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29 03 2020 1 第六章霍尔传感器 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 29 03 2020 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 29 03 2020 3 霍尔效应原理图 29 03 2020 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 29 03 2020 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 29 03 2020 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 29 03 2020 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 29 03 2020 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 29 03 2020 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 29 03 2020 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 29 03 2020 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 29 03 2020 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 29 03 2020 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 29 03 2020 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 29 03 2020 15 国产霍尔元件型号的命名方法 29 03 2020 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 随着激励电流的增大 霍尔元件的功耗也随之增大 元件的温度升高 将引起霍尔电势的温漂 因此对霍尔元件要规定最大激励电流 29 03 2020 17 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时的电流就是最大控制电流ICm 29 03 2020 18 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 29 03 2020 19 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 29 03 2020 20 若温度变化 则引起输入电阻变化 从而使输入电流发生改变 最终导致霍尔电势变化 输出电阻也会随着环境温度的变化而变化 适当选择负载与之匹配 可以减小霍尔电势的温度漂移 29 03 2020 21 3 最大磁感应强度BM 由霍尔效应可知 磁感应强度的增加将使霍尔电势的输出增加 但磁感应强度若超过一定的界限 霍尔电势的非线性明显增加 故规定了BM来抑制非线性 29 03 2020 22 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 5 不等位电势UM和不等位电阻RM 29 03 2020 23 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 29 03 2020 24 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 6 霍尔电势温度系数 29 03 2020 25 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 29 03 2020 26 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 29 03 2020 27 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 29 03 2020 28 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 29 03 2020 29 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 29 03 2020 30 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 29 03 2020 31 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 29 03 2020 32 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 29 03 2020 33 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 29 03 2020 34 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 29 03 2020 35 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 29 03 2020 36 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 29 03 2020 37 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 29 03 2020 38 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 29 03 2020 39 优点 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 29 03 2020 40 