傳感器課程設(shè)計(jì)霍爾位移傳感器的設(shè)計(jì)

傳感器課程設(shè)計(jì)霍爾位移傳感器的設(shè)計(jì)PAGE1PAGE1太原理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書題目：霍爾位移傳感器的設(shè)計(jì)學(xué)院（系）：現(xiàn)代科技學(xué)院年級(jí)專業(yè)：測控1001學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：太原理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書2-共頁第頁摘要霍爾傳感器是基于霍效應(yīng)而將被測量轉(zhuǎn)化成電動(dòng)勢輸出的一種傳感器?；魻栐寻l(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品簇，并且得到廣泛的應(yīng)用。霍爾器件是一種磁傳感器，用它可以檢測磁場及其變化，可以在各種與磁有關(guān)的場合中使用?；魻柶陂g以霍爾效應(yīng)為其工作原理。本文主要研究霍爾位移傳感器的設(shè)計(jì)。如圖所示，被測物體分別與恒定電流I和恒定磁場B垂直。當(dāng)被測物體相對(duì)于原來位置有微小位移變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化的磁通量，會(huì)在導(dǎo)體垂直于磁場和電流的兩個(gè)端面之間產(chǎn)生電勢差，即UH（霍爾電壓）。本文主要研究微小位移與霍爾電壓的關(guān)系來設(shè)計(jì)霍爾位移傳感器。關(guān)鍵字：霍爾傳感器位移霍爾電壓霍爾效應(yīng)原理圖目錄第一章霍爾傳感器的發(fā)展歷程··············5第二章霍爾傳感器的工作原理1、霍爾效應(yīng)·······················52、霍爾元件·······················53、霍爾元件的主要特性及材料···············5第三章霍爾元件的誤差及補(bǔ)償···············61、霍爾元件的零位誤差與補(bǔ)················82、微位移和壓力的測量····························83、霍爾位移傳感器的設(shè)償················62、霍爾元件的溫度誤差及補(bǔ)償················7第四章霍爾傳感器的應(yīng)用················71、霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用·計(jì)電路圖···············84、霍爾元件的技術(shù)參數(shù)···························10第五章課程設(shè)計(jì)總結(jié)···············11參考文獻(xiàn)·····················12第一章霍爾傳感器發(fā)展歷程霍爾傳感器是磁電效應(yīng)的一種，這種現(xiàn)象是霍爾于1879年在研究金屬的導(dǎo)體機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)的多，利用這種現(xiàn)象制成的各種霍爾元件。廣泛的應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，檢測技術(shù)及信息處理方面?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。盡管人們?cè)缭?879年就知道了霍爾效應(yīng)，但直到20世紀(jì)60年代末，隨著固態(tài)電子技術(shù)的發(fā)展，霍爾效應(yīng)才開始為人們所應(yīng)用。自此，霍爾傳感器得到飛速發(fā)展，在汽車，工業(yè)，計(jì)算機(jī)等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，如齒輪速度檢測、運(yùn)動(dòng)與接近檢測及電流檢測等?；魻杺鞲衅鞯某霈F(xiàn)。解決了很多讓人棘手的問題。第二章霍爾傳感器的工作原理1、霍爾效應(yīng)如霍爾效應(yīng)原理圖所示，在半導(dǎo)體薄片兩端通以恒定電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為UH的霍爾電壓，它們之間的關(guān)系為UH=KHIBCOSA，式中KH稱為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關(guān)。上述效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)，它是德國物理學(xué)家霍爾于1879年研究載流導(dǎo)體在磁場中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。