传感器原理与应用---第6章电子课件（）.ppt

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1、传感器原理与应用-第6章电子课件 （高教版）第6章 霍尔传感器 6.1霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及霍尔元件 6.2霍尔集成电路霍尔集成电路 6.3霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 6.4思考题第6章 霍尔传感器6.1 6.1 霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及霍尔元件 霍尔传感器的基本转换原理是将被测量所引起的磁场变化转换成为霍尔电势的输出。早在1879年，有人在金属中发现了霍尔效应，但未被人们重视。随着科技的进步和半导体技术的发展，人们发现霍尔效应在半导体材料中非常显著，如砷化镓、砷化铟、硅、锗等，它们被广泛应用于弱电流、弱磁场及微小位移的测量。第6章 霍尔传感器6.1.1 霍尔效应 在半导体薄片

2、相对的两个侧面通上控制电流I，在和此侧面相互垂直的方向加上磁场B，则在半导体另外的两个侧面会产生一个大小与控制电流I和磁场B乘积成正比的电动势EH，这个电势就是霍尔电势。霍尔元件具有的这种现象叫做霍尔效应，所用的半导体元件叫做霍尔元件。霍尔元件及霍尔电势的产生如图6-1所示。图6-1 霍尔元件及霍尔电势的产生第6章 霍尔传感器 在图6-1（a）中，假设霍尔元件为N型半导体元件（载流子为电子），当沿着a，b通入控制电流I时，电子首先沿着与I相反的方向产生一个初速度v0。同时，由于霍尔元件处于磁场中，会受到洛伦兹力FL的作用，电子向一侧偏转并形成电子堆积，从而在霍尔元件的c，d方向产生电场，随后，

3、电子又会在该电场中受电场力FE的作用，这两种力方向相反。当两力大小相等时，电子的堆积便达到动态平衡，这样，就在半导体c，d方向的端面之间形成了稳定的电动势EH，即霍尔电势。第6章 霍尔传感器 设半导体霍尔元件的厚度为d，电子浓度为n，电子电荷量为e，则霍尔电势EH可以用下式表示式中，称为霍尔电势灵敏系数。若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成一角度 q时，霍尔电势为如果图中选用的霍尔元件是P型而不是N型半导体材料，则参加导电的载流子是空穴，则式中p为空穴浓度。第6章 霍尔传感器6.1.2 霍尔元件及特性 霍尔元件是一种半导体四端薄片，一般呈正方形。在薄片的相对两侧对称的焊接两对电极引出

4、线，如图6-1（b）所示，其中a，b端为激励电流端，另外一对c，d端称为霍尔电势输出端，c,d端一般处于侧面的中点。近年来，已采用外延离心注入工艺或采用溅射工艺制造出尺寸小、性能好的薄膜型霍尔元件，如图6-1（d）所示。它由衬底、薄膜、引线（电极）及外壳组成，壳体采用塑料、环氧树脂、陶瓷等材料封装，其灵敏度、稳定性、对称性等均比老工艺优越得多。目前霍尔元件已经得到越来越多的应用，应用最多的是GaAs和InSb。利用蒸发InSb制作的霍尔元件，其EH大，但工作温度范围狭窄，EH的温度特性差，磁场的线性度范围狭窄，因而应用范围受到限制。GaAs的EH虽小，但热稳定性好，已逐渐成为主流产品。霍尔元件

5、常用到以下几个特性参数。第6章 霍尔传感器1内阻 霍尔元件的内阻包括输入电阻和输出电阻。其中霍尔元件两激励电流端的电阻称为输入电阻Ri，它的阻值从几欧姆到几百欧姆不等。若温度变化，则引起输入电阻变化，从而使输入电流发生改变，最终导致霍尔电势变化。为了避免这种影响，通常采用恒流源提供激励电流。霍尔元件两个输出端的电阻称为输出电阻Ro，通常与Ri同一数量级，它也会随环境温度的变化而变化。适当选择负载电阻Rfz与之匹配，可以减小霍尔电势的温度漂移。霍尔元件内阻原理图如图6-2所示。设温度升高，内阻增加，导致负载电阻上得到的输出电压下降，同时，如果选用的霍尔元件霍尔电势也随温度上升而增加，适当选择负载

6、电阻，可以补偿输出电压的下降。假设，霍尔电势温度系数为a，内阻温度系数为b，输出电压为 Uo=EH0(1+at)Rfz/R 0(1+bt)+Rfz 式中，EH0，R0分别是霍尔电势、内阻在温度为0时的值；t是环境温度。若想Ufz不随温度变化，即要求dUfz/dt0，因此对输出电压求导，得：Rfz/R0b/a。根据此式，可以选择Rfz，消除不等电势的影响。第6章 霍尔传感器图6-2 霍尔元件内阻原理图第6章 霍尔传感器2最大激励电流IM 由霍尔效应可知，EH=KHIB，若激励电流大，霍尔电势的输出就大。但随着激励电流的增加，霍尔元件的功耗也随之增大，元件的温度升高，将引起霍尔电势的温漂。因而对霍

