傳感器與檢測(cè)技術(shù)第六章課件

1、23 七月 2022第6章 霍爾傳感器23 七月 20226.2 霍爾傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路26.1 霍爾傳感器的工作原理16.3 霍爾傳感器的應(yīng)用3目 錄23 七月 2022知識(shí)目標(biāo)：（1）了解霍爾元件的結(jié)構(gòu)和不同參數(shù)。 （2）掌握霍爾傳感器的工作原理及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。（3）熟悉霍爾傳感器在工程上的應(yīng)用。教學(xué)目標(biāo)技能目標(biāo)：（1）能夠使用常用儀器檢查霍爾傳感器性能，判別其好壞。（2）能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)制作基本檢測(cè)單元模塊電路。（3）能夠?qū)χ谱鞯哪K電路進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試。23 七月 2022情感目標(biāo)：（1）養(yǎng)成良好的工作責(zé)任心、堅(jiān)強(qiáng)的意志力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。 （2）具有工作與學(xué)習(xí)良好的交流與團(tuán)隊(duì)合作

2、能力。教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：霍爾傳感器的工作原理和應(yīng)用。教學(xué)難點(diǎn)：霍爾傳感器的測(cè)量電路。23 七月 2022（a）外形結(jié)構(gòu) （b）圖形符號(hào)圖6-1 霍爾元件6.1 霍爾傳感器的工作原理6.1.1 霍爾效應(yīng)霍爾元件是一種半導(dǎo)體四端薄皮，1、1端稱為激勵(lì)電流端，2、2端稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)的輸出端，其中2、2端一般應(yīng)處于霍爾元件側(cè)面的中點(diǎn) 23 七月 2022圖6-2 霍爾效應(yīng)的原理當(dāng)把霍爾元件置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中時(shí)，磁場(chǎng)方向垂直于霍爾元件，當(dāng)有電流I流過(guò)霍爾元件時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng) 23 七月 2022霍爾效應(yīng)演示cdab 當(dāng)磁場(chǎng)垂直于元件時(shí)，電

3、子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在霍爾元件c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。23 七月 2022I 控制電流（A）B 磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）KH 霍爾元件的靈敏度流入霍爾元件激勵(lì)電流端的輸入電流I越大，作用在霍爾元件上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B就越強(qiáng)，霍爾電動(dòng)勢(shì)EH也就越高?；魻栯妱?shì)EH可用下式表示： EH=KH IB23 七月 2022霍爾元件靈敏度的表達(dá)式為 （6-2）式中，RH為霍爾常數(shù)；d為霍爾元件的厚度（m）。 霍爾常數(shù)的表達(dá)式為 RH = （6-3）式中，為霍爾元件所用材料的電阻率；為霍爾元件所用材料載流子的遷移率。23 七月 2022磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì) 若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍

4、爾元件，而是與其法線成某一角度 時(shí)，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時(shí)的霍爾電勢(shì)為 EH=KHIBcos 結(jié)論：霍爾電勢(shì)與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，則霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì)。23 七月 20226.1.2 霍爾元件主要參數(shù)當(dāng)霍爾元件自身的溫度升高10 時(shí)，流過(guò)自身的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流，用符號(hào)Ic表示。由于霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)電流。但激勵(lì)電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢(shì)的溫漂增大

5、，因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流Im ，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安不等。 以下哪一個(gè)激勵(lì)電流的數(shù)值較為妥當(dāng)？5A 0.1mA 2mA 80mA 1.額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流23 七月 20222.輸入電阻和輸出電阻輸入電阻Ri是指霍爾元件兩個(gè)激勵(lì)電流端的電阻。輸出電阻Ro是兩個(gè)霍爾電動(dòng)勢(shì)輸出端之間的電阻。輸入電阻和輸出電阻的阻值從幾十歐姆到幾百歐姆。23 七月 2022 3.不等位電勢(shì)和不等位電阻 3.不等位電勢(shì)和不等位電阻不等位電動(dòng)勢(shì)是指當(dāng)霍爾元件在額定激勵(lì)電流下，當(dāng)外加磁場(chǎng)為零時(shí)，霍爾元件輸出端之間的開(kāi)路電壓，用符號(hào)UM表示。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有: 霍爾電極安裝位置不對(duì)

6、稱或不在同一等電位面上; 半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻; 激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。 不等位電勢(shì)也可用不等位電阻表示 23 七月 20224.寄生直流電動(dòng)勢(shì)5.霍爾電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)當(dāng)沒(méi)有外加磁場(chǎng)，霍爾元件用交流控制電流時(shí)，霍爾電極的輸出有一個(gè)寄生直流電動(dòng)勢(shì)，它主要是由控制電極和基片之間的非完全歐姆接觸所產(chǎn)生的整流效應(yīng)造成的。霍爾電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)是指在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度每變化1 ，霍爾電動(dòng)勢(shì)的變化率。23 七月 2022通過(guò)霍爾傳感器的額定激勵(lì)電流為6.2 霍爾傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路6.2.1 霍爾傳感器的基本電路23 七月 2022（a）無(wú)外

