磁电式传感器2

1、1同学们好！同学们好！马来西亚马来西亚 新行政区新行政区第第5 5章章 磁电式传感器磁电式传感器 磁电式传感器是通过磁电作用将被测量磁电式传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、位移、转速等如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种转换成电信号的一种传感器。磁电感应式传感器、霍尔式传感器传感器。磁电感应式传感器、霍尔式传感器都是磁电式传感器。都是磁电式传感器。磁电感应式传感器磁电感应式传感器是利是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电势的；用导体和磁场发生相对运动产生感应电势的；霍尔式传感器霍尔式传感器为载流半导体在磁场中有电磁为载流半导体在磁场中有电磁效应效应(霍尔效应霍尔效应)而输出电势的。它们

2、原理并不而输出电势的。它们原理并不完全相同，因此各有各的特点和应用范围。完全相同，因此各有各的特点和应用范围。3456二、测量电路二、测量电路 霍尔元件的基本测量电路如图霍尔元件的基本测量电路如图5-5-2222所示。所示。 激励电流由电源激励电流由电源E E供给，可供给，可变电阻变电阻R RP P用来调节激励电流用来调节激励电流I I的大小。的大小。R RL L为输出霍尔电势为输出霍尔电势U UH H的负载电阻。通的负载电阻。通常它是显示仪表、记录装置或放大器常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。的输入阻抗。7图5-22 霍尔元件的基本测量电路8W1W2UHUHWUHRLE910当霍尔

3、元件的激励电流为当霍尔元件的激励电流为I I时时, , 若元件所处位若元件所处位置磁感应强度为零置磁感应强度为零, , 则它的霍尔电势应该为则它的霍尔电势应该为零零, , 但实际不为零。但实际不为零。 这时测得的空载霍尔电这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。势称不等位电势。000BHIBKU11产生的原因有产生的原因有: 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上; ; 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均 匀（如片厚薄不均匀等）匀（如片厚薄不均匀等）; ; 激励电极接触不良造成激励电流不

4、均匀分布等。激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。 这些工艺上问题都将使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在这些工艺上问题都将使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电势。同一等位面上而产生不等位电势。 u 不等位电阻不等位电阻 不等位电势也可用不等位电阻表示: HIUr00124、寄生直流电势、寄生直流电势 当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时，当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时，霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和。其霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和。其中的交流霍尔电势与前述零位电势相对应，而直流中的交流霍尔电势与前述零位电势相对应，而直流霍尔电势是个寄

5、生量，称为寄生直流电势霍尔电势是个寄生量，称为寄生直流电势V V。5、热阻、热阻RQ 它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输入入lmWlmW的电功率时产生的温升，单位为的电功率时产生的温升，单位为0 0C CmWmW。所。所以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定条件下以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定条件下与电阻有关。与电阻有关。13dRKHH/ 14 型号型号 材料材料 控制控制 电流电流(mA) 霍尔霍尔 电压电压 (mV, 0.1T) 输入输入 电阻电阻 () 输出输出 电阻电阻 () 灵敏度灵敏度(mV/mA.T) 不等不等位电位电势势

6、(mV) VH温温度 系度 系数数(%/) EA218 InAs 100 8.58.5 3 3 1.1.5 5 0.35 0.35 0.5 13 13 6.56.5 2.42.4 0.750.75 11 0.070.07 VHG-110 GaAs 5 5 5 - -1010 200200- -800800 20200 0- -800800 3030- -220220 V 5 5 4 40 0 3030 2.52.5 _ _ - -0.020.02 MF07FZZ InSb 10 4040- -290290 8 8- -6060 8 8- -6565 _ _ 1010 - -2 2 MF19FZ

7、Z InSb 10 8080- -600600 8 8- -6060 8 8- -6565 _ _ 1010 - -2 2 MH07FZZ InSb 1V 8080- -120120 8080- -400400 8080- -430430 _ _ 1010 - -0.30.3 MH19FZZ InSb 1V 150150- -250250 8080- -400400 8080- -430430 _ _ 1010 - -0.30.3 KH-400A InSb 5 250250- -550550 240240- -550550 5050- -110110 5050- -11001100 1010

