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2020 1 24 1 第九章霍尔传感器 本章主要讲述内容 1 霍尔传感器的工作原理2 霍尔元件的基本结构和主要技术指标3 霍尔元件的测量电路4 霍尔传感器举例 2020 1 24 2 概述 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器 得到广泛的应用 可以检测磁场及其变化 可在各种与磁场有关的场合中使用 霍尔器件以霍尔效应为其工作基础 特点 霍尔器件具有许多优点 它们的结构牢固 体积小 重量轻 寿命长 安装方便 功耗小 频率高 耐震动 不怕灰尘 油污 水汽及盐雾等的污染或腐蚀 第一节霍尔元件的基本工作原理 2020 1 24 3 霍尔效应原理图 2020 1 24 4 霍尔元件 金属或半导体薄片置于磁场中 当有电流流过时 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 这种物理现象称为霍尔效应 2020 1 24 5 设图中的材料是 型半导体 导电的载流子是电子 在 轴方向的磁场作用下 电子将受到一个沿 轴负方向力的作用 这个力就是洛仑兹力 它的大小为 FL evB FL 2020 1 24 6 电荷的聚积必将产生静电场 即为霍尔电场 该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反 将阻止电子继续偏转 其大小为 式中EH为霍尔电场 e为电子电量 UH为霍尔电势 当FL FE时 电子的积累达到动平衡 即 所以 FL FE 2020 1 24 7 设流过霍尔元件的电流为I时 式中ld为与电流方向垂直的截面积 n为单位体积内自由电子数 载流子浓度 则 I A D B C B l L d U H A B 霍尔电极 C D 控制电极 FL FE 2020 1 24 8 令 RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数 由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度 所以 半导体霍尔系数大于导体 霍尔系数及灵敏度 则 2020 1 24 9 KH为霍尔元件的灵敏度 由上述讨论可知 霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关 还与霍尔元件的几何尺寸有关 一般要求霍尔元件灵敏度越大越好 霍尔元件灵敏度的公式可知 霍尔元件的厚度d与KH成反比 令则 2020 1 24 10 通过以上分析可知 1 霍尔电压UH与材料的性质有关n愈大 KH愈小 霍尔灵敏度愈低 n愈小 KH愈大 但n太小 需施加极高的电压才能产生很小的电流 因此霍尔元件一般采用N型半导体材料 2020 1 24 11 2 霍尔电压UH与元件的尺寸有关 d愈小 KH愈大 霍尔灵敏度愈高 所以霍尔元件的厚度都比较薄 但d太小 会使元件的输入 输出电阻增加 霍尔电压UH与控制电流及磁场强度成正比 当磁场改变方向时 也改变方向 2020 1 24 12 若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度 则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为Bcos 因此UH KHIBcos 2020 1 24 13 3 P型半导体 其多数载流子是空穴 也存在霍尔效应 但极性和N型半导体的相反 4 霍尔电压UH与磁场B和电流I成正比 只要测出UH 那么B或I的未知量均可利用霍尔元件进行测量 2020 1 24 14 一 霍尔元件的基本结构组成由霍尔片 四根引线和壳体组成 如下图示 第二节霍尔元件的基本结构和主要技术指标 2020 1 24 15 国产霍尔元件型号的命名方法 2020 1 24 16 二 主要技术指标 1 额定控制电流IC和最大控制电流ICm霍尔元件在空气中产生10 的温升时所施加的控制电流称为额定控制电流IC 在相同的磁感应强度下 IC值较大则可获得较大的霍尔输出 霍尔元件限制IC的主要因素是散热条件 一般锗元件的最大允许温升 Tm 80 硅元件的 Tm 175 当霍尔元件的温升达到 Tm时的IC就是最大控制电流ICm 2020 1 24 17 霍尔元件的乘积灵敏度定义为在单位控制电流和单位磁感应强度下 霍尔电势输出端开路时的电势值 其单位为V AT 它反应了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力 一般希望它越大越好 2 乘积灵敏度KH 其定义 2020 1 24 18 3 输入电阻Ri和输出电阻R0 