6霍爾式傳感器

傳感器與檢測技術(shù)第六章霍爾式傳感器上節(jié)課回顧：1.電容傳感器有哪些類型？2.電容傳感器的工作原理，輸出特性。3.為什么電感式和電容式傳感器的結(jié)構(gòu)多采用差動形式，差動結(jié)構(gòu)形式的特點是什么？4．推導(dǎo)差動式電容傳感器的靈敏度，并與單極式電容傳感器相比較。

電容傳感器測量電路有哪些？是否可以避免線性誤差？電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)

以最簡單的平行極板電容器為例說明其工作原理。在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平板電容器的電容量為:平板電容器的電容ε0—真空的介電常數(shù)，(ε0=8.854×10-12F/m)；

S—極板的遮蓋面積（m2）；

ε—極板間介質(zhì)的相對介電系數(shù)，在空氣中，ε=1；

δ—兩平行極板間的距離（m）。結(jié)論：差動式電容傳感器比單個電容靈敏度提高一倍非線性誤差減?。ǘ喑?？因子）。可以改善環(huán)境因素的影響電容式傳感器的輸出特性分析

第六章霍爾傳感器6.1霍爾傳感器工作原理6.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路6.3霍爾元件的主要特性參數(shù)6.4霍爾元件誤差及補償6.5霍爾式傳感器的應(yīng)用教學目的與要求：掌握霍爾效應(yīng)的物理解釋.掌握影響霍爾電勢大小的因素,用半導(dǎo)體且用N型材料制作霍爾元件的原因了解霍爾元件外形結(jié)構(gòu),基本測量電路,根據(jù)不同使用要求連接電路.一般了解霍爾元件的主要特性參數(shù).了解霍爾不等位電勢及其補償.了解溫度誤差及其減少的措施;掌握恒流源溫度補償電路(圖)及其工作原理(解決什么問題).概述：

霍爾型傳感器是磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器。1879年霍爾在金屬材料中發(fā)現(xiàn)的，已有一百多年的歷史，由于霍爾效應(yīng)在金屬中非常微弱，只是在大學的教科書中作為一種理論而存在，并未付諸實際應(yīng)用。直到100多年以后，大約到上世紀四十年代后期，半導(dǎo)體工藝的成熟，科學家利用半導(dǎo)體工藝重新試驗霍爾效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：半導(dǎo)體工藝（P或N型）都可以再現(xiàn)霍爾效應(yīng)現(xiàn)象，并金屬霍爾元件的公式半導(dǎo)體霍爾元件可得到同樣的結(jié)論，而且N型半導(dǎo)體尤其明顯。使霍爾效應(yīng)得到廣泛的應(yīng)用。我國大約到上世紀七十年代開始研究霍爾元件，已能生產(chǎn)各種性能霍爾元件，例如：普通型、高靈敏度型、低溫度系數(shù)型、測溫測磁性和開關(guān)型等。概述：

霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁敏傳感器，屬于固態(tài)物性型傳感器，這類傳感器主要以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電鐵等為敏感材料，在力、磁、熱、光、射線、氣體、濕度等因素作用下引起材料物理特性變化，通過檢測其物理特性的變化即可反映被測參數(shù)值。特點：

霍爾器件具有許多優(yōu)點，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

霍爾特斯拉計（高斯計）霍爾元件霍爾高斯計（特斯拉計）的使用霍爾元件磁鐵霍爾傳感器用于測量磁場強度霍爾元件測量鐵心氣隙的B值霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口

叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便

用鉗形表測量電動機的相電流6.1霍爾傳感器工作原理半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當它的電流方向與磁場方向不一致時，半導(dǎo)體薄片上平行于電流和磁場方向的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生的電動勢稱霍爾電勢，半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件上一頁下一頁返回霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)原理載流子受洛侖茲力霍爾電場強度平衡狀態(tài)電子運動平均速度

因為載流子受電場力當磁場和環(huán)境溫度一定時:

霍爾電勢與控制電流I成正比當控制電流和環(huán)境溫度一定時:

霍爾電勢與磁場的磁感應(yīng)強度B成正比當環(huán)境溫度一定時:

