傳感器原理及工程應(yīng)用

第7章磁電式傳感器

霍爾式傳感器概述傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器

利用霍爾效應(yīng)制成的傳感器稱霍爾式傳感器，是基于磁電轉(zhuǎn)換原理，把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，磁敏元件得到應(yīng)用和發(fā)展，廣泛用于自動(dòng)控制、信息傳遞、電磁場、生物醫(yī)學(xué)等方面的電磁、壓力、加速度、振動(dòng)測量。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動(dòng)態(tài)特性好、壽命長?；魻栐烹娏侩娦盘?hào)霍爾式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速概述霍爾式傳感器7.2霍爾式傳感器7.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器1.霍爾效應(yīng)

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。工作原理：假設(shè)在N型半導(dǎo)體薄片上通以電流I，則半導(dǎo)體中的自由電荷沿著和電流相反的方向運(yùn)動(dòng)，由于在垂直于半導(dǎo)體薄片平面的方向施加磁場B，所以電子受到洛侖茲力FL的作用向一邊偏轉(zhuǎn)，并使該邊形成電子積累，而另一邊則為正電荷的積累,于是形成電場，該電場阻止運(yùn)動(dòng)電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器7.2霍爾式傳感器7.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件1.霍爾效應(yīng)霍爾電勢UH的大小：式中：RH—霍爾系數(shù)（m3/C）I—控制電流（I）B—磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）d—霍爾元件厚度（m）霍爾系數(shù)RH=ρμ，ρ為載流子的電阻率，μ為載流子的遷移率。令：KH=RH/d稱霍爾元件的靈敏度則：UH=KHIB7.2霍爾式傳感器7.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器1.霍爾效應(yīng)

UH=KHIB

霍爾元件的靈敏度KH—就是指單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流作用時(shí)，所能輸出的霍爾電勢的大小當(dāng)控制電流的方向或磁場的方向改變時(shí)，輸出電動(dòng)勢的方向也將改變。但當(dāng)磁場與電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍爾電動(dòng)勢極性不變。如果磁感應(yīng)強(qiáng)度B和元件平面法線成一角度θ時(shí)則作用在元件上的有效磁場是其法線方向的分量：

UH=KHIBcosθ傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器7.2霍爾式傳感器7.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元1.霍爾效應(yīng)1)霍爾電壓UH與材料的性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)公式，材料的ρ、μ大，RH就大。金屬的μ雖然很大，但ρ很小，故不宜做成霍爾元件。在半導(dǎo)體材料中，由于電子的遷移率比空穴的大，且μn>μp，所以霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料。

2)霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。根據(jù)公式d愈小，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄。

3）霍爾電壓UH與控制電流及磁場強(qiáng)度有關(guān)。根據(jù)公式UH正比于I及B。當(dāng)控制電流I恒定時(shí)B愈大UH愈大。當(dāng)磁場改變方向時(shí)，UH也改變方向。同樣，當(dāng)霍爾靈敏度及磁感應(yīng)強(qiáng)度B恒定時(shí)，增加控制電流I，也可以提高霍爾電壓UH的輸出。RH=ρμ討論：7.2霍爾式傳感器7.2.2霍爾傳感器基本電路傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器

霍爾晶體外形矩形薄片有四根引線，兩端加激勵(lì)兩端為輸出；電源E產(chǎn)生控制電流I；負(fù)載RL，R可調(diào),調(diào)節(jié)控制電流，B磁場與元件面垂直。實(shí)測中可把I*B作輸入，也可把I或B單獨(dú)做輸入。而霍爾電勢輸出測量信號(hào)U0

與I或B成正比關(guān)系。2.霍爾元件基本結(jié)構(gòu)7.2霍爾式傳感器7.2.2霍爾傳感器基本電路2.霍爾元件基本結(jié)構(gòu)傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器7.2霍爾式傳感器7.2.3霍爾傳感器的誤差及補(bǔ)償

3.不等位電勢補(bǔ)償

傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器

當(dāng)霍爾元件通以激勵(lì)電流I時(shí)，若磁場B=0，理論上霍爾電勢UH=0,但實(shí)際UH不等于0，這時(shí)測得的空載電勢稱不等位電勢U0。產(chǎn)生的原因：霍爾引出電極安裝不對(duì)稱半導(dǎo)體材料不均勻如圖所示，電橋臂的四個(gè)電阻分別是r1、r2、r3、r4，當(dāng)兩個(gè)霍爾電極c、d處在同一等位面上時(shí)，r1=r2=r3=r4這時(shí)電橋平衡，不等位電勢U0=0，當(dāng)兩個(gè)霍爾電極不在同一等位面上時(shí)，電橋不平衡，不等位電勢不等于零，此時(shí)可根據(jù)c、d兩點(diǎn)電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器7.2霍爾式傳感器7.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件3.不等位電勢補(bǔ)償

傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器7.2霍爾式傳感器7.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件3.不等位電勢補(bǔ)償

傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器7.2霍爾式傳感器7.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件4.霍爾元件溫度補(bǔ)償

溫度誤差產(chǎn)生原因：

霍爾元件的基片是半導(dǎo)體材料，因而對(duì)溫度的變化很敏感。其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數(shù)都是溫度的函數(shù)。 當(dāng)溫度變化時(shí)，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電勢、輸入電阻和輸出電阻等都要發(fā)生變化，從而使霍爾式傳感器產(chǎn)生溫度誤差。

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磁電式傳感器

選用溫度系數(shù)小的元件采用恒溫措施采用恒流源供電恒流源補(bǔ)償：霍爾元件的靈敏系數(shù)也是溫度的函數(shù)，它隨溫度的變化引起霍爾電勢的變化，霍爾元件的靈敏系數(shù)與溫度的關(guān)系:

7.2霍爾式傳感器7.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件4.霍爾元件溫度補(bǔ)償

KH0為溫度T0時(shí)的KH值；ΔT溫度變化量；α霍爾元件的溫度系數(shù)。傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器具體補(bǔ)償方法:在霍爾元件上并聯(lián)一Rp分流，無Rp時(shí)：當(dāng)T增大時(shí)—KH增大—UH

增大;(UH=KHIB)有Rp時(shí)：當(dāng)T增大時(shí)—Ri增大，Ip增大—IH減小—

Rp自動(dòng)加強(qiáng)分流.7.2霍爾式傳感器7.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件4.霍爾元件溫度補(bǔ)償

恒流溫度補(bǔ)償電路大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值時(shí)，它們的霍爾電勢隨溫度的升高而增加（1+α△t）倍。如果讓控制電流I相應(yīng)地減小，能保持KHI不變就抵消了靈敏系數(shù)值增加的影響。

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磁電式傳感器7.2霍爾式傳感器7.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件4.霍爾元件的連接方式

1、連接方式為了得到較大的霍爾電動(dòng)勢輸出，當(dāng)元件的工作電流為直流時(shí)，可把幾個(gè)霍爾元件輸出串聯(lián)起來，但控制電流極應(yīng)該并聯(lián)圖a），輸出的電動(dòng)勢就等于單個(gè)元件的兩倍，不能接成如圖b）的形式。如圖為交流供電情況?？刂齐娏鞫舜?lián)，各元件輸出端接輸出變壓器B的初級(jí)繞組，變壓器的次級(jí)便有霍爾電勢信號(hào)疊加值輸出。7.2霍爾式傳感器7.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件4.霍爾元件的連接方式

傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器霍爾電勢一般為毫伏級(jí)輸出，所以實(shí)際使用時(shí)都采用運(yùn)算放大器將信號(hào)進(jìn)行放大?；魻栐捏w積一般較小?？梢耘c放大電路一起集成在一塊很小的晶片上，便于微型化?；魻栐篌w分為線性測量和開關(guān)狀態(tài)兩種使用方式。7.2霍爾式傳感器7.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件4.霍爾元件輸出電路傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器1.微位移和壓力的測量7.2霍爾式傳感器7.2.2霍爾傳感器的應(yīng)用.傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器測量原理： 霍爾電勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，若磁感應(yīng)強(qiáng)度是位置的函數(shù)，則霍爾電勢的大小就可以用來反映霍爾元件的位置。應(yīng)用：

位移測量、力、壓力、應(yīng)變、機(jī)械振動(dòng)、加速度、測轉(zhuǎn)速

檢缺口檢齒7.2霍爾式傳感器7.2.2霍爾傳感器的應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器霍爾傳感器位移測量原理在兩個(gè)極性相反，磁感應(yīng)強(qiáng)度相同的磁鋼的氣隙中，放置一個(gè)霍爾元件。這種傳感器靈敏度很高，位移量較小，適于測量微位移和機(jī)械振動(dòng)磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線型度越好。7.2霍爾式傳感器7.2.2霍爾傳感器的應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器霍爾壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理b螺旋型波登管c扭轉(zhuǎn)型波登管aC型波登管7.2霍爾式傳感器7.2.2霍爾傳感器的應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器霍爾壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理7.2霍爾式傳感器7.2.2霍爾集成傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器霍爾開關(guān)集成傳感器7.2霍爾式傳感器7.2.2霍爾集成傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用第7章

磁電式傳感器自動(dòng)供水裝置霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車在剎車時(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感