I為所加的電流（一般為恒流源），B為均勻磁場，A為磁場與法線的夾角。EH為電場（圖中所示）2、霍爾元件霍爾元件是半導(dǎo)體四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相對(duì)兩側(cè)對(duì)稱的焊上兩對(duì)電極引出線（一對(duì)稱激勵(lì)電流端，另一對(duì)稱霍爾電勢輸出端），如下圖所示。霍爾元件結(jié)構(gòu)3、霍爾元件的主要特性及材料1）霍爾元件的主要特性參數(shù)靈敏度KH：表示元件在單位的磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流所得到的開路霍爾電動(dòng)勢霍爾輸入電阻：霍爾控制及間的電阻值霍爾最大允許激勵(lì)電流：以霍爾元件允許的最大溫度為限所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流不等位電勢：當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時(shí)，若元件所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，測得的空載霍爾電勢。（不等位電勢是由霍爾電極2和之間的電阻決定的，r0稱不等位電阻）寄生直流電勢（霍爾元件零位誤差的一部分）：當(dāng)沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時(shí)，霍爾電極的輸出有一個(gè)直流電勢控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個(gè)霍爾電極焊點(diǎn)的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢霍爾電勢溫度系數(shù)：在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度每變化1度時(shí)，霍爾電勢變化的百分率。基本應(yīng)用電路2)霍爾元件的材料目前最常用的霍爾元件材料是鍺（Ge）、硅（Si）、銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）和不同比例亞砷酸銦和磷酸銦組成的In（AsyP1-y）型固熔體（其中y表示百分比）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，但其電子遷移率比較低，帶負(fù)載能力較差，通常不用作單個(gè)霍爾元件。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。In（AsyP1-y）型固熔體的熱穩(wěn)定性最好。第三章霍爾元件的誤差及補(bǔ)償1、霍爾元件的零位誤差與補(bǔ)償霍爾元件的零位誤差是指無外加磁場或無控制電流情況下霍爾元件產(chǎn)生輸出電壓并由此產(chǎn)生誤差。它主要表現(xiàn)有以下幾種形式：1）不等位電動(dòng)勢它是零位誤差中最重要的一種，他是當(dāng)霍爾元件在額定控制電流下，不外加磁場時(shí)，霍爾輸出端之間的空載電動(dòng)勢。2）寄生直流電勢再無磁場的情況下，元件通入交流電流，輸出端除交流不等位電壓以外的直流分量3）感應(yīng)零電動(dòng)勢感應(yīng)零電動(dòng)勢是在未通電流情況下，由于脈動(dòng)或交變磁場作用在輸出端產(chǎn)生的電動(dòng)勢。4)自激場零電動(dòng)勢霍爾元件控制電流產(chǎn)生自激場2、霍爾元件的溫度誤差及補(bǔ)償1）溫度誤差產(chǎn)生原因：霍爾元件的基片是半導(dǎo)體材料，因而對(duì)溫度的變化很敏感。其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數(shù)都是溫度的函數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí)，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電勢、輸入電阻和輸出電阻等都要發(fā)生變化，從而使霍爾式傳感器產(chǎn)生溫度誤差。2)減小霍爾元件的溫度誤差的方法選用溫度系數(shù)小的元件、采用恒溫措施、采用恒流源供電、采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路恒流源溫度補(bǔ)償電路注：當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí)，旁路分流電阻自動(dòng)地加強(qiáng)分流，減少了霍爾元件的控制電流。