霍爾效應(yīng)傳感器變換原理

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng),但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件,由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。霍爾傳感器廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。一、霍爾效應(yīng)及霍爾元件1.霍爾效應(yīng)置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體,當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時,載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢,這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢稱霍爾電勢。基本原理任何帶電質(zhì)點(diǎn)在磁場中沿著和磁力線垂直的方向運(yùn)動，都要受到磁場力fm的作用（洛侖磁力），其值大?。?/p>

Fm=eBve——電子電荷;v——電荷運(yùn)動平均速度;B——磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向—左手定則

空穴收力F的方向是向上的,此時空穴除了沿電流方向作定向運(yùn)動外,還在F的作用下向上漂移,結(jié)果使金屬導(dǎo)電板上底面積累空穴,而下底面積累負(fù)電荷,從而形成了附加內(nèi)電場EH,稱霍爾電場,該電場強(qiáng)度為

EH=

式中UH為電位差,b為上、下極板距離。霍爾電場的出現(xiàn),使定向運(yùn)動的電子除了受洛侖磁力作用外,還受到霍爾電場的作用力,其大小為eEH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著上、下底面積累電荷的增加,霍爾電場增加,電子受到的電場力也增加,當(dāng)電子所受洛侖磁力與霍爾電場作用力大小相等、方向相反時,即（霍爾電場力）eEH=evB（洛侖磁力）則EH=vBEH——霍爾電場強(qiáng)度；v——電荷運(yùn)動平均速度；B——磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度3）N型半導(dǎo)體在磁場和電流方向相同的情況下，所產(chǎn)生的霍爾電勢與P型相反。實(shí)驗(yàn)證明，霍爾電勢UH的大小和控制電流i及磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。即：

UH=kiBsinα

k—霍爾系數(shù)，取決于溫度、材質(zhì)和尺寸；α為電流和磁場方向的夾角改變i和B或兩者都改變，霍爾電勢發(fā)生變化。三、霍爾元件基本特性1）額定激勵電流和最大允許激勵電流當(dāng)霍爾元件自身溫升10℃時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而增加,所以,使用中希望選用盡可能大的激勵電流,因而需要知道元件的最大允許激勵電流,改善霍爾元件的散熱條件,可以使激勵電流增加。2）輸入電阻和輸出電阻激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢對外電路來說相當(dāng)于一個電壓源,其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零且環(huán)境溫度在20℃±5℃時確定的。

3）不等位電勢

當(dāng)霍爾元件的激勵電流為I時,若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,則它的霍爾電勢應(yīng)該為零,但實(shí)際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。產(chǎn)生的原因有:①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上;②半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻;③激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布。不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級,有時甚至超過霍爾電勢,而實(shí)用中要消除不等位電勢是極其困難的,因而必須采用在電路中補(bǔ)償?shù)姆椒ā?）霍爾電勢溫度系數(shù)

在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵電流下,溫度每變化1℃時,霍爾電勢變化的百分率稱霍爾電勢溫度系數(shù)。它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。必須在電路上對霍爾元件溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償

圖（b）所示是一種結(jié)構(gòu)簡單的霍爾位移傳感器,由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器,在Δx=0時,霍爾電壓不等于零。圖（c）是一個由兩個結(jié)構(gòu)相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器,為了獲得較好的線性分布,在磁極端面裝有極靴,霍爾元件調(diào)整好初始位置時,可以使霍爾電壓UH=0。

這種傳感器靈敏度很高,但它所能檢測的位移量較小,適合于微位移量及振動的測量。2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器

圖是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連,當(dāng)