霍尔位移传感器的设计

霍尔位移传感器的设计霍尔位移传感器的设计 学院 系 学院 系 电气信息工程学院电气信息工程学院 年级专业 年级专业 电自电自 0910209102 学学 号 号 4030920140309201 学生姓名 学生姓名 黄晶晶黄晶晶 摘要 霍尔传感器是基于霍效应而将被测量转化成电动势输出的 一种传感器 霍尔元件已发展成一个品种多样的磁传感器产品簇 并且得到广泛的应用 霍尔器件是一种磁传感器 用它可以检测磁 场及其变化 可以在各种与磁有关的场合中使用 霍尔期间以霍尔 效应为其工作原理 本文主要研究霍尔位移传感器的设计 如图所示 被测物体分 别与恒定电流 I 和恒定磁场 B 垂直 当被测物体相对于原来位置有 微小位移变化时 会产生变化的磁通量 会在导体垂直于磁场和电 流的两个端面之间产生电势差 即 UH 霍尔电压 本文主要研 究微小位移与霍尔电压的关系来设计霍尔位移传感器 关键字 霍尔传感器 位移 霍尔电压 霍尔效应原理图 正文 一 霍尔传感器的工作原理 1 霍尔效应 如霍尔效应原理图所示 在半导体薄片两端通以恒定电流 I 并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为 B 的匀强磁场 则在垂直于 电流和磁场的方向上 将产生电势差为 UH 的霍尔电压 它们之间 的关系为 UH KHIBCOSA 式中 KH 称为霍尔系数 它的大小与 薄片的材料有关 上述效应称为霍尔效应 它是德国物理学家霍尔 于 1879 年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的 I 为所加 的电流 一般为恒流源 B 为均匀磁场 A 为磁场与法线的夹角 EH 为电场 图中所示 2 霍尔元件 霍尔元件是半导体四端薄片 一般做成正方形 在薄片的相对 两侧对称的焊上两对电极引出线 一对称激励电流端 另一对称霍 尔电势输出端 如下图所示 霍尔元件结构 3 霍尔元件的主要特性及材料 1 霍尔元件的主要特性参数 灵敏度 KH 表示元件在单位的磁感应强度和单位控制电流所 得到的开路霍尔电动势 霍尔输入电阻 霍尔控制及间的电阻值 霍尔最大允许激励电流 以霍尔元件允许的最大温度为限所对 应的激励电流 不等位电势 当霍尔元件的控制电流为额定值时 若元件所处 位置的磁感应强度为零 测得的空载霍尔电势 不等位电势是由霍 尔电极 2 和之间的电阻决定的 r 0 称不等位电阻 寄生直流电势 霍尔元件零位误差的一部分 当没有外加磁场 霍尔元件用交流控制电流时 霍尔电极的输出有 一个直流电势控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触 时 会产生整流效应 两个霍尔电极焊点的不一致 引起两电极温 度不同产生温差电势 霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和控制电流下 温度每 变化 1 度时 霍尔电势变化的百分率 基本应用电路 2 霍尔元件的材料 目前最常用的霍尔元件材料是锗 Ge 硅 Si 锑化铟 InSb 砷化铟 InAs 和不同比例亚砷酸铟和磷酸铟组成的 In AsyP1 y 型固熔体 其中y表示百分比 等半导体材料 其中 N 型锗容易加工制造 其霍尔系数 温度性能和线性度都较好 N 型 硅的线性度最好 其霍尔系数 温度性能同 N 型锗 但其电子迁移 率比较低 带负载能力较差 通常不用作单个霍尔元件 锑化铟对 温度最敏感 尤其在低温范围内温度系数大 但在室温时其霍尔系 数较大 砷化铟的霍尔系数较小 温度系数也较小 输出特性线性 度好 In AsyP1 y 型固熔体的热稳定性最好 二 霍尔元件的误差及补偿 1 霍尔元件的零位误差与补偿 霍尔元件的零位误差是指无外加磁场或无控制电流情况下霍尔 元件产生输出电压并由此产生误差 它主要表现有以下几种形式 1 不等位电动势 它是零位误差中最重要的一种 他是当霍尔元件在额定控制电流下 不外加磁场时 霍尔输出端之间的空载电动势 2 寄生直流电势 再无磁场的情况下 元件通入交流电流 输出端除交流不等位电压 以外的直流分量 3 感应零电动势 感应零电动势是在未通电流情况下 由于脉动或交变磁场作用在输 出端产生的电动势 4 自激场零电动势 霍尔元件控制电流产生自激场 2 霍尔元件的温度误差及补偿 1 温度误差产生原因 霍尔元件的基片是半导体材料 因而对温度的变化很敏感 其 载流子浓度和载流子迁移率 电阻率和霍尔系数都是温度的函数 当温度变化时 霍尔元件的一些特性参数 如霍尔电势 输入电阻 和输出电阻等都要发生变化 从而使霍尔式传感器产生温度误差 2 减小霍尔元件的温度误差的方法 选用温度系数小的元件 采用恒温措施 采用恒流源供电 采 用适当的补偿电路 恒流源温度补偿电路 注 当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时 旁路分流电阻自 动地加强分流 减少了霍尔元件的控制电流 三 霍尔传感器的应用 1 霍尔传感器的优点及应用 1 优点 结构简单 体积小 重量轻 频带宽 动态特性好和寿命 长 2 应用 电磁测量 测量恒定的或交变的磁感应强度 有功功率 无功功率 相位 电能等参数 自动检测系统 多用于位移 压力的测量 2 微位移和压力的测量 测量原理 霍尔电势与磁感应强度成正比 若磁感应强度是位置的 函数 则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置 应用 位移测量 力 压力 应变 机械振动 加速度 3 霍尔位移传感器的设计电路图 图 1 图 2 图 1 特殊用法 使得霍尔元件的输出不必使用差值放就可以处理 UH 的信号放大 及与图 3 的恒流源构成温度度补偿电路 图中的纳 极管期限压的作用 使 1 3 端的电压不超过 5 1V 图 2 的功能 霍尔电压的放大及霍尔元件的归零校正 既当无电流 或无磁场或无微小位移变动时 霍尔电压不为零 可通过滑动变阻 器调节电阻使最后输出电压变为零 图 3 图 3 是恒流源 他可以使输出电流恒定不变 维持在一定的数值 通过调节图中滑动变阻器的变化可以改变图中恒流源的输出值 4 霍尔元件的技术参数 1 测量范围 由于没弄实物 无法得知该电路的实际测量范围 但 通过查资料可知霍尔式传感器的测量范围一般大约在 1 到 2mm 之间 2 迟滞误差 因为电路仿真无迟滞误差 所以不确定 但由于电路 有滑动变阻器可以调节 弄实物时迟滞误差应该不会太大 3 电压灵敏度 在这里的电压灵敏度为最后电压输出差值与位移差 值的比值乘 参考文献 张玉龙等 传感器电路设计手