【教學(xué)課件】霍爾式傳感器及應(yīng)用

1、第7章 霍爾式傳感器及應(yīng)用 第1頁，共41頁。引言霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。第2頁，共41頁。主要章節(jié)7.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件 7.2霍爾傳感器實(shí)用電路第3頁，共41頁。7.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的磁場(chǎng)（磁場(chǎng)方向垂直與薄片）中，當(dāng)有電流I通過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，這種物理現(xiàn)象稱為

2、霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)UH 稱霍爾電勢(shì)。7.1.1 霍 爾 效 應(yīng) 第4頁，共41頁?；魻栃?yīng)原理一塊長(zhǎng)為L(zhǎng)、寬為W、厚為d的N型半導(dǎo)體薄片，位于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，B垂直于L-W平面，沿L通電流I，N型半導(dǎo)體的載流體-電子將受到B產(chǎn)生的洛侖茲力FB的作用 第5頁，共41頁。在力FB的作用下，電子向半導(dǎo)體片的一個(gè)側(cè)面偏轉(zhuǎn)，在該側(cè)面上形成電子的積累，而在相對(duì)的另一側(cè)面上因缺少電子而出現(xiàn)等量的正電荷。在這兩個(gè)側(cè)面上產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)EH。該電場(chǎng)使運(yùn)動(dòng)電子受有電場(chǎng)力FE第6頁，共41頁。電場(chǎng)力阻止電子繼續(xù)向原側(cè)面積累，當(dāng)電子所受電場(chǎng)力和洛侖茲力相等時(shí)，電荷的積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，由于存在EH，半導(dǎo)體片兩側(cè)面間出

3、現(xiàn)電位差UH ，稱為霍爾電勢(shì) 第7頁，共41頁。磁場(chǎng)與薄片法線夾角為 第8頁，共41頁。常用的霍爾元件材料 鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。其中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對(duì)溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時(shí)其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度好。 第9頁，共41頁。常用國(guó)產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù) 參 數(shù) 名 稱符號(hào)單位HZ-1型HZ-2型HZ-3型HZ-4型HT-1型HT-2型HS-1型材料（N）型Ge（111）Ge（111）Ge（111）Ge（100）In

4、SbInSbInAS電阻率cm0.81.20.81.20.81.20.40.50.0030.010.0030.050.01幾何尺寸Lbdmm3840.2420.2840.2840.2630.2840.2840.2輸入電阻Ri11020%11020%11020%4520%0.820%0.820%1.220%輸出電阻Ru10020%10020%10020%4020%0.520%0.520%120%靈敏度KHmV/(mAT)12121241.820%1.820%120%不等位電阻ro0.070.050.070.020.0050.0050.003第10頁，共41頁。7.1.2 霍爾元件基本結(jié)構(gòu) 霍爾片

5、、引線和殼體組成 1霍爾元件的結(jié)構(gòu)第11頁，共41頁。2.霍爾元件的連接 （1）當(dāng)控制電流為直流輸入時(shí)，為了得到較大的霍爾輸出，可將幾塊霍爾元件的輸出串聯(lián)。但控制電流必須并聯(lián)，決不能串聯(lián)。因?yàn)榇?lián)起來將有大部分控制電流被相連的霍爾電勢(shì)極短接。 第12頁，共41頁。（2）當(dāng)控制電流為交流輸入時(shí)，可采用如圖連接方式，這樣可以增加霍爾輸出電勢(shì)及功率。第13頁，共41頁。7.1.3 霍爾元件主要參數(shù)及其誤差 （1）乘積靈敏度KH（2）額定控制電流Icm（3）磁靈敏度KB（4）輸入電阻Ri、輸出電阻R。（5）不等位電勢(shì)Uo和不等位電阻Ro（6）寄生直流電勢(shì)UOD（7）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)（8）工作溫度范圍1

6、主要特性參數(shù)第14頁，共41頁。2.霍爾元件的誤差及補(bǔ)償 （1）不等位電勢(shì)的補(bǔ)償不等位電勢(shì)的大小和極性與控制電流的大小和方向有關(guān) 不等位電勢(shì)的大小和相位隨交流控制電流而變 不等位電勢(shì)與控制電流之間并非線性關(guān)系，而且U 0還隨溫度而變 第15頁，共41頁。常用的不等位電勢(shì)的補(bǔ)償電路 第16頁，共41頁。（2）溫度補(bǔ)償 恒流源供電，輸入端并聯(lián)電阻；或恒壓源供電，輸入端串聯(lián)電阻 輸入端并聯(lián)電阻補(bǔ)償 輸入端串聯(lián)電阻補(bǔ)償 第17頁，共41頁。 合理選擇負(fù)載電阻霍爾電勢(shì)的負(fù)載通常是放大器、顯示器或記錄儀的輸入電阻，其值一定，可用串、并聯(lián)電阻的方法使輸出負(fù)載電壓不變，但此時(shí)，靈敏度將相應(yīng)有所降低。第18頁，

