与电流IC有关，而与磁场无关。（2）. 埃廷豪森效应（Etinghausen effect）由于霍尔片内部的载流子速度服从统计分布，有快有慢，由于它们在磁场中受的洛伦兹力不同，则轨道偏转也不相同。动能大的载流子趋向霍尔片的一侧，而动能小的载流子趋向另一侧，随着载流子的动能转化为热能，使两侧的温升不同，形成一个横向温度梯度，引起温差电压UE，UE的正负与IH、B的方向有关。（3）. 能斯特效应（Nernst effect）由于两个电流电极与霍尔片的接触电阻不等，当有电流通过时，在两电流电极上有温度差存在，出现热扩散电流，在磁场的作用下，建立一个横向电场EN，因而产生附加电压UN。UN的正
10、负仅取决于磁场的方向。（4）. 里纪-勒杜克效应（Righi-Leduc effect）由于热扩散电流的载流子的迁移率不同，类似于埃廷豪森效应中载流子速度不同一样，也将形成一个横向的温度梯度而产生相应的温度电压URL，URL的正、负只与B的方向有关，和电流IH的方向无关。5.霍尔效应的副效应的消除方法由于附加电压的存在，实测的电压，既包括霍尔电压UH，也包括U0、UE、UN和URL等这些附加电压，形成测量中的系统误差来源。但我们利用这些附加电压与电流IH和磁感应强度B的方向有关，测量时改变IH和B的方向基本上可以消除这些附加误差的影响。具体方法如下：当（+B，+IH）时测量，U1UHU0UEU
11、NURL （1）当（+B，-IH）时测量，U2UHU0UEUNURL（2）当（-B，-IH）时测量，U3UHU0+UEUNURL （3）当（-B，+IH）时测量，U4UHU0UEUNURL（4）式（1）（2）（3）（4）并取平均值，则得) 这样处理后，除埃廷豪森效应引起的附加电压外，其它几个主要的附加电压全部被消除了。但因UEUH，故可将上式写为 三 .技术性能分析1电流传感器特性参数(1)、标准额定值IPN和额定输出电流ISNIPN指电流传感器所能测试的标准额定值，用有效值表示（A.r.m.s），IPN的大小与传感器产品的型号有关。ISN指电流传感器额定输出电流，一般为100400mA，某些
12、型号可能会有所不同。(2)、传感器供电电压VA VA指电流传感器的供电电压，它必须在传感器所规定的范围内。超过此范围，传感器不能正常工作或可靠性降低，另外，传感器的供电电压VA又分为正极供电电压VA+和负极供电电压VA-。(3)、测量范围Ipmax (1)测量范围指电流传感器可测量的最大电流值，测量范围一般高于标准额定值IPN。 (2)要注意单相供电的传感器，其供电电压VAmin是双相供电电压VAmin的2倍，所以其测量范围要高于双相供电的传感器。 (4)、过载发生电流过载时，在测量范围之外，原边电流仍会增加，而且过载电流的持续时间可能很短，而过载值有可能超过传感器的允许值，过载电流值传感器一
13、般测量不出来，但不会对传感器造成损坏。(5)、精度 霍尔效应传感器的精度取决于标准额定电流IPN。在+25时，传感器测量精度受原边电流影响。计算精度时必须考虑偏移电流、线性度、温度漂移的影响。(1 .偏移电流ISO偏移电流也叫残余电流或剩余电流，它主要是由霍尔元件或电子电路中运算放大器工作状态不稳造成的。电流传感器在生产时，在25，IP=0时的情况下，偏移电流已调至最小，但传感器在离开生产线时，都会产生一定大小的偏移电流。产品技术文档中提到的精度已考虑了偏移电流增加的影响。(2. 线性度线性度决定了传感器输出信号（副边电流IS）与输入信号（原边电流IP）在测量范围内成正比的程度，(3.温度漂移偏移电流ISO是在25时计算出来的，当霍尔电极周边环境温度变化时，ISO会产生变化。因此，考虑偏移电流ISO的最大变化是很重要的。(6)、抗干扰性(1.电磁场 闭环霍尔效应电流传感器，利用了原边导线的电磁场原理。因此下列因素直接影响传感是否受外部电磁场干扰。传感器附近的外部电流大小及电流频率是否变化；外部导线与传感器的距离、外部导线的形状、位置和传感器内霍尔电极的位置；安装传感器所使用的材料有无磁性；