Ri是指流过控制电流的电极 简称控制电极 间的电阻值 R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极 简称霍尔电极 间的电阻 单位为 可以在无磁场即B 0和室温 205 时 用欧姆表等测量 2020 1 24 19 在额定控制电流Ic之下 不加磁B 0时 霍尔电极间的空载霍尔电势UH 0 称为不平衡 不等位 电势 单位为mV 一般要求霍尔元件的UH 1mV 好的霍尔元件的UH可以小于0 1mV 不等位电势和额定控制电流Ic之比为不等位电阻RM 即 4 不等位电势UM和不等位电阻RM 2020 1 24 20 不平衡电势UH是主要的零位误差 因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上 如下图 a 所示 当控制电流I流过时 即使末加外磁场 A B两电极此时仍存在电位差 此电位差被称为不等位电势 不平衡电势 UH 2020 1 24 21 在一定的磁感应强度和控制电流下 温度变化1 时 霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数 单位为1 5 霍尔电势温度系数 2020 1 24 22 一 基本测量电路控制电流I由电源E供给 电位器R调节控制电流I的大小 霍尔元件输出接负载电阻RL RL可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻 由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下 才会产生霍尔电势UH 所以在测量中 可以把I 第三节霍尔元件的测量电路 与B的乘积 或者I 或者B作为输入情号 则霍尔元件的输出电势分别正比于IB或I或B 2020 1 24 23 为了获得较大的霍尔输出电势 可以采用几片叠加的连接方式 下图 a 为直流供电 控制电流端并联输出串联 下图 b 为交流供电 控制电流端串联变压器叠加输出 连接方式 2020 1 24 24 由于载流子浓度等随温度变化而变化 因此会导致霍尔元件的内阻 霍尔电势等也随温度变化而变化 这种变化程度随不同半导体材料有所不同 而且温度高到一定程度 产生的变化相当大 温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差 针对温度变化导致内阻 输入 输出电阻 的变化 可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿 二 温度误差及其补偿 2020 1 24 25 一 采用恒流源提供控制电流 对于上图所示的基本测量电路 设温度由T增加到T T 因霍尔片的电子浓度n增加 从而使霍尔元件的乘积灵敏度由KH减小到KH 1 T 其中 是KH的温度系数 2020 1 24 26 另一方面霍尔元件输入电阻由Ri减小到Ri 1 T 其中 是Ri的温度系数 输入电阻的变化将使控制电流由IC变为IC IC 此时霍尔电势将由UH KHICB变为UH UH KH 1 T IC IC B 要使 UH 0 必须IC 1 T IC IC 2020 1 24 27 要满足IC 1 T IC IC 为此采用上图所示的电源为恒流源的测量电路 电路中并联一个起分流作用的补偿电阻R 根据上图可得 式中 补偿电阻R的温度系数 2020 1 24 28 将这两式 代入 对上式进行整理 并忽略 T 2项可得 得到 2020 1 24 29 对于一个确定的霍尔元件 和 值可由元件参数表查得 Ri可在无外磁场和室温条件下直接测得 因此只要选择适当的补偿电阻 使其R和 满足上式 就可在输入回路实现对温度误差的补偿了 2020 1 24 30 二 合理选择负载电阻 如上图所示 若霍尔电势输出端接负载电阻RL 则当温度为T时 RL上的电压可表示为 式中R0 霍尔元件的输出电阻 2020 1 24 31 当温度由T变为T T时 则RL上的电压变为 式中 霍尔电势的温度系数 霍尔元件输出电阻的温度系数 要使UL不受温度变化的影响 即 UL 0 由上两式可知 必须 对上式进行整理可得 2020 1 24 32 对于一个确定的霍尔元件 可以方便地获得 和R0的值 因此只要使负载电阻RL满足上式 就可在输出回路实现对温度误差的补偿了 虽然RL通常是放大器的输入电阻或表头内阻 其值是一定的 但可通过串 并联电阻来调整RL的值 2020 1 24 33 三 采用热敏元件 对于由温度系数较大的半导体材料 如锑化铟 制成的霍尔元件 常采用右图所示的温度补偿电路 图中Rt是热敏元件 热电阻或热敏电阻 2020 1 24 34 图 a 是在输入回路进行温度补偿电路 当温度变化时 用Rt的变化来抵消霍尔元件的乘积灵敏度KH和输入电阻Ri变化对霍尔输出电势UH的影响 