霍尔传感器的工作原理及应用.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,5.2.1,霍尔传感器工作原理,半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称,霍尔效应,。,产生的电动势称,霍尔电势,半导体薄片称,霍尔元件,上一页,下一页,返 回,霍尔效应原理,上一页,下一页,返 回,载流子受洛仑兹力,霍尔电场强度,平衡状态,电子运动平均速度,上一页,下一页,返 回,因为,霍尔电势,霍尔常数,霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：,金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，,所以金属材料不宜制作霍尔元件。,霍尔电势与导体厚度,d,成反比：,为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。,霍尔元件灵敏度（灵敏系数）,半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，,因此,N,型半导体,较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，,上一页,下一页,返 回,5.2.2,霍尔元件的结构和基本电路,霍尔元件,上一页,下一页,返 回,图（,a,）中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中,1-1,电极用于加控制电流，称控制电极。另一对,2-2,电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。,图（,b,）是霍尔元件通用的图形符号。,图（,c,）所示，霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。,图（,d,）是基本测量电路。,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,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。,上一页,下一页,返 回,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,：控制电极间的电阻,输出电阻,：霍尔电极之间的电阻,(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,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,上一页,下一页,返 回,(3),不等位电势,U,o,和不等位电阻,r,o,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。,不等位电势是由霍尔电极,2,和之间的电阻决定的，,r,0,称,不等位电阻,上一页,下一页,返 回,霍尔元件的主要特性参数,(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,控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。,两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势,(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,度时，霍尔电势变化的百分率。,上一页,下一页,返 回,5.3.4,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,上一页,下一页,返 回,1.,不等位电势误差的补偿,可以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,。,上一页,下一页,返 回,电势的补偿电路,对称电路,当温度变化时，补偿的稳定性要好些,上一页,下一页,返 回,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。,上一页,下一页,返 回,减小霍尔元件的温度误差,选用温度系数小的元件,采用恒温措施,采用恒流源供电,上一页,下一页,返 回,恒流源温度补偿,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,K,H0,为温度,T,0,时的,K,H,值；,温度变化量；,霍尔电势的温度系数。,上一页,下一页,返 回,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。,同时，让控制电流,I,相应地减小，能保持,K,H,I,不变就抵消了灵敏系数值增加的影响。,恒流源温度补偿电路,当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，,旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流,上一页,下一页,返 回,控制电流,温度升到,T,时，电路中各参数变为,上一页,下一页,返 回,温度为,T,0,时,霍尔元件输入电阻温度系数；,分流电阻温度系数。,为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足,:,升温前、后的霍尔电势不变，,经整理，忽略 高次项后得,上一页,下一页,返 回,当霍尔元件选定后，它的输入电阻 和温度系数 及霍尔电势温度系数 可以从元件参数表中查到（可以测量出来），用上式即可计算出分流电阻 及所需的分流电阻温度系数 值。,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。,上一页,下一页,返 回,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,上一页,下一页,返 回,产生梯度磁场的示意图,位移量较小，适于测量微位移和机械振动,上一页,下一页,返 回,霍尔式压力传感器,弹簧管,磁铁,霍尔片,上一页,下一页,返 回,加速度传感器,上一页,下一页,返 回,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。,霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线方向之间夹角的函数。,应用：,霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器,上一页,返 回,