自动检测与转换技术第七章课件.ppt

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1、自动检测与转换技术第七章2022/10/182022/10/181第1页，此课件共46页哦概述：概述：霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，得到广泛的应用。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。特点：特点：霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。第一节第一节 霍尔元件的基本工作原理霍尔元件的基本工作原理2022/10/182022/10/182第2页，此课件共46页哦霍尔效应原理图霍尔效应原理图2022/10/182022/10/183第3页，此课件

2、共46页哦霍尔元件霍尔元件 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。势，这种物理现象称为霍尔效应。（左手定则左手定则判断洛伦兹力方向即判断洛伦兹力方向即自由电子偏转方向自由电子偏转方向）2022/10/182022/10/184第4页，此课件共46页哦 设图中的材料是型半导体，导电的载流子是电设图中的材料是型半导体，导电的载流子是电子。在轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿子。在轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿轴负方向力的作用，这个力就是洛仑

3、兹力。它的大小轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。它的大小为：为：FL=evB zxyIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极 C、D-控制电极F FL LF FL LBI2022/10/182022/10/185第5页，此课件共46页哦 电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力与洛仑兹力FL方向方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为相反，将阻止电子继续偏转，其大小为式中式中EH为霍尔电场，为霍尔电场，e为为电子电量，电子电量，UH为霍尔电势，为霍尔电势，l为霍尔元件宽度。当为霍尔元件宽度。当

4、FL=FE时，电子的积累达到动时，电子的积累达到动平衡，即平衡，即所以所以IADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极F FE EF FL L6第6页，此课件共46页哦 设流过霍尔元件的电流为设流过霍尔元件的电流为 I 时，时，式中式中ld为与电流方向垂为与电流方向垂直的截面积，直的截面积，n 为单位体为单位体积内自由电子数积内自由电子数(载流子载流子浓度浓度)。则。则IADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极F FL LF FE E7第7页，此课件共46页哦令令 RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内

5、于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。于导体。霍尔系数及灵敏度霍尔系数及灵敏度则则2022/10/182022/10/188第8页，此课件共46页哦 KH为霍尔元件的灵敏度。为霍尔元件的灵敏度。由由上上述述讨讨论论可可知知，霍霍尔尔元元件件的的灵灵敏敏度度不不仅仅与与元元件件材材料料的的霍霍尔尔系系数数有有关关，还还与与霍霍尔尔元元件件的的几几何何尺尺寸寸有有关关。一一般般要要求求霍霍尔尔元元件件灵灵敏敏度度越越大大越越好好，霍霍尔尔元元件件灵灵敏敏度度的的公公式式可可知知，霍霍尔尔元元件件的厚度的厚度d与与KH成反

6、比。成反比。令令 则则2022/10/182022/10/189第9页，此课件共46页哦通过以上分析可知：通过以上分析可知：1）霍尔电压 UH 与材料的性质有关 n 愈大，KH 愈小，霍尔灵敏度愈低；n 愈小，KH 愈大，但若n太小，需施加极高的电压才能产生很小的电流。因此霍尔元件一般采用N型半导体材料2022/10/182022/10/1810第10页，此课件共46页哦2）霍尔电压 UH 与元件的尺寸有关。d 愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但 d 太小，会使元件的输入、输出电阻增加。霍尔电压 UH 与控制电流及磁场强度成正比，当磁场改变方向时，也改变方向。20

7、22/10/182022/10/1811第11页，此课件共46页哦若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度，则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为Bcos，因此 UH=KHIBcosIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极 C、D-控制电极2022/10/182022/10/1812第12页，此课件共46页哦3）P型半导体，其多数载流子是空穴，也存在霍尔效应，但极性和N型半导体的相反。4）霍尔电压UH与磁场B和电流I成正比，只要测出UH，那么B或I的未知量均可利用霍尔元件进行测量。2022/10/182022/10/1813第13页，此课件共46页哦一、霍尔元件的基本结构组成一、霍尔元件的基本结构组成由

8、霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。第二节第二节 霍尔元件的基本结构和霍尔元件的基本结构和主要特性参数主要特性参数2022/10/182022/10/1814第14页，此课件共46页哦国产霍尔元件型号的命名方法2022/10/182022/10/1815第15页，此课件共46页哦1、输入电阻、输入电阻Ri和输出电阻和输出电阻R0 Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值，的电阻值，R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻，单位为（简称霍尔电极）间的电阻，