2020 1 24 35 图 b 则是在输出回路进行温度补偿的电路 当温度变化时 用Rt的变化来抵消霍尔电势UH和输出电阻R0变化对负载电阻RL上的电压UL的影响 在安装测量电路时 应使热敏元件和霍尔元件的温度一致 2020 1 24 36 不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时 而出现的霍尔电势称为零位误差 在分析不等位电势时 可将霍尔元件等效为一个电桥 如右图所示 控制电极A B和霍尔电极C D可看作电桥的电阻连接点 它们之间分布电阻R1 R2 R3 R4构成四个桥臂 控制电压可视为电桥的工作电压 三 不等位电势的补偿 2020 1 24 37 理想情况下 不等位电势UM 0 对应于电桥的平衡状态 此时R1 R2 R3 R4 如果霍尔元件的UM 0 则电桥就处于不平衡状态 此时R1 R2 R3 R4的阻值有差异 UM就是电桥的不平衡输出电压 只要能使电桥达到平衡的方法都可作为不等位电势的补偿方法 2020 1 24 38 一 基本补偿电路 霍尔元件的不等位电势补偿电路有多种形式 图9 7为两种常见电路 其中RW是调节电阻 基本补偿电路没有考虑温度变化的影响 当温度发生变化 需要重新进行平衡调节 2020 1 24 39 二 具有温度补偿的补偿电路 右图是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路 该补偿电路本身也接成桥式电路 其工作电压有霍尔元件的控制电压提供 其中一个为热敏电阻Rt 并且于霍尔元件的等效电阻的温度特性相同 2020 1 24 40 在该电桥的负载电阻RP2上取出电桥的部分输出电压 称为补偿电压 与霍尔元件的输出电压反向串联 在磁感应强度B为零时 调节RP1和RP2 使补偿电压抵消霍尔元件此时输出的不等位电势 从而使B 0时的总输出电压为零 2020 1 24 41 在霍尔元件的工作温度下限T1时 热敏电阻的阻值为Rt T1 电位器RP2保持在某一确定位置 通过调节电位器的RP1来调节补偿电桥的工作电压 使补偿电压抵消此时的不等位电势UML 此时的补偿电压称为恒定补偿电压 2020 1 24 42 当工作温度T1升高到T1 T时 热敏电阻的阻值为Rt T1 T RP1保持不变 通过调节RP2 使补偿电压抵消此时的不等位电势UML UM 此时的补偿电压实际上包含了两个分量 一个是抵消工作温度为T1时的不等位电势UML的恒定补偿电压分量 另一个是抵消工作温度升高 T时的不等位电势的变化量 UM的变化补偿电压分量 2020 1 24 43 根据上述讨论可知 采用桥式补偿电路 可以在霍尔元件的整个温度范围内对不等位电势进行良好的补偿 并且对不等位电势的恒定部分和变化部分的补偿可独立地进行调节 所以 可达到相当高的补偿精度 2020 1 24 44 第四节霍尔式传感器举例 一 将被测量转换为磁感应强度B保持霍尔元件的控制电流I恒定不变 就可测量磁感应强度B 以及位移 角度等可直接转换为B的物理量 进一步还可以测量先转换成位移或角度 然后间接转换为B的物理量 如振动 压力 速度 加速度 转速等等 下面以霍尔式压力传感器为例进行说明 图9 9霍尔压力传感器结构原理图 霍尔式压力传感器 霍尔式压力传感器由两部分组成 一部分是弹性敏感元件的波登管用以感受压力P 并将P转换为弹性元件的位移量x 即x KPP 其中系数KP为常数 另一部分是霍尔元件和磁系统 磁系统形成一个均匀梯度磁场 如右图所示 在其工作范围内 B KBx 其中斜率KB为常数 霍尔元件固定在弹性元件上 因此霍尔元件在均匀梯度磁场中的位移也是x 这样 霍尔电势UH与被测压力P之间的关系就可表示为UH KHIB KHIKBKPP KP式中KHIKBKP K 霍尔式压力传感器的输出灵敏度 2020 1 24 47 二 将被测量转换为I与B的乘积 右图为霍尔式单相交流功率计的基本电路 设输入电压 经过降压电阻R得到霍尔元件的控制电流 负载ZL上的电流 流过铁心线圈 产生垂直于霍尔平面的交变磁感应强度B 且B正比于i 即 2020 1 24 48 霍尔输出电势uH KHiCB将前两式代入上式可得 式中K KHK1K2 常系数 若求uH的平均值 则上式中cos 2 t 为零 因此 通过测出平均霍尔电势 即可求出负载ZL上的有功功率 2020 1 24 49 将图中的电阻改用电容C代替 则使iC产生90 相移 同理可得 可见利用霍尔元件也可测量单相负载上的无功功率 若使用三个串联的霍尔元件和适当的电路 则可测量三相负载上的有功功率和无功功率 本章小结 1 在霍尔元件的平面法线方向施加磁感应强度B 经由控制电流引线通入控制电流 则由于洛仑兹力的作用 两个霍尔电极上出现相反极性载流子的积累 从而在霍尔电势输出引线之间产生