7、尔元件要规定最大激励电流，通常IM为几毫安至几十毫安。3最大磁感应强度BM 由霍尔效应可知，磁感应强度的增加将使霍尔电势输出增加。但磁感应强度若超过一定的界限，霍尔电势的非线性明显增加，故规定了BM来抑制非线性。通常BM小于零点几特斯拉。第6章 霍尔传感器4不等位电势 在霍尔元件通入额定电流Ie时，若外加磁场为零，由于霍尔元件的四个电极引脚几何尺寸不对称，霍尔电势通常不为零，这个电势称为不等位电势。通常可以用电桥法补偿不等位电势带来的测量误差。电桥法对霍尔电势补偿电路如图6-3所示，在霍尔元件输出端串入温度补偿电桥，利用热敏电阻Rt随温度的变化，导致电桥输出电压的变化，这个电压与霍尔电势输出相

8、加，作为传感器的输出。图6-3 电桥法对霍尔电势补偿电路第6章 霍尔传感器6.2 6.2 霍尔集成电路霍尔集成电路 随着电子技术的发展，霍尔元件及其激励电流源、放大电路多已集成于一个芯片上，做成霍尔集成电路。霍尔集成电路有很多优点，如体积小，灵敏度高，温漂小，稳定性高等。霍尔集成电路有线性型和开关型两大类。图6-4是典型的线性型霍尔集成电路。其中，图6-4（a）是集成电路芯片的外形与尺寸。图6-4（b）是集成电路内部元件，它主要由霍尔元件、恒流源、放大电路组成，由恒流源提供稳定的激励电流，霍尔电势输出接入放大电路，输出电压较高，使用方便，应用广泛。图6-4（c）是这种集成电路的输出特性，集成电

9、路的输出电压与霍尔元件感受的磁场变化近似呈线性关系，它主要用于对被测量进行线性测量的场合，如角位移、压力、电流等的测量。第6章 霍尔传感器图6-4 线性型霍尔集成电路第6章 霍尔传感器 图6-5是典型的开关型霍尔集成电路。其中，图6-5（a）是集成电路外形与尺寸。图6-5（b）是集成电路内部元件，主要由霍尔元件、稳压电路、放大电路、施密特触发器、OC门电路组成。当外加磁场强度超过规定值，OC门由高阻态变为导通状态，输出为低电平；若外加磁场低于释放值，OC门重新变为高阻态，输出高电平。图6-5（c）是它的输出特性，这种集成电路主要用于对开关测量的场合，如转速、接近开关等。图6-5 开关型霍尔集成

10、电路第6章 霍尔传感器6.3 霍尔传感器的应用 从霍尔电势输出表达式可知，EH是I,B,q三个变量的函数。因此，只要被测量能使其中任意一个量发生变化，就能用霍尔传感器测量。6.3.1 霍尔转速传感器 图6-6 霍尔转速传感器的结构原理图霍尔转速传感器的结构原理如图6-6所示。它是利用开关型霍尔集成电路测量转速，在被测物体上粘贴一对或数对小磁钢（小磁钢越多，分辨率越高），霍尔开关型集成电路安装在小磁钢附近。待测物以角速度w旋转时，每一个小磁钢通过霍尔集成电路时，便产生一个相应的脉冲，检测出单位时间内的脉冲数即可确定待测物的转速。第6章 霍尔传感器图6-6 霍尔转速传感器的结构原理图 第6章 霍尔

11、传感器 图6-7是数字式转速传感器的原理框图。晶体振荡器产生频率为fc的稳定信号，经过放大、整形后变换成理想的矩形脉冲信号。若经过分频器所得标准信号的频率f0与要求的时间t相对应（t=1/f0），则可以直接驱动控制电路，产生相应的计数、显示、清零和“门”电路的开关控制信号，实现对霍尔集成电路输出的fx的测量和显示。图6-7 数字式转速传感器原理框图第6章 霍尔传感器6.3.2 霍尔式接近开关 在一定距离内检测物体的有无，这种传感器称为接近开关。接近开关的种类很多，如使用光电传感器、超声波传感器等均可作为接近开关，它们的测量距离可达几米至几十米，而霍尔式接近开关一般测量距离的范围在几毫米至几十毫