輸出的霍爾電勢與I和B的乘積成正比

可測量電流、磁場強度或制成各種運算器，還可測微小位移、壓力、振動等霍爾電勢霍爾常數(shù)霍爾常數(shù)大小取決于導(dǎo)體的載流子密度：金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢也小，所以金屬材料不宜制作霍爾元件。霍爾電勢與導(dǎo)體厚度d成反比：為了提高霍爾電勢值，霍爾元件制成薄片形狀。

霍爾元件靈敏度（靈敏系數(shù)）

半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運動平均速度）比空穴遷移率高，因此N型半導(dǎo)體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件，

霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路霍爾元件圖（a）中，從矩形薄片半導(dǎo)體基片上的兩個相互垂直方向側(cè)面上，引出一對電極，其中1-1電極用于加控制電流，稱控制電極。另一對2-2電極用于引出霍爾電勢，稱霍爾電勢輸出極。在基片外面用金屬或陶瓷、環(huán)氧樹脂等封裝作為外殼圖（b）是霍爾元件通用的圖形符號。圖（c）所示，霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對霍爾電勢數(shù)值影響很大。通常霍爾電極位于基片長度的中間，其寬度遠小于基片的長度。圖（d）是基本測量電路。

國產(chǎn)霍爾元件型號的命名方法6.3霍爾元件的主要特性參數(shù)：(1)輸入電阻和輸出電阻

輸入電阻：控制電極間的電阻

輸出電阻：霍爾電極之間的電阻測量以上電阻時，應(yīng)在沒有外磁場和室溫變化的條件下進行。

(2)額定控制電流和最大允許控制電流

額定控制電流：當霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產(chǎn)生10℃溫升時，對應(yīng)的控制電流值

最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對應(yīng)的控制電流值(3)不等位電勢Uo和不等位電阻ro

不等位電勢：當霍爾元件的控制電流為額定值時，若元件所處位置的磁感應(yīng)強度為零，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

產(chǎn)生原因:主要由霍爾電極安裝不對稱造成的,由于半導(dǎo)體材料的電阻率不均勻、基片的厚度和寬度不一致、霍爾電極與基片的接觸不良（部分接觸）等原因，即使霍爾電極的裝配絕對對稱，也會產(chǎn)生不等位電勢。6.4霍爾元件誤差及補償1.不等位電勢誤差的補償2.溫度誤差及其補償1.不等位電勢誤差的補償可以把霍爾元件視為一個四臂電阻電橋，不等位電勢就相當于電橋的初始不平衡輸出電壓。

不等位電勢是霍爾元件在加控制電流而不加外磁場時，而出現(xiàn)的霍爾電勢稱為零位誤差。在分析不等位電勢時，可將霍爾元件等效為一個電橋，如右圖所示。控制電極A、B和霍爾電極C、D可看作電橋的電阻連接點。它們之間分布電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成四個橋臂，控制電壓可視為電橋的工作電壓。不等位電勢誤差的補償

理想情況下，不等位電勢UM=0，對應(yīng)于電橋的平衡狀態(tài)，此時R1＝R2＝R3＝R4。如果霍爾元件的UM≠0，則電橋就處于不平衡狀態(tài)，此時R1、R2、R3、R4的阻值有差異，UM就是電橋的不平衡輸出電壓。只要能使電橋達到平衡的方法都可作為不等位電勢的補償方法。（一）基本補償電路

霍爾元件的不等位電勢補償電路有多種形式，圖為常見電路，其中Rp是調(diào)節(jié)電阻?；狙a償電路沒有考慮溫度變化的影響。當溫度發(fā)生變化，需要重新進行平衡調(diào)節(jié)。常用的電勢補償電路對稱電路

