霍尔传感器的工作原理及应用演示课件.ppt

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1、5.2 霍尔传感器5.2.1 霍尔传感器工作原理霍尔传感器工作原理5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件的结构和基本电路5.2.3 霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数5.2.4 霍尔元件误差及补偿霍尔元件误差及补偿5.2.5 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用下一页返 回15.2.1 霍尔传感器工作原理半半导导体体薄薄片片置置于于磁磁场场中中，当当它它的的电电流流方方向向与与磁磁场场方方向向不不一一致致时时，半半导导体体薄薄片片上上平平行行于于电电流流和和磁磁场场方方向向的的两两个个面面之之间间产产生电动势，这种现象称生电动势，这种现象称霍尔效应霍尔效应。产生的电动势称产生的

2、电动势称霍尔电势霍尔电势 半导体薄片称半导体薄片称霍尔元件霍尔元件上一页下一页返 回2霍尔效应原理上一页下一页返 回3载流子受洛仑兹力载流子受洛仑兹力 霍尔电场强度霍尔电场强度平衡状态平衡状态 电子运动平均速度电子运动平均速度 上一页下一页返 回因为4霍尔电势霍尔电势5霍尔常数霍尔常数 霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：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，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。所以金属材料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度霍尔电势与导体厚度d成反比：成反比：为了提高霍尔电势值

3、，为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。霍尔元件制成薄片形状。霍尔元件灵敏度（灵敏系数）霍尔元件灵敏度（灵敏系数）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，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，因此因此N型半导体型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，上一页下一页返 回65.2.2 霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件霍尔元件 上一页下一页返 回7l图（图（a）中，从矩形薄片半导体基片上的两个）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，

4、称控制电极。另一对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。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、环氧树脂等封装作在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。为外壳。l图（图（b）是霍尔元件通用的图形符号。）是霍尔元件通用的图形符号。l图（图（c）所示，霍尔电极在基片上的位置及它）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极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。长度。l图（图（d）是基本测量电路）是基本测量电

5、路。85.2.3 霍尔元件的主要特性参数当当磁场和环境温度一定磁场和环境温度一定时时:霍尔电势与控制电流霍尔电势与控制电流I成正比成正比当当控制电流和环境温度一定控制电流和环境温度一定时时:霍尔电势与磁场的磁感应强度霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比成正比当当环境温度一定环境温度一定时时:输出的霍尔电势与输出的霍尔电势与I和和B的乘积成正比的乘积成正比 测量以上电阻时，应在没有外磁场和室温变化的测量以上电阻时，应在没有外磁场和室温变化的条件下进行。条件下进行。上一页下一页返 回9霍尔元件的主要特性参数：(1)输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 输入电阻输入电阻：控制电极间的电阻：控制电极间的

6、电阻 输出电阻输出电阻：霍尔电极之间的电阻：霍尔电极之间的电阻(2)额定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流和最大允许控制电流 额定控制电流额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在：当霍尔元件有控制电流使其本身在 空气中产生空气中产生10温升时，对应的控制电流值温升时，对应的控制电流值 最大允许控制电流最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对：以元件允许的最大温升限制所对 应的控制电流值应的控制电流值 上一页下一页返 回10(3)不等位电势Uo和不等位电阻ro l不等位电势不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额定值时，：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，

7、测得的空载霍若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。尔电势。l不等位电势是由霍尔电极不等位电势是由霍尔电极2 2和之间的电阻决定的，和之间的电阻决定的，r r 0 0称称不等位电阻不等位电阻 上一页下一页返 回11霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数 (4)寄生直流电势寄生直流电势 霍尔元件零位误差的一部分霍尔元件零位误差的一部分当当没没有有外外加加磁磁场场，霍霍尔尔元元件件用用交交流流控控制制电电流流时时，霍尔电极的输出有一个直流电势霍尔电极的输出有一个直流电势控控制制电电极极和和霍霍尔尔电电极极与与基基片片的的连连接接是是非非完完全全欧欧姆姆接触时，会产生整流效应。接触