9、单位为。可以在无。可以在无磁场即磁场即B0和室温（和室温（20 5）时，用欧姆表等测时，用欧姆表等测量。量。二、主要特性参数二、主要特性参数2022/10/182022/10/1816第16页，此课件共46页哦2、额定激励电流、额定激励电流I 和最大激励电流和最大激励电流IM霍尔元件在空气中产生10的温升时所施加的激励电流称为额定激励电流I。在相同的磁感应强度下，I值较大则可获得较大的霍尔输出。霍尔元件限制I 的主要因素是散热条件。一般锗元件的最大允许温升Tm80，硅元件的Tm175。当霍尔元件的温升达到Tm时的IC就是最大激励电流Im。2022/10/182022/10/1817第17页，此

10、课件共46页哦 霍尔元件的乘积灵敏度定义为在单位激励电流和单位磁感应强度下，霍尔电势输出端开路时的电势值，其单位为V（AT），它反应了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希望它越大越好。3、乘积灵敏度KH其定义2022/10/182022/10/1818第18页，此课件共46页哦 在额定激励电流 I 之下，不加磁B0时，霍尔电极间的空载霍尔电势UH0，称为不平衡(不等位)电势，单位为mV。一般要求霍尔元件的UH1mV，好的霍尔元件的UH可以小于0.1mV。不等位电势UM和额定激励电流I之比为不等位电阻RM，即 4 4、不等位电势、不等位电势 U UM M 和不等位电阻和不等位电阻 R RM

11、M（工艺工艺）2022/10/182022/10/1819第19页，此课件共46页哦 不不平平衡衡电电势势UH是是主主要要的的零零位位误误差差。因因为为在在工工艺艺上上难难以以保保证证霍霍尔尔元元件件两两侧侧的的电电极极焊焊接接在在同同一一等等电电位位面面上上。如如下下图图(a)(a)所所示示。当当控控制制电电流流I I流流过过时时，即即使使末末加加外外磁磁场场，A A、B B两两电电极极此此时时仍仍存存在在电电位位差差，此此电电位位差被称为不等位电势（不平衡电势）差被称为不等位电势（不平衡电势）UH。2022/10/182022/10/1820第20页，此课件共46页哦 在在一一定定的的磁磁

12、感感应应强强度度和和控控制制电电流流下下，温温度度变变化化11时时，霍霍尔尔电电势势变变化化的的百百分分率率称称为为霍霍尔尔电电势温度系数势温度系数，单位为，单位为1 1。5 5、霍尔电势温度系数、霍尔电势温度系数2022/10/182022/10/1821第21页，此课件共46页哦一、基本测量电路一、基本测量电路 控控制制电电流流I I由由电电源源E E供供给给，电电位位器器R R调调节节控控制制电电流流I I的的大大小小。霍霍尔尔元元件件输输出出接接负负载载电电阻阻R RL L，R RL L可可以以是是放放大大器器的的输输入入电电阻阻或或测测量量仪仪表表的的内内阻阻。由由于于霍霍尔尔元元件

13、件必必须须在在磁磁场场与与控控制制电电流流作作用用下下，才才会会产产生生霍霍尔尔电电势势U UH H，所所以以在在测测量量中中，可可以以把把 I I与与 B B 的的 第三节第三节 霍尔元件的测量电路及补偿霍尔元件的测量电路及补偿乘积、或者乘积、或者 I I，或者，或者 B B 作为输入情号，则霍尔元件的输出作为输入情号，则霍尔元件的输出电势分别正比于电势分别正比于 IB IB 或或 I I 或或 B B。2022/10/182022/10/1822第22页，此课件共46页哦 为了获得较大的霍尔输出电势，可以采为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。下图用几片叠加的连接方式。下

14、图(a)为直流供电，控为直流供电，控制电流端并联输出串联。下图制电流端并联输出串联。下图(b)为交流供电，控为交流供电，控制电流端串联变压器叠加输出。制电流端串联变压器叠加输出。连接方式连接方式2022/10/182022/10/1823第23页，此课件共46页哦 由由于于载载流流子子浓浓度度等等随随温温度度变变化化而而变变化化，因因此此会会导导致致霍霍尔尔元元件件的的内内阻阻、霍霍尔尔电电势势等等也也随随温温度度变变化化而而变变化化。这这种种变变化化程程度度随随不不同同半半导导体体材材料料有有所所不不同同。而而且且温温度度高高到到一一定定程程度度，产产生生的的变变化化相相当当大大。温温度度误

