第11讲 压力检测(霍尔式)

传感器与检测技术教程第11讲霍尔式压力传感器HallPressureSensors2传感器与检测技术教程3传感器与检测技术教程EdwinHerbertHallEdwinHerbertHall(1855-1938)霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（E.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导体热电机理时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。4传感器与检测技术教程BIUHFEFLv霍尔电势电场力EHFeE洛仑兹力LFevB控制电流电子速度磁感应强度5传感器与检测技术教程半导体薄片置于磁场B中，当它的电流I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UH，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6传感器与检测技术教程bUEHHLFeB载流子受洛仑兹力霍尔电场强度e＝1.602×10-19为电子电荷量EHFeE电场力7传感器与检测技术教程Ivbdne电子运动平均速度Invebd因为n为N型半导体中的电子浓度HeEevB平衡状态HEvB0ELFFBbvbEUHH8传感器与检测技术教程可得1HHHIBUnedIBRdKIBRH——霍尔常数，由载流材料物理性质决定。I——控制电流强度B——磁感应强度d——霍尔元件厚度9传感器与检测技术教程霍尔常数neRH1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。10传感器与检测技术教程BIKUHHneddRKHH1霍尔元件灵敏度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11传感器与检测技术教程霍尔传感器的特点霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达1000:1）、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。12传感器与检测技术教程霍尔元件13传感器与检测技术教程霍尔元件霍尔元件材料1．锗(Ge)，N型及P型均可。2．硅(Si)，N型及P型均可。3．砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相似。14传感器与检测技术教程霍尔元件霍尔元件15传感器与检测技术教程霍尔元件图(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。16传感器与检测技术教程霍尔元件图(b)是霍尔元件通用的图形符号17传感器与检测技术教程图(c)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。霍尔元件18传感器与检测技术教程霍尔元件霍尔元件结构:霍尔片，四极引线，壳体19传感器与检测技术教程测量电路霍尔元件的基本测量电路如图所示。激励电流由电源E供给，可变电阻RP用来调节激励电流I的大小。RL为输出霍尔电势UH的负载电阻。通常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。20传感器与检测技术教程霍尔元件的主要技术指标额定激励电流IH使霍尔元件温升10℃所施加的控制电流值称为额定激励电流。通常用IH表示。输入电阻Ri它是指控制电流极间的电阻值。它规定要在室温(20±5℃)的环境温度中测取。输出电阻Rs它是指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在(20±5℃)的条件下测取。21传感器与检测技术教程霍尔元件的主要技术指标不等位电势及零位电阻r0当霍尔元件通以控制电流IH而不加外磁场时，它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势就称为不等位电势(或零位电势)。寄生直流电势V当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时，霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和。其中的交流霍尔电势与前述零位电势相对应，而直流霍尔电势是个寄生量，称为寄生直流电势V。22传感器与检测技术教程霍尔元件的主要技术指标热阻RQ它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输入lmW的电功率时产生的温升，单位为C／mW。所以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定条件下与电阻有关。23传感器与检测技术教程3.6.2霍尔式压力计工作原理产生线性磁场的磁极24传感器与检测技术教程3.6.3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25传感器与检测技术教程不等位电势和不等位电阻不等位电势Uo：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2′之间的电阻决定的，ro称不等位电阻26传感器与检测技术教程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。27传感器与检测技术教程不等位电势的补偿电路不等位电势的补偿28传感器与检测技术教程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。29传感器与检测技术教程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30传感器与检测技术教程恒流源温度补偿)1(TKKHOH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KH0为温度T0时的KH值；△T温度变化量；霍尔电势的温度系数。31传感器与检测技术教程•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KHI不变就抵消了灵敏系数值增加的影响。32传感器与检测技术教程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33传感器与检测技术教程3.6.4应用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34传感器与检测技术教程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35传感器与检测技术教程霍尔式压力传感器1.弹簧管2.磁铁3.霍尔片36传感器与检测技术教程37传感器与检测技术教程加速度传感器38传感器与检测技术教程