第七章霍尔传感器课件

第七章霍尔传感器课件第一页，共40页。第7章霍尔传感器7.1霍尔传感器工作原理7.1.1霍尔效应7.1.2基本原理7.1.3霍尔元件的基本结构及特性参数7.1.4基本误差及其补偿7.2霍尔元件的结构和基本电路7.2.1开关型霍尔集成电路7.2.2线性型霍尔集成电路7.3霍尔式传感器的应用下一页第二页，共40页。7.1霍尔传感器工作原理 半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。产生的电动势称霍尔电势半导体薄片称霍尔元件上一页下一页返回第三页，共40页。7.1.1霍尔效应上一页下一页返回第四页，共40页。7.1.2工作原理上一页下一页返回载流子受洛仑兹力载流子受电场力平衡状态又因为得第五页，共40页。霍尔电势电子运动平均速度霍尔常数

第六页，共40页。霍尔常数最佳的霍尔传感器的材料只有半导体材料金属导体的载流子迁移率很大，但其电阻率低绝缘体的电阻率很高，但其载流子迁移率低霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。霍尔元件灵敏度（灵敏系数）半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，上一页下一页返回得第七页，共40页。7.1.3霍尔元件的结构和特性参数霍尔元件上一页下一页返回

(a)外形(b)结构(c)符号

第八页，共40页。它由霍尔片、四根引线和壳体组成霍尔片是矩形半导体单晶薄片在元件的长度方向的两个端面上焊有a、b两根控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电流极（或称激励电极）；在元件的另两侧端面的中间以点的形式对称的焊接c、d两根霍尔端输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极霍尔元件的壳体采用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。第九页，共40页。当磁场和环境温度一定时:霍尔电势与控制电流I成正比当控制电流和环境温度一定时:霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比当环境温度一定时:输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比测量以上电阻时，应在没有外磁场和室温变化的条件下进行。

上一页下一页返回第十页，共40页。霍尔元件的主要特性参数：(1)输入电阻和输出电阻

输入电阻：控制电极间的电阻

输出电阻：霍尔电极之间的电阻(2)额定控制电流和最大允许控制电流

额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在空气中产生10℃温升时，对应的控制电流值

最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对应的控制电流值上一页下一页返回第十一页，共40页。(3)不等位电势Uo和不等位电阻ro

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，r0称不等位电阻

上一页下一页返回第十二页，共40页。（4）灵敏度元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所得到的开路霍尔电压，又称霍尔乘积灵敏度。（5）霍尔电势温度系数在一定的磁感应强度和控制电流的条件下，环境温度每变化1℃时，霍尔电势变化的百分率（6）电阻温度系数温度每变化1℃时霍尔元件材料的电阻变化的百分率。上一页下一页返回第十三页，共40页。7.1.4霍尔元件误差及补偿1.不等位电势误差的补偿2.温度误差及其补偿上一页下一页返回第十四页，共40页。1.不等位电势误差的补偿可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。上一页下一页返回第十五页，共40页。电势的补偿电路(a)图是不对称补偿电路结构简单易调整，但工作温度变化后原补偿关系遭到破坏

(b)(c)(d)图是对称电路在温度变化时补偿的稳定性要好些，但这种电路减小了霍尔元件的输入电阻，增大了输入功率，降低了霍尔电势的输出

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(a)(b)(c)(d)第十六页，共40页。2.温度误差及其补偿温度误差产生原因： 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。上一页下一页返回第十七页，共40页。减小霍尔元件的温度误差采用恒流源提供控制电流采用热敏元件合理选择负载电阻采用桥路温度补偿电路上一页下一页返回第十八页，共40页。采用恒流源提供控制电流霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数及输入电阻与温度的关系

为温度T0时的KH值；为霍尔电势的温度系数。为霍尔元件输入电阻的温度系数

上一页下一页返回第十九页，共40页。温度为T0时温度为T时要使霍尔电势不随温度变化得所以第二十页，共40页。采用热敏元件上一页下一页返回在输入回路进行补偿在输出回路进行补偿第二十一页，共40页。上一页下一页返回此法适用于温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件（如锑化铟）

是热敏元件

在安装测量电路时，热敏元件最好和霍尔元件封装在一起或尽量靠近，以使二者的温度变化一致第二十二页，共40页。合理选择负载电阻负载上的电压第二十三页，共40页。要使负载上电压不随温度变化，则应满足

上一页下一页返回得到只要使负载电阻满足上式，就可在输出回路实现对温度误差的补偿了第二十四页，共40页。采用桥路温度补偿电路

第二十五页，共40页。7.2霍尔集成电路7.2.1开关型霍尔集成电路7.2.2线性型霍尔集成电路第二十六页，共40页。7.2.1开关型霍尔集成电路霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号将霍尔元件、稳压电路、差分放大器、施密特触发器（具有回差特性）、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上第二十七页，共40页。输出只有低电平和高电平两种状态第二十八页，共40页。开关型霍尔集成电路的工作特性曲线双稳态型霍尔集成电路的工作特性曲线第二十九页，共40页。7.2.2线性型霍尔集成电路电路通常由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压电路四部分组成当外加磁场时，霍尔元件产生与磁场成线性比例变化的霍尔电压，再经放大器放大后输出线性型霍尔集成电路有单端输出和双端输出（差动输出）两种第三十页，共40页。第三十一页，共40页。7.3霍尔式传感器的应用优点:

结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长应用：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。上一页下一页返回第三十二页，共40页。7.3.1霍尔式位移传感器测量原理： 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。上一页下一页返回第三十三页，共40页。上一页下一页返回霍尔电压与位移量x成线性关系，其输出电压的极性反映了元件位移的方向，磁场梯度越大，灵敏度越高，磁场梯度越均匀，输出线性度就越好第三十四页，共40页。7.3.2霍尔式电流传感器电流母线通电后，磁力线就集中通过铁心中的霍尔片，霍尔片就输出与被测电流成正比的输出电压或电流。电流母线磁铁霍尔片第三十五页，共40页。7.3.3霍尔式压力传感器上一页下一页返回第三十六页，共40页。7.3.4霍尔式转速传感器上一页下一页返回1