7、共41頁。 采用熱敏元件最常采用的補(bǔ)償方法 第19頁，共41頁。幾種補(bǔ)償電路 采用熱敏元件的溫度誤差補(bǔ)償電路 第20頁，共41頁。7.2霍爾傳感器實(shí)用電路將霍爾元件、放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出電路等集成在一塊芯片上，為用戶提供了一種簡(jiǎn)化的和較完善的磁敏傳感器其輸出信號(hào)快，傳送過程中無抖動(dòng)現(xiàn)象，且功耗低，對(duì)溫度的變化是穩(wěn)定的，靈敏度與磁場(chǎng)移動(dòng)速度無關(guān)。霍爾集成傳感器分為線性集成電路和開關(guān)集成電路。 7.2.1 霍爾集成傳感器第21頁，共41頁。1.線性集成傳感器 線性霍爾集成傳感器的特點(diǎn)是輸出電壓與外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B呈線性關(guān)系 .由霍爾元件HG、放大器A、差動(dòng)輸出電路D和穩(wěn)壓電源R等組成 第22

8、頁，共41頁。內(nèi)部框圖和輸出特性 第23頁，共41頁。2.開關(guān)集成傳感器 由霍爾元件HG、放大器A、輸出晶體管VT、施密特電路C和穩(wěn)壓電源R等組成，與線性集成傳感器不同之處是增設(shè)了施密特電路C，通過晶體管VT的集電極輸出 關(guān)集成傳感器只有一個(gè)輸出端，是以一定磁場(chǎng)電平值進(jìn)行開關(guān)工作的。由于內(nèi)設(shè)有施密特電路，開關(guān)特性具有時(shí)滯，因此有較好的抗噪聲效果?；魻柤蓚鞲衅饕话銉?nèi)有穩(wěn)壓電源，工作電源的電壓范圍較寬，可為316V。 第24頁，共41頁。開關(guān)集成傳感器的內(nèi)部框圖和輸出特性 第25頁，共41頁。7.2.2 霍爾傳感器的應(yīng)用簡(jiǎn)介 霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、 3個(gè)變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos 。利用

9、這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第3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?；魻杺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝成熟、體積小、壽命長(zhǎng)、線性好、頻帶寬，因而得到廣泛的應(yīng)用。第26頁，共41頁。1.測(cè)量位移 將霍爾傳感器放置在呈梯度分布的磁場(chǎng)中，通以恒定的控制電流，當(dāng)傳感器移動(dòng)時(shí)，元件上感知的磁場(chǎng)大小隨位移發(fā)生變化，從而使得其輸出UH 也產(chǎn)生變化，且與位移成比例。從原理上來分析，磁場(chǎng)梯度越大，霍爾輸出UH對(duì)位移變化的靈敏度就越高，磁場(chǎng)梯度越均勻，則UH 對(duì)位移的線性度就越好。 第27頁，共41頁。國(guó)產(chǎn)YSH-1型霍爾壓力變送器 第28頁，共41頁。2.無觸點(diǎn)發(fā)信 霍爾傳感器通以恒定的控制電流，

10、在近距離運(yùn)動(dòng)的磁鋼作用下，輸出UH產(chǎn)生顯著的變化，這就是霍爾無觸點(diǎn)發(fā)信。無觸點(diǎn)發(fā)信只要求傳感器輸出一個(gè)足夠大的UH信號(hào)，而對(duì)元件本身的溫度特性、線性度等參數(shù)要求不高，因此被廣泛用于精確定位、接近開關(guān)、導(dǎo)磁產(chǎn)品記數(shù)以及轉(zhuǎn)速測(cè)量。 第29頁，共41頁。磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路 第30頁，共41頁。3.無觸點(diǎn)開關(guān) 霍爾式無觸點(diǎn)開關(guān)的每個(gè)鍵上都有兩小塊永久磁鐵，當(dāng)按鈕未按下，通過霍爾傳感器的磁力線是由上向下的。當(dāng)按下按鈕時(shí)，通過霍爾傳感器的磁力線是由下向上的?；魻杺鞲衅鬏敵霾煌臓顟B(tài)，將此輸出的開關(guān)信號(hào)直接與后面的邏輯門電路連接使用。這類鍵盤開關(guān)工作十分穩(wěn)定可靠，功耗很低，動(dòng)作過程中傳感器與機(jī)械部件之間沒

11、有機(jī)械接觸，使用壽命特別長(zhǎng)。 第31頁，共41頁。 集成霍爾傳感器構(gòu)成的按鈕 1按鈕 2外殼 3導(dǎo)磁材料 4集成傳感器第32頁，共41頁。4.霍爾齒輪傳感器 差動(dòng)霍爾電路制成的霍爾齒輪轉(zhuǎn)速傳感器廣泛用于新一代汽車智能發(fā)動(dòng)機(jī)。作為點(diǎn)火定時(shí)用的速度傳感器，用于ABS（汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)）作為車速傳感器等。第33頁，共41頁?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用 若汽車在剎車時(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾第34頁，共41頁。ABS的工作原理 1車速齒輪傳感器 2壓力調(diào)節(jié)器 3控制器 第35頁，共41頁。5.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少?zèng)Q定了傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。 第36頁，共41頁?；魻栟D(zhuǎn)速表 在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵第37頁，共41頁。幾