當溫度變化時，補償?shù)姆€(wěn)定性要好些（二）具有溫度補償?shù)难a償電路右圖是一種常見的具有溫度補償?shù)牟坏任浑妱菅a償電路。該補償電路本身也接成橋式電路，其工作電壓有霍爾元件的控制電壓提供；其中一個為熱敏電阻Rt，并且于霍爾元件的等效電阻的溫度特性相同。在該電橋的負載電阻RP2上取出電橋的部分輸出電壓（稱為補償電壓），與霍爾元件的輸出電壓反向串聯(lián)。在磁感應(yīng)強度B為零時，調(diào)節(jié)RP1和RP2，使補償電壓抵消霍爾元件此時輸出的不等位電勢，從而使B＝0時的總輸出電壓為零。在霍爾元件的工作溫度下限T1時，熱敏電阻的阻值為Rt（T1）。電位器RP2保持在某一確定位置，通過調(diào)節(jié)電位器的RP1來調(diào)節(jié)補償電橋的工作電壓，使補償電壓抵消此時的不等位電勢UML，此時的補償電壓稱為恒定補償電壓。當工作溫度T1升高到T1

＋ΔT時，熱敏電阻的阻值為Rt（T1＋ΔT

）。RP1保持不變，通過調(diào)節(jié)RP2，使補償電壓抵消此時的不等位電勢UML＋ΔUM。此時的補償電壓實際上包含了兩個分量，一個是抵消工作溫度為T1時的不等位電勢UML的恒定補償電壓分量，另一個是抵消工作溫度升高ΔT時的不等位電勢的變化量ΔUM的變化補償電壓分量。根據(jù)上述討論可知，采用橋式補償電路，可以在霍爾元件的整個溫度范圍內(nèi)對不等位電勢進行良好的補償，并且對不等位電勢的恒定部分和變化部分的補償可獨立地進行調(diào)節(jié)。所以，可達到相當高的補償精度。2.溫度誤差及其補償溫度誤差產(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)。 當溫度變化時，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。減小霍爾元件的溫度誤差選用溫度系數(shù)小的元件采用恒溫措施采用恒流源供電電橋法（一）恒流源溫度補償

霍爾元件的靈敏系數(shù)也是溫度的函數(shù)，它隨溫度的變化引起霍爾電勢的變化，霍爾元件的靈敏系數(shù)與溫度的關(guān)系KH0

溫度T0時的KH值；溫度變化量；霍爾電勢的溫度系數(shù)。

分析：

大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值時，它們的霍爾電勢隨溫度的升高而增加（1+α△t）倍。同時，讓控制電流I相應(yīng)地減小，能保持KHI不變就抵消了靈敏系數(shù)值增加的影響。恒流源溫度補償電路

當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻自動地加強分流，減少了霍爾元件的控制電流控制電流溫度升到T時，電路中各參數(shù)變?yōu)闇囟葹門0時霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)；分流電阻溫度系數(shù)。

為使霍爾電勢不變，補償電路必須滿足:升溫前、后的霍爾電勢不變經(jīng)整理，忽略高次項后得

當霍爾元件選定后，它的輸入電阻和溫度系數(shù)及霍爾電勢溫度系數(shù)可以從元件參數(shù)表中查到（可以測量出來），用上式即可計算出分流電阻及所需的分流電阻溫度系數(shù)值。0iR（二）合理選擇負載電阻如上圖所示，若霍爾電勢輸出端接負載電阻RL，則當溫度為T時，RL上的電壓可表示為：式中R0—霍爾元件的輸出電阻。當溫度由T變?yōu)門+ΔT時，則RL上的電壓變?yōu)槭街笑痢魻栯妱莸臏囟认禂?shù)；

β—霍爾元件輸出電阻的溫度系數(shù)。要使UL不受溫度變化的影響，即ΔUL＝0，由上兩式可知，必須對上式進行整理可得

對于一個確定的霍爾元件，可以方便地獲得α、β和R0的值，因此只要使負載電阻RL滿足上式，就可在輸出回路實現(xiàn)對溫度誤差的補償了。雖然RL通常是放大器的輸入電阻或表頭內(nèi)阻，其值是一定的，但可通過串、并聯(lián)電阻來調(diào)整RL的值。（三）采用熱敏元件對于由溫度系數(shù)較大的半導(dǎo)體材料（如銻化銦）制成的霍爾元件，常采用右圖所示的溫度補償電路，圖中Rt是熱敏元件（熱電阻或熱敏電阻）。圖（a）是在輸入回路進行溫度補償電路，當溫度變化時，用Rt的變化來抵消霍爾元件的乘積靈敏度KH和輸入電阻Ri變化對霍爾輸出電勢UH的影響。