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 29 03 2020 41 图9 9霍尔压力传感器结构原理图 霍尔式压力传感器 29 03 2020 42 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 29 03 2020 43 2检测铁磁物体在霍尔线性电路背面偏置一个永磁体 如图所示 图 a 表示检测铁磁物体的缺口 图 b 表示检测齿轮的齿 它们的电路接法见图 用这种方法可以检测齿轮的转速 用霍尔线性电路检测铁磁物体用霍尔线性电路检测齿口的线路 29 03 2020 44 3无损探伤霍尔无损探伤已在炮膛探伤 管道探伤 海用缆绳探伤 船体探伤以及材料检验等方面得到广泛应用 铁磁材料受到磁场激励时 因其导磁率高 磁阻小 磁力线都集中在材料内部 若材料均匀 磁力线分布也均匀 如果材料中有缺陷 如小孔 裂纹等 在缺陷处 磁力线会发生弯曲 使局部磁场发生畸变 用霍尔探头检出这种畸变 经过数据处理 可辨别出缺陷的位置 性质 孔或裂纹 和大小 如深度 宽度等 图示出两种用于无损探伤的探头结构 a 无损探伤的探头结构 b 检测板材用图1用于无损探伤的两种霍尔探头 29 03 2020 45 4霍尔齿轮传感器新一代的霍尔齿轮转速传感器 广泛用于新一代的汽车智能发动机 作为点火定时用的速度传感器 用于ABS 汽车防抱死制动系统 作为车速传感器等 在汽车的新一代智能发动机中 用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置和活塞在汽缸中的运动速度 以提供更准确的点火时间 其作用是别的速度传感器难以代替的 它具有如下许多新的优点 29 03 2020 46 5霍尔接近传感器和接近开关 在霍尔器件背后偏置一块永久磁体 并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内 做成一个探头 将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来 构成如图2所示的接近传感器 图2霍尔接近传感器的外形图 29 03 2020 47 霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数 黑色金属的厚度检测 距离检测 齿轮数齿 转速检测 测速调速 缺口传感 张力检测 棉条均匀检测 电磁量检测 角度检测等 接近开关霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置 完成所需的位置控制 加工尺寸控制 自动计数 各种计数 各种流程的自动衔接 液位控制 转速检测等等 29 03 2020 48 6旋转传感器按不同的方法设置磁体 将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器 霍尔电路通电后 磁体每经过霍尔电路一次 便输出一个电压脉冲 a 径向磁极 b 轴向磁极 c 遮断式图3旋转传感器磁体设置 29 03 2020 49 由此 可对转动物体实施转数 转速 角度 角速度等物理量的检测 在转轴上固定一个叶轮和磁体 用流体 气体 液体 去推动叶轮转动 便可构成流速 流量传感器 在车轮转轴上装上磁体 在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路 可制成车速表 里程表等等 29 03 2020 50 图4霍尔流量计 图4的壳体内装有一个带磁体的叶轮 磁体旁装有霍尔开关电路 被测流体从管道一端通入 推动叶轮带动与之相连的磁体转动 经过霍尔器件时 电路输出脉冲电压 由脉冲的数目 可以得到流体的流速 若知管道的内径 可由流速和管径求得流量 霍尔电路由电缆来供电和输出 29 03 2020 51 7霍尔压力传感器霍尔压力传感器由弹性元件 磁系统和霍尔元件等部分组成 如图5所示 在图5中 a 的弹性元件为膜盒 b 为弹簧片 c 为波纹管 磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统 加上压力后 使磁系统和霍尔元件间产生相对位移 改变作用到霍尔元件上的磁场 从而改变它的输出电压VH 由事先校准的p f VH 曲线即可得到被测压力p的值 图5几种霍尔压力传感器的构成原理 29 03 2020 52 8霍尔应力检测装置图6示出用来进行土壤和砂子与钢界面上的法向和切向应力检测的霍尔传感器装置 a 检测剪切应力 b 检测压应力 箭头所指是施加的外力方向 29 03 2020 53 图6霍尔应力检测装置在图6 a 中 仪器上用钢作成上下两个块子 它们之间有两条较细的梁支撑 在钢下块上置一销柱 销上贴两对永磁体 形成均匀梯度磁场 在上块上贴两个霍尔传感器 受剪切力作用后 支撑梁发生形变 使霍尔传感器和磁场间发生位移 使传感器输出发生变化 由霍尔传感器的输出可从事先校准的曲线上查得与该装置相接的砂或土受到的剪切应力 图6 b 的磁体固定在受力后产生形变的膜片上 霍尔传感器固定在一杆上 检测原理同上 应用检测压应力的原理 可构成检测重量的装置 称作霍尔称重传感器 29 03 2020 54 实现电 磁 电的转换 众所周知 在有电流流过的导线周围会感生出磁场 该磁场与流过的电流的关系 可由安培环路定理求出 用霍尔器件检测由电流感生的磁场 即可测出产生这个磁场的电流的量值 由此 可以构成霍尔电流 电压传感器 29 03 2020 55 因为霍尔器件的输出电压与加在它上面的磁感应强度以及流过其中的工作电流的乘积成比例 是一个具有乘法器功能的器件 因而可用它检测电功率 构成具有各种特殊功能的霍尔功率计和霍尔电度表 由输入的电信号建立的磁场 经霍尔器件的作用 实现了磁电变换后 又变成电信号输出 这一变换实现了输入 输出信号间的电隔离 由此可构成隔离放大器 隔离耦合器等许多新型产品 29 03 2020 56 9霍尔电流传感器霍尔电流传感器的结构如图7所示 用一环形导磁材料作成磁芯 套在被测电流流过的导线上 将导线中电流感生的磁场聚集起来 在磁芯上开一气隙 内置一个霍尔线性器件 器件通电后 便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流 图7 a 所示的传感器用于测量电流强度较小的电流 图7 b 所示的传感器用于检测较大的电流 实际的霍尔电流传感器有两种构成形式 即直接测量式和零磁通式 图77霍尔电流传