第九章霍爾式傳感器ppt課件

1、第九章第九章 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 霍爾元件的基本工作原理霍爾元件的基本工作原理 霍爾元件的結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)，霍爾元件的結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)， 霍爾式傳感器測量電路及補(bǔ)償方法，霍爾式傳感器測量電路及補(bǔ)償方法， 霍爾式傳感器的應(yīng)用?；魻柺絺鞲衅鞯膽?yīng)用。 第一節(jié)第一節(jié) 霍爾元件的基本工作原理霍爾元件的基本工作原理 霍爾式傳感器是以霍爾元件作為其敏感和轉(zhuǎn)換霍爾式傳感器是以霍爾元件作為其敏感和轉(zhuǎn)換元件的傳感器。元件的傳感器。 霍爾元件則是利用某些半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)霍爾元件則是利用某些半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)原理制成的。原理制成的。 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 在垂直于半導(dǎo)體薄片在垂直于半導(dǎo)體薄片平面的方向上，

2、施加磁感平面的方向上，施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為應(yīng)強(qiáng)度為B B的磁場，在其長的磁場，在其長度方向上通以電流度方向上通以電流I I，則在，則在半導(dǎo)體的另外兩邊將產(chǎn)生半導(dǎo)體的另外兩邊將產(chǎn)生一個大小與控制電流一個大小與控制電流I I和磁和磁感應(yīng)強(qiáng)度感應(yīng)強(qiáng)度B B的乘積（的乘積（IBIB）成）成正比的電動勢。這種現(xiàn)象正比的電動勢。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。稱為霍爾效應(yīng)。計(jì)算公式計(jì)算公式假設(shè)自由電子以勻速按圖假設(shè)自由電子以勻速按圖9-19-1所示方向運(yùn)動，所示方向運(yùn)動，則在磁感應(yīng)強(qiáng)度則在磁感應(yīng)強(qiáng)度B B作用下，每個電子所受洛侖作用下，每個電子所受洛侖茲力為茲力為 FL=evB RH = -1/ne： 稱為霍爾稱為霍爾

3、 系數(shù)系數(shù) KH= RH/d由上式由上式 可見，當(dāng)可見，當(dāng)I、B大小一定時，大小一定時，KH越大，則霍爾元件的輸出越大，則霍爾元件的輸出電勢越大。電勢越大。 對于對于P型半導(dǎo)體，其多數(shù)載流子是空穴，也存在與型半導(dǎo)體，其多數(shù)載流子是空穴，也存在與N型型半導(dǎo)體類似的霍爾效應(yīng)。半導(dǎo)體類似的霍爾效應(yīng)。 用空穴濃度用空穴濃度p p戶代替電子濃度戶代替電子濃度 n npdKH1若若B B與霍爾元件平面的法線成一角度與霍爾元件平面的法線成一角度 ，則作用于霍爾元，則作用于霍爾元件的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度為件的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bcos 則則 UH= KHIBcos U UH H正比于正比于BIBI。只要通過測量電路測

4、出。只要通過測量電路測出U UH H，那么，那么B B和和I I兩個兩個參數(shù)中，一個參數(shù)已知就可求出另一個參數(shù)。參數(shù)中，一個參數(shù)已知就可求出另一個參數(shù)。 因而任何可轉(zhuǎn)換成因而任何可轉(zhuǎn)換成B B或或I I的未知量均可利用霍爾元件進(jìn)的未知量均可利用霍爾元件進(jìn)行測量。行測量。 此外，可轉(zhuǎn)換成此外，可轉(zhuǎn)換成B和和I I乘積的未知量亦可進(jìn)行測量。乘積的未知量亦可進(jìn)行測量。第二節(jié)第二節(jié) 霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)一、基本結(jié)構(gòu)一、基本結(jié)構(gòu) 導(dǎo)線導(dǎo)線1 1、2 2稱為控制稱為控制電流引線端，與之焊接電流引線端，與之焊接的一對電極稱為控制電的一對電極稱為控制電極（極（紅色導(dǎo)

5、線標(biāo)記紅色導(dǎo)線標(biāo)記）; ;導(dǎo)線導(dǎo)線3 3、4 4稱為霍爾電勢稱為霍爾電勢輸出端，與之焊接的一輸出端，與之焊接的一對電極稱為霍爾電極對電極稱為霍爾電極（綠色導(dǎo)線標(biāo)記綠色導(dǎo)線標(biāo)記）。）。 國產(chǎn)霍爾元件型號的命名方法國產(chǎn)霍爾元件型號的命名方法二、主要技術(shù)指標(biāo)二、主要技術(shù)指標(biāo) 11額定控制電流額定控制電流IcIc和最大控制電流和最大控制電流IcmIcm霍爾元件在空氣中產(chǎn)生霍爾元件在空氣中產(chǎn)生l0l0o oC C的溫升時所施加的控制的溫升時所施加的控制電流值稱為額定控制電流電流值稱為額定控制電流Ic Ic 。霍爾元件的溫升達(dá)到最大允許溫升霍爾元件的溫升達(dá)到最大允許溫升 TmTm時的時的IcIc就是就是最

6、大控制電流最大控制電流IcmIcm。 22乘積靈敏度乘積靈敏度K KH H霍爾元件的乘積靈敏度定義為在單位控制電流和單霍爾元件的乘積靈敏度定義為在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下，霍爾電勢輸出端開路時的電勢值，位磁感應(yīng)強(qiáng)度下，霍爾電勢輸出端開路時的電勢值，其單位為其單位為V/(AT)V/(AT)，它反應(yīng)了霍爾元件本身所具有的，它反應(yīng)了霍爾元件本身所具有的磁電轉(zhuǎn)換能力。磁電轉(zhuǎn)換能力。 K KH H=U=UH H/IB/IB33輸人電阻輸人電阻RiRi和輸出電阻和輸出電阻RoRo 霍爾片中兩個控制電極之間的電阻稱為輸人電阻霍爾片中兩個控制電極之間的電阻稱為輸人電阻RiRi而兩個霍爾而兩個霍爾電極之間

