霍尔传感器交直流位移实验

1、江苏大学课程设计说明书 J I A N G S U U N I V E R S I T Y传感器课程设计说明书霍尔传感器交直流位移实验 学 院 机械工程学院 班 级 测控1201 学生姓名 学 号 指导教师 2015年1月 10日至 1 月19日目 录摘 要3第一章 霍尔传感器发展历程4第二章 霍尔传感器工作原理52.1 霍尔效应52.2 霍尔元件52.3霍尔元件的主要特性及材料6第三章 霍尔元件的误差及补偿73.1霍尔元件的零位误差与补偿73.2霍尔元件的温度误差及补偿7第四章 测量电路设计与数据处理84.1模型的建立84.2霍尔传感器直流位移实验电路设计94.3霍尔传感器直流位移实验数据处

2、理114.4霍尔传感器交流位移实验电路设计124.5霍尔传感器交流位移实验数据处理17第五章 课程设计总结18参考文献19致谢20摘要20 世纪末, 霍尔传感器是基于霍尔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。集成霍尔传感器技术得到了迅猛发展,各种性能的集成霍尔传感器不断涌现,它们已在汽车、纺织、化工、通讯、电机、电信、计算机等各个领域得到广泛的应用,特别是由集成开关型霍尔传感器制成的无刷直流电机(霍尔电机) 已经进入千家万户. 广泛应用于录音

3、机、摄录像设备、VCD、DVD、及新型助力自行车等家用电器中. 笔者将集成开关型霍尔传感器及其计时装置应用于力学实验中,同时还可对该传感器的特性参数进行测量. 由于保留了传统的实验方法,所以使实验的内容更具综合性,它一方面能让学生从多角度地了解和掌握一些经典的测量手段和操作技能.另一方面由于加入了用集成开关型霍尔传感器来测量时间或周期的新方法,使学生对这种传感器的特性及在自动测量和自动控制中的作用有进一步的认识,从而真正领略这一最新传感技术的风采. 传统实验与现代化技术相结合对推进素质教育,培养想象能力和创新能力是十分有用的. 而这类实验已在我校的中学物理实验研究课程中开设,教师和学生都很有兴

4、趣,教学效果很好。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 霍尔电压第一章 霍尔传感器发展历程霍尔传感器是磁电效应的一种，这种现象是霍尔于1879年在研究金属的导体机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强的多，利用这种现象制成的各种霍尔元件。广泛的应用于工业自动化技术，检测技术及信息处理方面。霍尔效

5、应是研究半导体材料性能的基本方法。尽管人们早在1879年就知道了霍尔效应，但直到20世纪60年代末，随着固态电子技术的发展，霍尔效应才开始为人们所应用。自此，霍尔传感器得到飞速发展，在汽车，工业，计算机等行业中得到广泛应用，如齿轮速度检测、运动与接近检测及电流检测等。霍尔传感器的出现，解决了很多让人棘手的问题。100多年来，霍尔效应的应用经历了三个阶段：第一阶段是从霍尔效应的发现到20世纪40年代前期。最初，由于金属材料中的电子浓度很大，而霍尔效应十分微弱，所以没有引起人们的重视。这段时期也有人利用霍尔效应制成磁场传感器，但实用价值不高，到了1910年有人用金属铋制成霍尔元件，作为磁场传感器。

6、但是，由于当时未找到更合适的材料，研究处于停顿状态。第二阶段是从20世纪40年代中期半导体技术出现之后，随着半导体材料、制造工艺和技术的应用，出现了各种半导体霍尔元件，特别是锗的采用推动了霍尔元件的发展，相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器、磁罗盘、磁头、电流传感器、非接触开关、接近开关、位置、角度、速度、加速度传感器、压力变送器、无刷直流电机以及各种函数发生器、运算器等，应用十分广泛。第三阶段是自20世纪60年代开始，随着集成电路技术的发展，出现了将霍尔半导体元件和相关的信号调节电路集成在一起的霍尔传感器。进入20世纪80年代，随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展，霍尔

7、元件从平面向三维方向发展，出现了三端口或四端口固态霍尔传感器，实现了产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化。此外，20世纪70年代末，美国科学家发现了量子霍尔效应并因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。最近，韩国科学家报告了等离子霍尔传感器L1 J。最近，FLe Bihan等人研制了一种可测量大位移量的多晶硅薄膜场效应(rIFI)霍尔传感器，它包括2个对称放置的rIFI霍尔探头和2个源极、漏极。该传感器系采用LIVD工艺，形成非掺杂和轻掺杂两种多晶硅薄膜作为激励区；采用重掺杂多晶硅工艺，形成源极和漏极；采用VD工艺形成隔离门。为了减少电极间的相互干扰。它的激励区较大为200tzm×

8、200tzm。霍尔电极放在宽15tzm的沟道中间。该传感器的主要特点是，它的灵敏度和功耗与薄膜场效应管的门和漏极电压相关，灵敏度为200mVT，功耗小于2mW。将霍尔发生器形成在大面积玻璃芯片上，可用于大量程位置传感器。第二章 霍尔传感器的工作原理2.1霍尔效应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=KHIBCOS，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

9、般为恒流源），B为均匀磁场，为磁场与法线的夹角，EH为电场，如图2-1所示。图2-1 霍尔效应原理图2.2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），如图2-2所示。 图2-2霍尔元件结构2.3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：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

10、尔电势（不等位电势是由霍尔电极和激励电极之间的电阻决定的， RL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。图2-3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

11、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。第三章 霍尔元件的误差及补偿3.1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，当霍尔元件