15、差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。针针对对温温度度变变化化导导致致内内阻阻(输输入入、输输出出电电阻阻)的的变变化化，可可以以采采用用对对输输入入或或输输出出电电路路的的电电阻阻进进行行补补偿。偿。二、温度误差及其补偿二、温度误差及其补偿2022/10/182022/10/1824第24页，此课件共46页哦（一）采用恒流源提供控制电流对于上图所示的基本测量电路，设温度由T增加到T+T，因霍尔片的电子浓度n增加，从而使霍尔元件的乘积灵敏度由KH减小到KH（1T），其中是KH的温度系数。2022/10/182022/10/1825第25页，此课件共46页哦另一方

16、面霍尔元件输入电阻由Ri减小减小到Ri（1T）。其中是Ri的温度系数。输入电阻的变化将使控制电流由I IC变为I ICIC，此时霍尔电势将由UHKHICB变为UH UH KH（1T）（）（I ICIC）B。要使 UH 0，必须I IC （1T）（I ICIC）2022/10/182022/10/1826第26页，此课件共46页哦要满足I IC （1T）（I ICIC），为此采用上图所示的电源为恒流源的测量电路，电路中并联一个起分流作用的补偿电阻R。根据上图可得式中 补偿电阻R的温度系数。2022/10/182022/10/1827第27页，此课件共46页哦将这两式代入对上式进行整理，并忽略（T

17、）2 项可得得到2022/10/182022/10/1828第28页，此课件共46页哦 对对于于一一个个确确定定的的霍霍尔尔元元件件，和和值值可可由由元元件件参参数数表表查查得得，R Ri i可可在在无无外外磁磁场场和和室室温温条条件件下下直直接接测测得得。因因此此只只要要选选择择适适当当的的补补偿偿电电阻阻，使使其其R R和和满满足足上上式式，就就可可在在输输入入回回路路实实现现对对温度误差的补偿了。温度误差的补偿了。2022/10/182022/10/1829第29页，此课件共46页哦（二）合理选择负载电阻如上图所示，若霍尔电势输出端接负载电阻RL，则当温度为T时，RL上的电压可表示为：式

18、中 R0霍尔元件的输出电阻。2022/10/182022/10/1830第30页，此课件共46页哦当温度由T变为T+T时，则RL上的电压变为式中 霍尔电势的温度系数；霍尔元件输出电阻的温度系数。要使UL不受温度变化的影响，即UL0，由上两式可知，必须对上式进行整理可得2022/10/182022/10/1831第31页，此课件共46页哦 对于一个确定的霍尔元件，可以方便地获得、和R0的值，因此只要使负载电阻RL满足上式，就可在输出回路实现对温度误差的补偿了。虽然RL通常是放大器的输入电阻或表头内阻，其值是一定的，但可通过串、并联电阻来调整RL的值。2022/10/182022/10/1832第

19、32页，此课件共46页哦（三）采用热敏元件对于由温度系数较大的半导体材料（如锑化铟）制成的霍尔元件，常采用右图所示的温度补偿电路，图中Rt是热敏元件(热电阻或热敏电阻)。2022/10/182022/10/1833第33页，此课件共46页哦图（a）是在输入回路进行温度补偿电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔元件的乘积灵敏度KH和输入电阻Ri变化对霍尔输出电势UH的影响。2022/10/182022/10/1834第34页，此课件共46页哦图（b）则是在输出回路进行温度补偿的电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔电势UH和输出电阻R0变化对负载电阻RL上的电压UL的影响。在安装测量电路

20、时，应使热敏元件和霍尔元件的温度一致。35第35页，此课件共46页哦 不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。在分析不等位电势时，可将霍尔元件等效为一个电桥，如右图所示。控制电极A、B和霍尔电极C、D可看作电桥的电阻连接点。它们之间分布电阻R1、R2、R3、R4构成四个桥臂，控制电压可视为电桥的工作电压。三、不等位电势的补偿三、不等位电势的补偿36第36页，此课件共46页哦 理想情况下，不等位电势UM=0，对应于电桥的平衡状态，此时R1R2R3R4。如果霍尔元件的UM0，则电桥就处于不平衡状态，此时R1、R2、R3、R4的阻值有差异，UM就是电桥的不平衡输