8、时，会产生整流效应。两两个个霍霍尔尔电电极极焊焊点点的的不不一一致致，引引起起两两电电极极温温度度不不同产生温差电势同产生温差电势(5)霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 在在一一定定磁磁感感应应强强度度和和控控制制电电流流下下，温温度度每每变变化化1度时，霍尔电势变化的百分率。度时，霍尔电势变化的百分率。上一页下一页返 回125.3.4 霍尔元件误差及补偿1.不等位电势误差的补偿不等位电势误差的补偿2.温度误差及其补偿温度误差及其补偿上一页下一页返 回131.不等位电势误差的补偿不等位电势误差的补偿l可以把霍尔元件视为一个可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥四臂电阻电桥，不等，不等位电势就相当于

9、电桥的位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压初始不平衡输出电压。上一页下一页返 回14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当温度变化时，补偿的稳定性要好些 上一页下一页返 回152.温度误差及其补偿温度误差及其补偿温度误差产生原因：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、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。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

10、电阻等都要发生变霍尔电势、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。化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。上一页下一页返 回16减小霍尔元件的温度误差 l选用温度系数小的元件选用温度系数小的元件l采用恒温措施采用恒温措施l采用恒流源供电采用恒流源供电 上一页下一页返 回17恒流源温度补偿 霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变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的关系 KH0 为温度为温度T0时的时的KH值；值；温度变化量；温度变化量；霍尔电势的温度系数。霍

11、尔电势的温度系数。上一页下一页返 回18大多数霍尔元件的温度系数大多数霍尔元件的温度系数是正值时，是正值时，它们的霍尔电势随温度的升高而增加它们的霍尔电势随温度的升高而增加（1+t）倍。）倍。同时，让控制电流同时，让控制电流I相应地减小，能保持相应地减小，能保持KHI不变就抵消了灵敏系数值增加的影响。不变就抵消了灵敏系数值增加的影响。19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，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20控制电流控制电流 温度升到温度升到

12、T时，电路中各参数变为时，电路中各参数变为 上一页下一页返 回温度为温度为T0时时霍尔元件输入电阻温度系数；分流电阻温度系数。2122 为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足:升温前、后的霍尔电势不变，升温前、后的霍尔电势不变，经整理，忽略经整理，忽略 高次项后得高次项后得 上一页下一页返 回23当霍尔元件选定后，它的输入电阻 和温度系数 及霍尔电势温度系数 可以从元件参数表中查到（可以测量出来），用上式即可计算出分流电阻 及所需的分流电阻温度系数 值。245.2.5 霍尔式传感器的应用优点优点:结结构构简简单单，体体积积小小，重重量量轻轻，频频带带宽宽，动动态态

13、特特性性好好和和寿寿命长命长应用：应用：电电磁磁测测量量：测测量量恒恒定定的的或或交交变变的的磁磁感感应应强强度度、有有功功率、无功功率、相位、电能等参数；功功率、无功功率、相位、电能等参数；自动检测自动检测系统：多用于位移、压力的测量。系统：多用于位移、压力的测量。上一页下一页返 回251.微位移和压力的测量微位移和压力的测量l测量原理测量原理：霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感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。小就可以用来反映霍尔元件的位置。l应用应用：位移测量、力、压力、应变、机械振动、位

14、移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度加速度 上一页下一页返 回26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27霍尔式压力传感器 1.弹簧管弹簧管 2.磁铁磁铁 3.霍尔片霍尔片 上一页下一页返 回28加速度传感器 上一页下一页返 回292.磁场的测量磁场的测量在在控控制制电电流流恒恒定定条条件件下下，霍霍尔尔电电势势大大小小与与磁磁感感应应强强度度成成正正比比，由由于于霍霍尔尔元元件件的的结结构构特特点点，它它特特别别适适用用于于微微小小气气隙隙中中的的磁磁感感应应强强度度、高高梯梯度度磁场参数的测量。磁场参数的测量。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。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：应用：霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器上一页返 回30