4霍尔传感器

9霍尔传感器9.1霍尔传感器工作原理9.2霍尔元件的结构和基本电路9.3霍尔元件的主要特性参数9.4霍尔元件误差及补偿9.5霍尔式传感器的应用下一页返回9.1霍尔传感器工作原理在半导体落片上垂直施加磁场B，在薄片两短边b方向通入控制电流I，则在薄片两长边L方向产生电动势，这种现象称之为霍尔效应，该电动势称为霍尔电压UH。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表示半导体中电子在控制电流作用下的运动方向和速度FL表示电子所受到的磁场洛伦兹力，其大小为其中：q——电子的电荷量FL——方向符合左手掌定则BqFL上一页下一页返回BIKUHHKH霍尔元件灵敏度（灵敏系数）结论：当霍尔元件的半导体材料性能及几何尺寸确定后，霍尔元件的输出电压UH正比于控制电流I和磁感应强度B。上一页下一页返回在FL的作用下，电子向一侧运动，致使在霍尔元件的两长边积累起等量的正、负电街，形成霍尔电场。FE为表示该霍尔电场的电场力。当霍尔电场力与洛伦兹力相等时，电荷积累达到动态平衡，此时霍尔电压UH的大小为9.2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。9.2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（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。9.3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成正比可直接用于测量电流或激励源电压，也可以用于测量能转换为电流的其他物理量。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成正比可用于测量交、直流磁感应强度或磁场强度；若B为一个均匀梯度的磁场，则霍尔电压UB取决于霍尔元件在磁场中的位置，从而实现微位移及可转换为微位移的压力、加速度、振动等非电量的测量。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可作成乘法器，当控制电流I和磁场B为同一电源激励时，可利用霍尔元件进行电源输出功率的测量。上一页下一页返回BIKUHH9.3霍尔元件的主要特性参数开关特性霍尔元件霍尔效应的建立时问极短，适宜于作高频信号的检测或无触点开关，利用这一特性，霍尔元件可用于制作计数器或转速计。集成特性霍尔元件具有结构简单、体积小、无活动部件，便于与测量电路一起作成集成霍尔传感器。上一页下一页返回9.4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9.5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1.弹簧管2.磁铁3.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。cosBIKUHH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