第四章霍爾傳感器的應(yīng)用1、霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用1)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，頻帶寬，動(dòng)態(tài)特性好和壽命長2)應(yīng)用：電磁測量：測量恒定的或交變的磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數(shù)；自動(dòng)檢測系統(tǒng)：多用于位移、壓力的測量。2、微位移和壓力的測量測量原理：霍爾電勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，若磁感應(yīng)強(qiáng)度是位置的函數(shù)，則霍爾電勢的大小就可以用來反映霍爾元件的位置。應(yīng)用：位移測量、力、壓力、應(yīng)變、機(jī)械振動(dòng)、加速度3、霍爾位移傳感器的設(shè)計(jì)電路圖圖1圖2圖1特殊用法，使得霍爾元件的輸出不必使用差值放就可以處理UH的信號(hào)放大，及與圖3的恒流源構(gòu)成溫度度補(bǔ)償電路。（圖中的納極管期限壓的作用，使1、3端的電壓不超過5.1V）圖2的功能，霍爾電壓的放大及霍爾元件的歸零校正（既當(dāng)無電流或無磁場或無微小位移變動(dòng)時(shí)，霍爾電壓不為零，可通過滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)電阻使最后輸出電壓變?yōu)榱悖﹫D3圖3是恒流源，他可以使輸出電流恒定不變，維持在一定的數(shù)值，通過調(diào)節(jié)圖中滑動(dòng)變阻器的變化可以改變圖中恒流源的輸出值位移X012345678910霍爾電壓UH（mv）00.0230.0460.0690.0920.1150.1390.1620.1850.2080.231以不確定。但由于電路有滑動(dòng)變阻器可以調(diào)節(jié)，弄實(shí)物時(shí)遲滯誤差應(yīng)該不會(huì)太大。4)電壓靈敏度：在這里的電壓靈敏度為最后電壓輸出差值與位移差值的比值乘%。5）精度：因?yàn)殡娐贩抡娴木葹榘俜种?，只有弄出?shí)物才能知道該設(shè)計(jì)電路的靈敏度。第五章課程設(shè)計(jì)總結(jié)為期10天的傳感器課設(shè)結(jié)束了，回想起走過的歷程還真是頗有感觸。應(yīng)該說有過彷徨也有過迷惘吧，但此刻收獲的卻是看見自己辛勤勞動(dòng)出成果后的喜悅，突然間，覺得一切都值了。在這段時(shí)間內(nèi)，我去過圖書館翻閱書籍，也重新研讀了教材上的理論知識(shí)。古語云：“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。”真的感觸頗深，學(xué)習(xí)時(shí)，總感覺聽懂了，也就滿足了，進(jìn)而就順其自然地掩卷不思了，哪里想到學(xué)的東西如何運(yùn)用到生產(chǎn)實(shí)踐中?？赏ㄟ^課設(shè)，我才恍然大悟，原來真沒那么簡單，任何東西只要與生產(chǎn)生活相掛鉤，那就一定有東西可以挖掘，也就一定有很多知識(shí)解決不了現(xiàn)實(shí)問題。如此，我才慢慢開始溯本求源，開始從細(xì)微之處肯透知識(shí)點(diǎn)，本次課設(shè)何不是如此呢？！通過霍爾元件的電流應(yīng)該多大才合適，應(yīng)<=5mA,(大于5mA后有些霍爾元件的霍爾電壓不會(huì)隨著物體位移的變化而變化，而是為一個(gè)定值)這要是在生活中誰會(huì)去在意呢但是到了設(shè)計(jì)中，我們就不得不考慮其四兩撥千斤般的作用了，我想也正是通過這些細(xì)微末節(jié)處，才讓我們真切認(rèn)識(shí)到知識(shí)是多么神圣與重要，我們要有所成就就必須認(rèn)真細(xì)心，多學(xué)多思，多把理論知識(shí)與實(shí)踐生活聯(lián)系起來。此外，通過這次課設(shè)，我進(jìn)一步體會(huì)到了工具的重要性，這包括軟件操作工具書等方面。因?yàn)槲覀儾豢赡軐W(xué)富五車，因而就有必要翻閱文獻(xiàn)資料，如設(shè)計(jì)用到的相關(guān)書籍，標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)等等。同時(shí)，具備較好的計(jì)算機(jī)水平也會(huì)給我們帶來巨大的益處，比如數(shù)學(xué)公式的編輯，圖形的繪制等等。但反過來說，通過這樣的課程設(shè)計(jì)，也會(huì)加深我們對(duì)工具的了解和形成對(duì)其客觀的認(rèn)識(shí)，我想這對(duì)我們以后在工作和生活中有比較好的視野和思維是有巨大幫扶作用的?？傊敬握n設(shè)不僅加強(qiáng)了我對(duì)霍爾傳感器的認(rèn)識(shí)，更