21、出电压。只要能使电桥达到平衡的方法都可作为不等位电势的补偿方法。2022/10/182022/10/1837第37页，此课件共46页哦（一）基本补偿电路（一）基本补偿电路 霍尔元件的不等位电势补偿电路有多种形式，图97为两种常见电路，其中RW是调节电阻。基本补偿电路没有考虑温度变化的影响。当温度发生变化，需要重新进行平衡调节。2022/10/182022/10/1838第38页，此课件共46页哦（二）具有温度补偿的补偿电路右图是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路。该补偿电路本身也接成桥式电路，其工作电压有霍尔元件的控制电压提供；其中一个为热敏电阻Rt，并且于霍尔元件的等效电阻的温度特性

22、相同。2022/10/182022/10/1839第39页，此课件共46页哦在该电桥的负载电阻RP2上取出电桥的部分输出电压（称为补偿电压），与霍尔元件的输出电压反向串联。在磁感应强度B为零时，调节RP1和RP2，使补偿电压抵消霍尔元件此时输出的不等位电势，从而使B0时的总输出电压为零。2022/10/182022/10/1840第40页，此课件共46页哦在霍尔元件的工作温度下限T1时，热敏电阻的阻值为Rt（T1）。电位器RP2保持在某一确定位置，通过调节电位器的RP1来调节补偿电桥的工作电压，使补偿电压抵消此时的不等位电势UML，此时的补偿电压称为恒定补偿电压。2022/10/182022/

23、10/1841第41页，此课件共46页哦当工作温度T1升高到T1 T时，热敏电阻的阻值为Rt（T1 T）。RP1保持不变，通过调节RP2，使补偿电压抵消此时的不等位电势UML UM。此时的补偿电压实际上包含了两个分量，一个是抵消工作温度为T1时的不等位电势UML的恒定补偿电压分量，另一个是抵消工作温度升高T时的不等位电势的变化量UM的变化补偿电压分量。2022/10/182022/10/1842第42页，此课件共46页哦根据上述讨论可知，采用桥式补偿电路，可以在霍尔元件的整个温度范围内对不等位电势进行良好的补偿，并且对不等位电势的恒定部分和变化部分的补偿可独立地进行调节。所以，可达到相当高的补

24、偿精度。2022/10/182022/10/1843第43页，此课件共46页哦第四节 霍尔式传感器举例一、将被测量转换为磁感应强度B保持霍尔元件的控制电流I恒定不变，就可测量磁感应强度B，以及位移、角度等可直接转换为B的物理量，进一步还可以测量先转换成位移或角度、然后间接转换为B的物理量，如振动、压力、速度、加速度、转速等等。下面以霍尔式压力传感器为例进行说明。2022/10/182022/10/1844第44页，此课件共46页哦 图图9-9 9-9 霍尔压力传感器结构原理图霍尔压力传感器结构原理图霍尔元件霍尔元件霍尔元件霍尔元件磁钢磁钢磁钢磁钢压力压力压力压力P P波登管波登管波登管波登管N

25、 SN SS NS N霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器第45页，此课件共46页哦霍尔式压力传感器由两部分组霍尔式压力传感器由两部分组成：一部分是弹性敏感元件的成：一部分是弹性敏感元件的波登管用以感受压力波登管用以感受压力P P，并将，并将P P转换为弹性元件的位移量转换为弹性元件的位移量x x，即即x xK KP PP P，其中系数，其中系数K KP P为常数。为常数。另一部分是霍尔元件和磁系统，另一部分是霍尔元件和磁系统，磁系统形成一个均匀梯度磁场，磁系统形成一个均匀梯度磁场，如右图所示，在其工作范围内，如右图所示，在其工作范围内，B BK KB Bx x，其中斜率，其中斜率K KB B为常

26、数；为常数；霍尔元件固定在弹性元件上，霍尔元件固定在弹性元件上，因此霍尔元件在均匀梯度磁场因此霍尔元件在均匀梯度磁场中的位移也是中的位移也是x x。这样，霍尔电势这样，霍尔电势这样，霍尔电势这样，霍尔电势U UH H H H与被测压力与被测压力P P P P之间的关系就可表示为之间的关系就可表示为之间的关系就可表示为之间的关系就可表示为U U U UH H H HK KH H H HIBIBIBIBK K K KH H H HIKIKIKIKB BK K K KP PP P P PKPKP式中式中式中式中 K K K KH HIKIKIKIKB B B BK K K KP P P PK K K K霍尔式压力传感器的输出灵敏度。霍尔式压力传感器的输出灵敏度。霍尔式压力传感器的输出灵敏度。霍尔式压力传感器的输出灵敏度。第46页，此课件共46页哦