7、接偏置電阻 （b）有外接偏置電阻（c）電源負(fù)極與霍爾元件之間 串聯(lián)電阻圖6-5 霍爾傳感器的偏置電路23 七月 20226.2.2 霍爾傳感器的集成電路霍爾傳感器的集成電路具有體積較小、靈敏度高、輸出幅度較大、溫漂小、對(duì)電源的穩(wěn)定性要求較低等優(yōu)點(diǎn)，它可分為線性型霍爾傳感器的集成電路和開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器的集成電路。23 七月 20221.線性型霍爾傳感器的集成電路線性型霍爾傳感器的集成電路的內(nèi)部電路是將霍爾元件、恒流源、線性差動(dòng)放大器制作在同一個(gè)芯片上，輸出電壓的單位為V，比直接使用霍爾元件要方便很多。比較典型的線性型霍爾傳感器有UGN3501。 圖6-6 UG3501線性型霍爾傳感器的外形及其內(nèi)

8、部集成電路23 七月 2022請(qǐng)畫出線性范圍線性型霍爾特性 右圖示出了具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場(chǎng)為正向（磁鋼的S極對(duì)準(zhǔn)霍爾器件的正面）時(shí)， 輸出為正；磁場(chǎng)反向時(shí)，輸出為負(fù)。 23 七月 20222.開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路 開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開(kāi)路輸出門）等電路做在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，NPN型OC門由高阻態(tài)（或高電平）變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖剑划?dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開(kāi)關(guān)型霍爾器件如UGN3020

9、等。23 七月 2022圖6-9 開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器的外形及其內(nèi)部集成電路圖6-10 施密特觸發(fā)電路的輸出特性曲線23 七月 2022開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性 回差越大，抗振動(dòng)干擾能力就越強(qiáng)。 當(dāng)磁鐵從遠(yuǎn)到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng)磁鐵從近到遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出再次翻轉(zhuǎn)？回差為多少特斯拉？23 七月 20226.2.3 基本誤差及補(bǔ)償1.不等位電動(dòng)勢(shì)誤差的補(bǔ)償不等位電動(dòng)勢(shì)是霍爾元件誤差中最主要的一種。它產(chǎn)生的原因是（1）制造工藝不可能保證兩個(gè)霍爾電極絕對(duì)對(duì)稱地焊接在霍爾元件的兩側(cè)，致使霍爾元件的兩個(gè)電極點(diǎn)不能完全位于同一個(gè)等位面上。（2）由于半導(dǎo)體的電

10、阻特性（等勢(shì)面傾斜）所造成。23 七月 2022不等位電勢(shì)誤差的補(bǔ)償可以把霍爾元件視為一個(gè)四臂電阻電橋，不等位電勢(shì)就相當(dāng)于電橋的初始不平衡輸出電壓。 23 七月 2022圖6-12 不等位電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償電路不等位電勢(shì)的補(bǔ)償電路23 七月 20222.溫度特性 霍爾元件的溫度特性是指它的內(nèi)阻及輸出電壓（霍爾電動(dòng)勢(shì)）與溫度之間的關(guān)系。 圖6-13 霍爾內(nèi)阻與溫度的關(guān)系 圖6-14 霍爾電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系23 七月 20223.溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差產(chǎn)生的原因主要包括以下兩種：（1）由于霍爾元件是由半導(dǎo)體材料組成的，因此，它對(duì)溫度的變化非常敏感。其中，載流子的濃度、遷移率、電阻率等參數(shù)都是溫度的函數(shù)

11、。（2）當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電動(dòng)勢(shì)、輸入電阻和輸出電阻等都會(huì)發(fā)生變化，從而使霍爾傳感器產(chǎn)生溫度誤差。23 七月 2022溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?減小霍爾元件的溫度誤差的方法1.恒溫措施補(bǔ)償2.恒流源溫度補(bǔ)償（1）恒溫措施補(bǔ)償。包括以下兩種： 將霍爾元件放在恒溫器中。將霍爾元件放在恒溫的空調(diào)房中。 23 七月 2022(2）恒流源溫度補(bǔ)償?；魻栐撵`敏度與溫度的關(guān)系為 （6-5）式中， 為溫度為t0時(shí)霍爾元件的靈敏度； 為霍爾電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)； 為溫度的變化量（）。 常見(jiàn)的大多數(shù)霍爾元件霍爾電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)都是正值，它們的霍爾電動(dòng)勢(shì)將會(huì)隨著溫度的升高而增加。如果讓激勵(lì)電流端

12、的電流I相應(yīng)地減小，就能使 的結(jié)果保持不變. 23 七月 2022 圖6-15 恒流源溫度補(bǔ)償電路23 七月 20226.3 霍爾傳感器的應(yīng)用 霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、 三個(gè)變量的函數(shù)，即 EH=KHIBcos 。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。23 七月 2022圖6-16 霍爾位移傳感器的工作原理6.3.1 霍爾位移傳感器23 七月 2022圖6-17 霍爾壓力傳感器的工作原理 1彈簧管； 2磁鐵； 3霍爾壓力傳感器 6.3.2 霍爾壓力傳感器23 七月 2022圖6-18 霍爾加速度傳感器的工作原理6.3.3 霍爾加速度傳感器23 七月 2022 圖6-19 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理6.3.4 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器 只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的脈動(dòng)，從而引起霍爾電勢(shì)的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)。 23 七月 2022霍爾轉(zhuǎn)速表原理 當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過(guò)霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