7、的電阻稱為輸出電阻電極之間的電阻稱為輸出電阻RoRo。由于。由于RiRi、RoRo是純電阻，故可用直是純電阻，故可用直流電橋或歐姆表直接測量，需要說明的是測量要求在沒有外磁場和流電橋或歐姆表直接測量，需要說明的是測量要求在沒有外磁場和室溫室溫 (20(20士士5)C5)C條件下進(jìn)行。條件下進(jìn)行。44不等位電勢不等位電勢U UM M和不等位電阻和不等位電阻R RM M由于兩個霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上，半由于兩個霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上，半導(dǎo)體材料的電阻率不均勻，或幾何尺寸不均勻，以及控制電極接觸導(dǎo)體材料的電阻率不均勻，或幾何尺寸不均勻，以及控制電極接觸不良等原

8、因，不良等原因， 當(dāng)當(dāng)I I 0 B=0 0 B=0 時時 U UH H 0 0為此引入了為此引入了不等位電勢不等位電勢U UM M來加以表征，即在額定直流控制電流作用來加以表征，即在額定直流控制電流作用下，不加外磁場時霍爾電極之間的空載下，不加外磁場時霍爾電極之間的空載 ( (即開路即開路) )電勢。電勢。不等位電勢不等位電勢U UM M與額定控制電流與額定控制電流IcIc之比，稱為不等位電阻之比，稱為不等位電阻R RM M 。即即 R RM M =U=UM M /Ic/Ic 55霍爾電勢溫度系數(shù)霍爾電勢溫度系數(shù) 由于溫度的變化，霍爾電勢也會隨之有一由于溫度的變化，霍爾電勢也會隨之有一些變化

9、。溫度對霍爾電勢的影響程度，用霍些變化。溫度對霍爾電勢的影響程度，用霍爾電勢溫度系數(shù)爾電勢溫度系數(shù) 來表征，即在一定的控制來表征，即在一定的控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度下，溫度每變化電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度下，溫度每變化l lo oC C所引所引起的霍爾電勢變化的百分率。起的霍爾電勢變化的百分率。第三節(jié)霍爾元件的測量電路第三節(jié)霍爾元件的測量電路一、基本電路一、基本電路控制電流控制電流I I由電源由電源E提供，提供，R是調(diào)節(jié)電阻。是調(diào)節(jié)電阻?；魻栯妱葺敵龆说呢?fù)載電阻霍爾電勢輸出端的負(fù)載電阻R RL L，可以是放大器的輸，可以是放大器的輸入入電電阻或表頭內(nèi)阻等。阻或表頭內(nèi)阻等。所施加的外磁場所施加的外磁場B B一

10、般與霍爾一般與霍爾元件的平面垂直。元件的平面垂直。實(shí)際測量中，可以把實(shí)際測量中，可以把I I或者或者B B單獨(dú)作為輸單獨(dú)作為輸入入信號，也以把信號，也以把二者的乘積作為輸二者的乘積作為輸入入信號，信號，通過霍爾電勢輸出得到測量通過霍爾電勢輸出得到測量結(jié)果。結(jié)果?？刂齐娏饕部梢允墙涣髁靠刂齐娏饕部梢允墙涣髁浚刂齐娏鞯念l率可高達(dá)控制電流的頻率可高達(dá)1O1O9 9HzHz以上。以上。二、溫度誤差的補(bǔ)償二、溫度誤差的補(bǔ)償 （一）采用恒流源提供控制電流（一）采用恒流源提供控制電流TRi，KH ，R 。Ri Ic UH KH UH R Ic UH 當(dāng)R=Ri（-）/ UH不變 （二）合理選擇負(fù)載電阻（二

11、）合理選擇負(fù)載電阻TUH ，R o UH ULR o UL 當(dāng)R L= R o（ -）/ 時 UL不變（三）采用熱敏元件（三）采用熱敏元件a.用用Rt變化補(bǔ)償變化補(bǔ)償KH和和Ri的變化。的變化。b.用用Rt變化補(bǔ)償變化補(bǔ)償KH和和Ro的變化。的變化。三、不等位電勢的補(bǔ)償三、不等位電勢的補(bǔ)償 等效電路等效電路理想情況：R1=R2=R3=R4，電橋平衡UM=0實(shí)際情況：R1、R2、R3、R4有差異UM0（一）基本補(bǔ)償電路（一）基本補(bǔ)償電路（二）具有溫度補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電路（二）具有溫度補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電路Rt121，2端為輸出端端為輸出端在工作溫度下限在工作溫度下限T1，調(diào)調(diào)RP1使使B=0時輸出時輸出為零。為零。在工作溫度上升在工作溫度上升 T時調(diào)時調(diào)RP2使使B=0時輸時輸出為零。出為零。第四節(jié)第四節(jié) 霍爾式傳感器應(yīng)用舉例霍爾式傳感器應(yīng)用舉例 一、將被測量轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度一、將被測量轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度BX=KpP；B=KBxUH=KHIB=KHIKBKPP=KP 二、將被測量轉(zhuǎn)換為控制電流二、將被測量轉(zhuǎn)換為控制電流 三、將被測量轉(zhuǎn)換為三、將被測量轉(zhuǎn)換為I