1、第第5 5章章 霍尔式传感器霍尔式传感器15.1 5.1 霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及霍尔元件 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。1.1.霍尔效应霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体,当它的电流方向与磁场方向不一致时,载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势,这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。2 图 5-1 所示,在垂直于外磁
2、场B的方向上放置一导电板,导电板通以电流I,方向如图所示。导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。此时,每个电子受洛仑磁力fm的作用，fm大小为 fm=eBv （5-1）式中:e电子电荷;v电子运动平均速度;B磁场的磁感应强度。34 fm的方向在图 5-1 中是向上的,此时电子除了沿电流反方向作定向运动外,还在fm的作用下向上漂移,结果使金属导电板上底面积累电子,而下底面积累正电荷,从而形成了附加内电场EH,称霍尔电场,该电场强度为 EH=（5-2）式中UH为电位差。霍尔电场的出现,使定向运动的电子除了受洛仑磁力作用外,还受到霍尔电场的作用力,其大小为eEH，此力阻止电荷继续积累
3、。随着上、下底面积累电荷的增加,霍尔电场增加,电子受到的电场力也增加,当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反时,即bUH5 eEH=evB （5-3）则 EH=vB （5-4）此时电荷不再向两底面积累,达到平衡状态。若金属导电板单位体积内电子数为n,电子定向运动平均速度为v,则激励电流I=nevbd,则 v=（5-5）将式（5-5）代入式（5-4）得 EH=（5-6）bdae1bdaeIB6 将上式代入式（5-1）得 UH=（5-7）式中令RH=1/（ne）,称之为霍尔常数,其大小取决于导体载流子密度，则 UH=RH （5-8）式中KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。由式（5-8）
4、可见,霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度,霍尔元件常制成薄片形状。nedIBIBKdIBH7 对霍尔片材料的要求,希望有较大的霍尔常数RH,霍尔元件激励极间电阻R=L/（bd）,同时R=UI/I=EIL/I=vL/（nevbd）,其中UI为加在霍尔元件两端的激励电压，EI为霍尔元件激励极间内电场，v为电子移动的平均速度。则 (5-9)解得 RH=（5-10）从式（5-10）可知,霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。若要霍尔效应强,则RH值大,因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。nebdLbdL8一般金
5、属材料载流子迁移率很高,但电阻率很小;而绝缘材料电阻率极高,但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔片。目前常用的霍尔元件材料有:锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中N型锗容易加工制造,其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好,其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感,尤其在低温范围内温度系数大,但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小,温度系数也较小,输出特性线性度好。表5-1 为常用国产霍尔元件的技术参数。91011 2.2.霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构 霍尔元件的结构很简单,它由霍尔片、引线和壳体组成,如图 5-2(a)所示。霍尔片是一块矩
6、形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图5-2(b)所示。1213 3.3.霍尔元件基本特性霍尔元件基本特性 1）额定激励电流和最大允许激励电流 当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为额定激励电流。以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而性增加,所以,使用中希望选用尽可能大的激励电流,因而需要知道元件的最大允许激励电流,改善霍尔元件的散热条件,可以使激励电流增加。2）输入电阻和
7、输出电阻 激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源,其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在205时确定的。145.2 5.2 霍尔元件测量误差及补偿霍尔元件测量误差及补偿 霍尔元件在使用中，存在多种因素影响测量精度，主要原因有两类：半导体制造工艺和半导体固有特性。其表现为零位误差和温度误差而引起的测量误差。5.2.1 5.2.1 零位误差及补偿零位误差及补偿u 不等位电势不等位电势是零位误差中最主要的一种是零位误差中最主要的一种 当霍尔元件的激励电流为I时,若元件所处位置磁感应强度为零,则它的霍尔电势应该为零,但实际不为零。这时测得
8、的空载霍尔电势称不等位电势。15即：产生的原因有产生的原因有:霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上;半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀（如片厚薄不均匀等）;激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。这些工艺上问题都将使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电势。000BHIBKU16n 皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、心、肺、肾等多脏器严重损害的，全身性疾病，而且不少患者同时伴有恶性肿瘤。它的1症状表现如下：n 1、早期皮肌炎患者，还往往伴有全身不适症状，如-全身肌肉酸痛，软弱无力，上楼梯时感觉两腿费力；举手梳理头发时，举高手臂很吃力；抬头转头缓慢而费力。皮
9、肌炎图片皮肌炎的症状表现 式中:U0不等位电势;r0不等位电阻;IH激励电流。由上式（5-11）可以看出,不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压。HIUr00（5-11）u 不等位电阻不等位电阻 不等位电势也可用不等位电阻表示18u 霍尔元件不等位电势补偿霍尔元件不等位电势补偿 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级,有时甚至超过霍尔电势,而实用中要消除不等位电势是极其困难的,因而必须采用补偿的方法。由于不等位电势与不等位电阻是一致的,可以采用分析电阻的方法来找到不等位电势的补偿方法。如图 5-4 所示,其中A、B为激励电极,C、D为霍尔电极,极分布电 阻 分 别 用 R1、R2、