12、米。接近开关也可以用做测速。接近开关属于非接触式测量，响应快，易与计算机或PLC相连接，而且接近开关的体积小，安装调整方便。图6-8是霍尔式接近开关的工作原理示意图。第6章 霍尔传感器 图6-8（a）为轴向接近式结构，磁极与霍尔元件在同一轴线上，当磁铁随运动物体移到距离霍尔元件几毫米时，霍尔器件输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放。图6-8（b）为穿孔式结构，磁铁随运动物体沿x方向移动，霍尔元件从两块磁铁间滑过，当磁铁与霍尔元件的间距小于某一数值时，霍尔元件输出由高电平变为低电平。与图6-8（a）不同的是，若运动物体继续向前移动滑过头，霍尔元件的输出又将恢复高电平。图6-8（c

13、）为分流翼片式结构，软铁制作的分流翼片与运动部件联动，当它移动到磁铁与霍尔元件之间时，磁力线被分流，遮挡了磁场对霍尔元件的激励，霍尔元件输出高电平。第6章 霍尔传感器图6-8 霍尔式接近开关的工作原理示意图1霍尔元件；2磁铁；3运动部件；4软铁第6章 霍尔传感器 图6-9给出了霍尔元件接近开关电路，这种电路用磁场强度为的蹄形磁钢作为运动磁场，测试距离可达50mm。在电路中利用稳压管和VT1给霍尔元件提供一个恒定的激励电流。图中VT1,VT2,VT3,VT4组成差动放大电路，VT5,VT6组成一个射极耦合触发器。若运动磁场接近到霍尔元件一定距离，差动放大电路产生输出电压，触发图中的触发器，VT6

14、导通，继电器J吸合，触点动作。若无需直接驱动继电器，而是输出脉冲电压，则可去掉VD,C,J而接入1kW电阻，R11上可并联100pF电容，则VT6集电极就能输出边沿很陡的脉冲。第6章 霍尔传感器图6-9 霍尔元件接近开关电路第6章 霍尔传感器6.3.3 霍尔传感器的其他应用1角位移测量仪 角位移测量仪原理图如图6-10所示，霍尔器件与被测物联动，由于霍尔器件被置于一个恒定的磁场中，霍尔元件就产生一个与被测角位移相同的转角，因而霍尔电势EH反映了转角的变化。不过，这个变化是非线性的（EH正比于cos）。若要使EH与成线性关系，必须采用特定形状的磁极，如图中的磁极形式。图6-10 角位移测量仪原理

15、图1磁级；2霍尔元件；3激磁线圈第6章 霍尔传感器2霍尔式微压力传感器 图6-11是霍尔式微压力传感器原理图，当被测压力p使弹性波纹膜盒膨胀，带动杠杆向上移动，从而使霍尔器件在磁路系统中运动，改变了霍尔器件感受的磁场大小及方向，引起霍尔电势的大小和极性的改变。由于波纹膜盒及霍尔元件的灵敏度很高，所以可用于测量压力的微小变化。这种传感器可以使用线性型霍尔集成电路。图6-11 霍尔式微压力传感器原理1磁路；2霍尔元件；3膜核；4杠杆；5外壳第6章 霍尔传感器3霍尔式汽车无触点点火装置 传统的汽车汽缸点火装置使用机械式的分电器，存在着点火时间不准确，触点易磨损等缺点。利用霍尔开关无触点晶体管点火装置

16、，可以克服上述缺点，提高燃烧效率。汽车四汽缸点火装置示意图如图6-12所示。图中的磁轮鼓代替了传统的凸轮及白金触点。发动机主轴带动磁轮鼓转动时，霍尔器件感受到的磁场极性交替改变，输出一连串与汽缸活塞运动同步的脉冲信号去触发晶体管功率开关，点火线圈二次侧产生很高的感应电压，火花塞产生火花放电，完成汽缸点火过程。图6-13 霍尔式无刷电动机结构原理图1转子；2磁极；3霍尔元件；4定子；5转轴第6章 霍尔传感器6.4思考题6.1 如图6-13是霍尔式无刷电动机结构原理图，它取消了传统直流电机使用的换向器和电刷。试分析它的工作原理，说明应该使用哪种类型的霍尔集成电路。图6-13 霍尔式无刷电动机结构原理图 1转子；2磁极；3霍尔元件；4定子；5转轴6.2 在图6-5中，UGN3020在感受磁场强度变化时，正向特性与反向特性有一回差，这一回差是多少？这种特性在工作中有何应用价值？6.3 试设计一个霍尔式电流传感器，画出结构原理图，并分析原理。6.4 试设计一个密闭储液罐的液位控制器，要求当液位高于某一设定值时，泵停止转动。画出磁路系统原理图和控制系统简图。第6章 霍尔传感器 图6-14 霍尔式加速度传感器6.6 图6-15是霍尔式位移传感器，画出它的输出特性曲线。图6-15 霍尔式位移传感器 6.5 图6-14是霍尔式加速度传感器，试分析它的工作原理。