5.2 霍尔传感器详解.ppt

5.2 霍尔传感器 五邑大学 信息工程学院 5.2 霍尔传感器 5.2.1 霍尔传感器工作原理 5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路 5.2.3 霍尔元件的主要特性参数 5.2.4 霍尔元件误差及补偿 5.2.5 霍尔式传感器的应用 5.2.1 霍尔传感器工作原理 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。 起源：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。 发展：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。 应用：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。 5.2.3 霍尔元件的主要特性参数 当磁场和环境温度一定时： 霍尔电势与控制电流I成正比； 当控制电流和环境温度一定时： 霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比； 当环境温度一定时： 输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比。 霍尔元件的主要特性参数：(1) 输入电阻和输出电阻 输入电阻Ri ：控制电极间的电阻 输出电阻Ro ：霍尔电极之间的电阻 注：测量以上电阻时，应在没有外磁场和室温变化的条件下进行。 Ri ? Ro，Ri、Ro=100~2000?。 (2) 额定控制电流和最大允许控制电流 额定控制电流： 当霍尔元件有控制电流使其本身在空气中产生10℃温升时，对应的控制电流值。 控制电流Ic=(几~几十)mA 最大允许控制电流： 以元件允许的最大温升限制所对应的控制电流值。 改善散热条件可以增大最大允许控制电流。 (3) 不等位电势Uo和不等位电阻ro 不等位电势： 当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。一般U0 ?10mV。 不等位电阻r0： 不等位电势是由霍尔电极 2 和2’之间的电阻。 不等位电势就是控制电流 I 经不等位电阻产生的电压。 不等位电阻 r0= U0 /I 产生不等位电势的原因主要是： ① 霍尔电极安装位置不正确（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。 （均是制造工艺造成的） (4) 寄生直流电势 霍尔元件零位误差的一部分 当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势。 (5) 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。 5.2.4 霍尔元件误差及补偿 1. 不等位电势误差的补偿 2. 温度误差及其补偿 1.不等位电势误差的补偿 把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。 电势的补偿电路 对称电路 2.温度误差及其补偿 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。 减小霍尔元件的温度误差方法 选用温度系数小的元件（如砷化铟）; 采用恒温措施; 采用恒流源供电; 恒流源温度补偿 恒流源温度补偿电路 5.2.5 霍尔式传感器的应用 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 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 产生梯度磁场的示意图 霍尔式压力传感器 霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如图所示。（a）的弹性元件为膜盒，(b)为弹簧片，(c)为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统，如(a)、(b)，也可采用单一磁体，如（c）。? 加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压VH。由事先校准的p～f(VH)曲线即可得到被测压力p的值。 加速度传感器 2.磁场的测量 在控制电流恒定条件下，霍尔电势大小与磁感应强度成正比，由于霍尔元件的结构特点，它特别适用于微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。 3.转数、转速等物理量的测量 按图所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传