12、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。一般采用加补偿电阻的方法来消除由于霍尔元件本身存在的不等位电势V，但是用这种方法会影响霍尔元件的灵敏度及精度。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。3.2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，

13、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、采用并联电阻的方法来补偿。图3-1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。第四章 测量电路设计与数据处理4.1模型的建立霍尔传感器基于霍尔效应，用公式表示如下： （4-1）式中: VH为霍尔电压； KH为霍尔元件灵敏度； I为控制电流； B为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。两块相对的磁铁间形成磁场，当物体在沿垂直于磁场方向运动时，在一定的

14、测量范围内，磁感应强度与位移的关系是近似线性的。所以输出电压与位移也存在线性关系。图4-1为实际霍尔传感器测量位移的特性。图4-1 霍尔元件线性关系可见在-0.6mm0.6mm之间，电压位移关系近似线性。对实验数据进行拟合，由于实际数据是经过放大后的数据，在拟合前要将数据除以放大倍数。拟合后的数学表达式为： （4-2）式中:VH为霍尔元件输出电压，单位为mv； X为被测位移量，单位为mm。 由以上分析可知，霍尔位移传感器只在很小的范围内呈线性，所以它是用来测量微小位移的。在Mulitisim中霍尔传感器模型的建立如图4-2所示，它的测量范围是-0.6mm0.6mm。V1可模拟位移，压控电压源V

15、2模拟霍尔元件随位移而变化的输出电压VH。图4-2 霍尔传感器模型图中1、2为激励电极；3、4为霍尔电极4.2 霍尔传感器直流位移实验电路设计1）霍尔传感器直流位移实验总电路图4-3 霍尔传感器直流位移实验总电路2）霍尔传感器直流位移实验总电路实物图图4-4霍尔传感器直流位移实验总电路实物图3）霍尔传感器不等位电势消除一般采用加补偿电阻的方法来消除由于霍尔元件本身存在的不等位电势V。图4-5 不等位电势消除方法：按图接线，霍尔传感器1、4端接数字电压表，调节滑动变阻器使电压表显示为零。4）霍尔传感器的电动势一般为毫伏量级，因此，实际使用时必须加放大电路，此处加的是差动放大电路，如图4-6所示。

16、图4-6 差动放大电路方法：按图接线，运算放大器的正负输入端短接接地，输出端接数字电压表，调节滑动变阻器使电压表显示为零。4.3霍尔传感器直流位移实验数据处理表4-1 霍尔传感器直流位移实验（正行程）拟合直线：y=0.0583x-0.0493 R2=09984表4-2 霍尔传感器直流位移实验（反行程）拟合直线：y=-0.0582+1.5225 R2=0.9982；直流激励eL=3.3%,k=-0.0582。4.4霍尔传感器交流位移实验电路设计1）霍尔传感器交流位移实验总电路图4-7 霍尔传感器交流位移实验总电路2）霍尔传感器交流位移实验总电路实物图图4-8霍尔传感器交流位移实验总电路实物图3）

17、霍尔传感器不等位电势消除图4-9 不等位电势消除方法：按图接线，霍尔传感器2、4端接数字电压表，调节滑动变阻器及螺旋测微头使数字电压表显示为零。4）差动放大电路图4-10 差动放大电路方法：按图接线，运算放大器的正负输入端短接接地，输出端接数字电压表，调节滑动变阻器使电压表显示为零。5）移相模块图4-11 移相模块电路单独接出移相电路，输出示波器显示波形，如图为移相前的示波波形图4-12 移相电路移相前波形移相后的波形如下，说明移相电路部分没有问题图4-13 移相电路移相后波形6）相敏检波模块图4-14 相敏检波模块电路7）低通模块图4-15 低通模块电路8）总电路示波器波形(断连低通模块)旋

18、转螺旋测微头，示波器波形改变图4-16正向旋转螺旋测微头波形图4-17 反向旋转螺旋测微头波形4.5霍尔传感器交流位移实验数据处理表4-3 霍尔传感器交流位移实验（正行程）拟合直线：y=0.331x-0.5043 R2=0.998表4-4 霍尔传感器交流位移实验（反行程）拟合直线：y=-0.331x+5546 R2=0,999；交流激励eL=10.3%,k=-0.331。第五章 课程设计总结为期10天的传感器课设结束了，回想起走过的历程还真是颇有感触。应该说有过彷徨也有过迷惘吧，但此刻收获的却是看见自己辛勤劳动出成果后的喜悦，突然间，觉得一切都值了。 在这段时间内，我去过图书馆翻阅书籍，也重新

19、研读了教材上的理论知识。古语云：“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”真的感触颇深，学习时，总感觉听懂了，也就满足了，进而就顺其自然地掩卷不思了，哪里想到学的东西如何运用到生产实践中。可通过课设，我才恍然大悟，原来真没那么简单，任何东西只要与生产生活相挂钩，那就一定有东西可以挖掘，也就一定有很多知识解决不了现实问题。如此，我才慢慢开始溯本求源，开始从细微之处肯透知识点，本次课设何不是如此呢？！通过霍尔元件的电流应该多大才合适，应<=5mA,(大于5mA后有些霍尔元件的霍尔电压不会随着物体位移的变化而变化，而是为一个定值)这要是在生活中谁会去在意呢但是到了设计中，我们就不得不考虑其四两拨千斤般的作用了，我想也正是通过这些细微末节处，才让我们真切认识到知识是多么神圣与重要，我们要有所成就就必须认真细心，多学多思，多