圖（b）則是在輸出回路進行溫度補償?shù)碾娐罚敎囟茸兓瘯r，用Rt的變化來抵消霍爾電勢UH和輸出電阻R0變化對負載電阻RL上的電壓UL的影響。在安裝測量電路時，應(yīng)使熱敏元件和霍爾元件的溫度一致。6.5霍爾式傳感器的應(yīng)用優(yōu)點:

結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，頻帶寬，動態(tài)特性好和壽命長應(yīng)用：電磁測量：測量恒定的或交變的磁感應(yīng)強度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數(shù)；自動檢測系統(tǒng)：多用于位移、壓力的測量。1.微位移和壓力的測量測量原理： 霍爾電勢與磁感應(yīng)強度成正比，若磁感應(yīng)強度是位置的函數(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、機械振動、加速度產(chǎn)生梯度磁場的示意圖位移量較小，適于測量微位移和機械振動霍爾式壓力傳感器彈簧管磁鐵霍爾片

加速度傳感器2.磁場的測量 在控制電流恒定條件下，霍爾電勢大小與磁感應(yīng)強度成正比，由于霍爾元件的結(jié)構(gòu)特點，它特別適用于微小氣隙中的磁感應(yīng)強度、高梯度磁場參數(shù)的測量?；魻栯妱菔谴艌龇较蚺c霍爾基片法線方向之間夾角的函數(shù)。應(yīng)用：霍爾式磁羅盤、霍爾式方位傳感器、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，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經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(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)霍爾霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號。

霍爾元件磁鐵霍爾式無觸點汽車電子點火裝置

采用霍爾式無觸點電子點火裝置能較好地克服汽車合金觸點點火時間不準確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。汽車點火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理

采用霍爾式無觸點電子點火裝置無磨損、點火時間準確、高速時動力足。桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖

1-觸發(fā)器葉片2-槽口3-分電器轉(zhuǎn)軸4-永久磁鐵

5-霍爾集成電路（PNP型霍爾IC）a）帶缺口的觸發(fā)器葉片b）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關(guān)系c）葉片位置與點火正時的關(guān)系霍爾式無觸點汽車電子點火裝置(續(xù)）

當葉片遮擋在霍爾IC面前時，PNP型霍爾IC的輸出為低電平，晶體管功率開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，點火線圈低壓側(cè)有較大電流通過，并以磁場能量的形式儲存在點火線圈的鐵心中。

汽車電子點火電路及波形1—點火開關(guān)2—達林頓晶體管功率開關(guān)3—點火線圈低壓側(cè)4—點火線圈鐵心5—點火線圈高壓側(cè)6—分火頭7—火花塞

a）電路b）霍爾IC及點火線圈高壓側(cè)輸出波形

當葉片槽口轉(zhuǎn)到霍爾IC面前時，霍爾IC輸出跳變?yōu)楦唠娖?，?jīng)反相變?yōu)榈碗娖?，達林頓管截止，切斷點火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒有續(xù)流元件，所以存儲在點火線圈鐵心中的磁場能量在高壓側(cè)感應(yīng)出30~50kV的高電壓。汽車電子點火裝置使用的點火控制器、霍爾傳感器及點火總成磁鐵點火總成霍爾式無刷電動機

霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉(zhuǎn)。由于無刷電動機不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機、CD唱機、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。普通直流電動機使用的電刷和換向器無刷電動機在電動自行車上的應(yīng)用電動自行車可充電電池組無刷電動機無刷電動機在電動自行車上的應(yīng)用

無刷直流電動機的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個狀態(tài)編碼信號，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無火花、可靠性強等特點。電動自行車的無刷電動機及控制電路速度控制器

利用PWM調(diào)速光驅(qū)用的無刷電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)霍爾式接近開關(guān)

當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵?；魻柺浇咏_關(guān)

用霍爾IC也能完成接近開關(guān)的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強的閉合磁場。

在右圖中，當磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動電路使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。

霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示n=60f4