8、- -0.0.3 3 15AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R416图5-23 不等位电势的补偿电路17WCDAR2R3R4R1BWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a） （b） （c）WABCDWABCD (b)WCABD18温度误差 霍尔元件是采用半导体材料制成的霍尔元件是采用半导体材料制成的, , 因此它们的许多因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时参数都具有较大的温度系数。当温度变化时, , 霍尔元件的霍尔元件的电阻率及霍尔系数都将发生变化电阻率及霍尔系数都将发生变化, , 从而使霍尔元件产生温从而使霍尔元件产生温度误差。度误差。霍尔系数与温度的关系

9、可写成霍尔系数与温度的关系可写成 ： KH = KH0(1+ T)霍尔元件的输入电阻与温度变化的关系可写成霍尔元件的输入电阻与温度变化的关系可写成 r = r0(1+ T)19（1）分流电阻法分流电阻法 为了减小霍尔元件的温度误差为了减小霍尔元件的温度误差, , 除选用温度系数小除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外的元件或采用恒温措施外, , 由由U UH H=K=KH HIBIB可看出：采用恒可看出：采用恒流源供电是个有效措施流源供电是个有效措施, , 可以使霍尔电势稳定。可以使霍尔电势稳定。 但也但也只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励

10、电流I I变化所带来的影响。变化所带来的影响。 大多数霍尔元件的温度系数大多数霍尔元件的温度系数 是正值是正值, , 它们的它们的霍尔电势随温度升高而增加（霍尔电势随温度升高而增加（1+1+ TT）倍。如果）倍。如果, ,与此与此同时让激励电流同时让激励电流I I相应地减小相应地减小, , 并能保持并能保持 K KH HI I 乘积不乘积不变变, , 也就抵消了灵敏系数也就抵消了灵敏系数K KH H 增加的影响。图增加的影响。图 5-6 5-6 就是就是按此思路设计的一个既简单、按此思路设计的一个既简单、 补偿效果又较好的补偿补偿效果又较好的补偿电路。电路。20 恒流源的分流电阻温度补偿法常采

11、用图恒流源的分流电阻温度补偿法常采用图5-65-6的补偿电的补偿电路电路中用一个分流电阻路电路中用一个分流电阻R R0 0与霍尔元件的激励电极相并联。与霍尔元件的激励电极相并联。 当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时, , 旁路分流电旁路分流电阻阻R R0 0自动地加强分流自动地加强分流, , 减少了霍尔元件的激励电流减少了霍尔元件的激励电流I, I, 从从而达到补偿的目的。而达到补偿的目的。在图在图 5-24 5-24 所示的温度补偿电路中所示的温度补偿电路中, , 设初始温度为设初始温度为T T0 0, , 霍霍尔元件输入电阻为尔元件输入电阻为r r

12、0 0, , 灵敏系数为灵敏系数为K KH H, , 分流电阻为分流电阻为R R0 0, , 根根据分流概念得据分流概念得0000rRIRIHI12340R图 5-24 分流电阻补电路示意图分流电阻补电路示意图UH21当温度升至当温度升至T T时时, , 电路中各参数变为电路中各参数变为 r = r0(1+ T) R = R0(1+T) KH = KH0(1+ T)式中: 霍尔元件输入电阻温度系数霍尔元件输入电阻温度系数; 分流电阻温度系数分流电阻温度系数。则 rRRIIH)1 ()1 ()1 (000TrTRITR)1 (0TKKHH UH0=UH KH0IH0B=KHIHB 则 KH0IH

13、0=KH IH 将前面的式子代入上式, 经整理并略去、 (T)2高次项后得 当霍尔元件选定后当霍尔元件选定后, , 它的输入电阻它的输入电阻r r0 0和温度系数和温度系数 及霍尔及霍尔电势温度系数电势温度系数 是确定值。由上式即可计算出分流电阻是确定值。由上式即可计算出分流电阻R R0 0及所需的温度系数及所需的温度系数值。为了满足值。为了满足R R0 0及及两个条件两个条件, , 分流分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合, , 这样这样虽然麻烦但效果很好。虽然麻烦但效果很好。 22 虽然温度升高虽然温度升高T, T, 为使霍尔电势不变为使霍尔电势不变, , 补偿电路必补偿电路必须满足温升前、须满足温升前、 后的霍尔电势不变后的霍尔电势不变, , 即即 00)(iRR2324252627 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、 三个变三个变量的函数，即量的函数，即 UH=KHIBcos 。利用。利用这个关系可以使其中两个量不变，将这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一第三个量作为变量，或者固定