10、R3、R4表 示。理 想 情 况 下,R1=R2=R3=R4,即可取得零位电势为零（或零位电阻为零）。实际上,由于不等位电阻的存在,说明此四个电阻值不相等,可将其视为电桥的四个桥臂,则电桥不平衡。为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联电阻（如图5-4（a）所示）,或在两个桥臂上同时并联电阻（如图 5-4 (b)所示）。19205.2.2 5.2.2 温度误差及其补偿温度误差及其补偿温度误差 霍尔元件是采用半导体材料制成的,因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时,霍尔元件的电阻率及霍尔系数都将发生变化,从而使霍尔元件产生温度误差。霍尔系数与温度的关系可写成霍尔元件的输入电阻与温度
11、变化的关系可写成 )1(0TKKHH)1(0TRRii21恒流源的分流电阻温度补偿法 为了减小霍尔元件的温度误差,除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外,由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电是个有效措施,可以使霍尔电势稳定。但也只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流I变化所带来的影响。大多数霍尔元件的温度系数是正值,它们的霍尔电势随温度升高而增加（1+T）倍。如果,与此同时让激励电流I相应地减小,并能保持 乘积不变,也就抵消了灵敏系数 增加的影响。图 5-5 就是按此思路设计的一个既简单、补偿效果又较好的补偿电路。IKHKH22 恒流源的分流电阻温度补偿法常采用图5-5的补偿电路电路
12、中用一个分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极相并联。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Rp自动地加强分流,减少了霍尔元件的激励电流I,从而达到补偿的目的。在图 5-5 所示的温度补偿电路中,设初始温度为T0,霍尔元件输入电阻为Ri0,灵敏系数为KHI,分流电阻为Rp0,根据分流概念得 IH0=（5-13）当温度升至T时,电路中各参数变为000iPPRRIRI12340PR图 5-5 分流电阻补电路示意图分流电阻补电路示意图UH23 Ri=Ri0（1+T）（5-14）Rp=Rp0（1+T）（5-15）式中:霍尔元件输入电阻温度系数;分流电阻温度系数。则 iPPHRRIRI)1()1
13、()1(000TRTRITRiPP 虽然温度升高T,为使霍尔电势不变,补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电势不变,即 24 UH0=UH KH0IH0B=KHIHB （5-16）则 KH0IH0=KH IH （5-17）将式（5-12）、（5-13）、（5-16）代入上式,经整理并略去、(T)2高次项后得 Rp0=（5-18）当霍尔元件选定后,它的输入电阻Ri0和温度系数及霍尔电势温度系数是确定值。由式（5-18）即可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值。为了满足R0及两个条件,分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合,这样虽然麻烦但效果很好。aRai0)(25u 桥路温度补偿法桥路温
14、度补偿法 如图5-6所示是霍尔电势的桥路温度补偿法，霍尔元件的不等位电势U0用RP来补偿，在霍尔输出极上串联一个温度补偿电挢，电挢的三个臂为锰铜电阻，其中一臂为锰铜电阻并联热敏电阻RX，当温度变化时，由于RX发生变化，使电桥的输出发生变化，从而使整个回路的输出得到补偿。仔细调整电挢的温度系数，可使在40的温度变化范围内，传感器的输出与温度基本无关。图图5-6 5-6 桥路温度补偿电路桥路温度补偿电路26 1.1.霍尔式微位移传感器霍尔式微位移传感器 霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点,它不仅用于磁感应强度#,有功功率及电能参数的测量,也在位移测量中得到广泛应用。图5-7 给
15、出了一些霍尔式位移传感器的工作原理图。图（a）是磁场强度相同的两块永久磁铁,同极性相对地放置,霍尔元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0,因此霍尔元件输出的霍尔电势UH也等于零,此时位移x=0。若霍尔元件在两磁铁中产生相对位移,霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变,这时UH不为零,其量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量,这种结构的传感器,其动态范围可达 5 mm,分辨率为 0.001mm。5.3 5.3 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用2728 图（b）所示是一种结构简单的霍尔位移传感器,由一块永久磁铁组成磁路的传感器,在x=0 时,霍尔电压不等于零。图（c）是
16、一个由两个结构相同的磁路组成的霍尔式位移传感器,为了获得较好的线性分布,在磁极端面装有极靴,霍尔元件调整好初始位置时,可以使霍尔电压UH=0。这种传感器灵敏度很高,但它所能检测的位移量较小,适合于微位移量及振动的测量。2.2.霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器 图 5-8 是几种不同结构的霍尔式转速传感器。磁性转盘的输入轴与被测转轴相连,当被测转轴转动时,磁性转盘随之转动,固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲,检测出单位时间的脉冲数,便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。2930 3.3.霍尔计数装置霍尔计数装置 霍尔开关传感
17、器SL3501是具有较高灵敏度的集成霍尔元件,能感受到很小的磁场变化,因而可对黑色金属零件进行计数检测。图 7-14 是对钢球进行计数的工作示意图和电路图当钢球通过霍尔开关传感器时,传感器可输出峰值20mV的脉冲电压,该电压经运算放大器A（A741）放大后,驱动半导体三极管VT（2N5812）工作,VT输出端便可接计数器进行计数,并由显示器显示检测数值。3132大多数霍尔元件的温度系数是正值,它们的霍尔电势随温度升高而增加（1+T）倍。如果,与此同时让激励电流I相应地减小,并能保持KHI乘积不变,也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。图 5-5 就是按此思路设计的一个既简单、补偿效果又较好的补偿电路。33
