第5章 霍尔传感器与位移检测 教案

《传感器与检测技术》

授课教案课程性质：班级名称：学生人数：授课教师：课题：第5章霍尔传感器与位移检测课时安排：2授课类型：理论重难点重点1．霍尔传感器的结构及特性；2.压电霍尔传感器的工作原理。难点1.霍尔传感器的检测机理；2.霍尔传感器的典型应用。教学目的和要求1．熟悉霍尔传感器的结构及种类；2．掌握霍尔传感器的测量原理及应用；3．了解霍尔传感器的特性与技术参数；4．学会合理选用霍尔传感器构成检测电路。采用教学方法和实施步骤讲授、课堂讨论、分析教学内容5.1霍尔传感器的工作原理5.1.1霍尔效应霍尔传感器是以霍尔元件作为其敏感和转换元件的传感器，而霍尔元件则是利用某些半导体材料的霍尔效应原理制成的。如图5-1所示，一块半导体薄片，当它被置于磁场中，如果在它的相对两边通以控制电流，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体的另外两边将会产生一个大小与控制电流和磁感应强度的乘积成正比的电势，这一现象就是霍尔效应，该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。图5-1霍尔效应原理图及霍尔元件符号5.1.2霍尔元件的基本原理霍尔效应是半导体中的自由电荷受到磁场中的洛仑兹力作用而产生的。由于洛仑兹力的作用，自由电子会向一侧偏转（如图中虚线所示），半导体薄片在该侧形成了自由电子的累积，而另一侧缺少电子，所以形成了电场。该电场对自由电子产生电场力，阻止自由电子继续偏转。当电场力与洛仑兹力相等时，自由电子的积累便达到了动态平衡。同时由于电荷的积聚，产生了静电场，该静电场称为霍尔电场。霍尔电场两端之间形成一个稳定的电势，就是霍尔电势。式中为霍尔传感器的霍尔系数，为霍尔元件的灵敏度。5.1.3霍尔元件的基本结构及特性参数1．基本结构霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成（见图5-2）。a)外形b)结构c)符号图5-2霍尔元件霍尔元件常采用N型硅（Si）、N型锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、砷化铟（InAs）及锑化铟（InSb）等半导体制作。用锑化铟半导体制成的霍尔元件灵敏度最高，但受温度的影响较大。用锗半导体制成的霍尔元件，虽然灵敏度较低，但它的温度特性及线性度较好。目前使用锑化铟霍尔元件的场合较多。2．主要技术指标（1）输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻一般为，而且输入电阻大于输出电阻，但相差不太大，使用时应注意。（2）额定控制电流额定控制电流为当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流，一般为几毫安至几十毫安。（3）不等位电势霍尔元件在额定控制电流作用下，不外加磁场时，在输出端空载测得的霍尔电势差称为不等位电势（也称为不平衡电势），单位是。（4）灵敏度灵敏度是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，用表示。（6）电阻温度系数为温度每变化1℃时霍尔元件材料的电阻变化的百分率。5.1.4霍尔元件的基本误差及其补偿1．不等位电势及其补偿霍尔元件的零位误差包括不等位电势、寄生直流电势和感应零电势，其中不等位电势是最主要的零位误差。霍尔元件是四端元件，可以等效为一个四壁电桥，如图5-3所示。产生的原因为等效电桥的四个桥壁电阻的不相等，所以所有能使电桥达到平衡的方法都可用于补偿不等位电势。图5-3霍尔元件等效电路对霍尔元件的不等位电势的几种补偿电路如图5-4所示图5-4不等位电势补偿电路2．温度误差及其补偿霍尔元件与一般半导体器件一样，对温度的变化时很敏感的，这是因为半导体材料的电阻率、载流子浓度等都随温度变化而变化。图5-5温度补偿电路（1）采用恒流源提供控制电流（2）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图5-6所示的温度补偿电路，图中是热敏元件。a)在输入回路进行补偿b)在输出回路进行补偿图5-6利用热敏元件的温度补偿电路（3）合理选择负载电阻如图5-7所示，电路中霍尔电势输出端接负载电阻，控制电流由电源供给，电位器用来调节控制电流的大小。图5-7霍尔元件的基本测量电路（4）采用桥路温度补偿电路如图5-8所示是霍尔电势的桥路温度补偿的电路，霍尔元件的不等位电势用来补偿。图5-8桥路温度补偿电路5.2集成霍尔传感器5.2.1开关型集成霍尔传感器将霍尔元件、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，如图5-9所示。a)外形尺寸b)内部电路框图图5-9开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路的工作特性曲线如图5-10所示。图5-10开关型霍尔集成电路的施密特输出特性图5-11双稳态开关型集成霍尔传感器的工作特性曲线5.2.2线性型集成霍尔传感器由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压电路四部分组成，有的还把稳压和恒流电路也集成在一起。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。外形结构有三端T型和八脚双列直插型，其电路框图和外形结构如图5-12所示。较典型的线性霍尔器件如UGN3501系列等。a)外形尺寸b)内部电路框图c)双端差动输出型外观图5-12线性型霍尔集成电路线性霍尔集成电路的输出电压与外加磁场强度成线性比例关系，图5-13为UGN3501T型号线性霍尔集成电路的输出特性。图5-13线性型霍尔集成电路输出特性5.3霍尔传感器的应用5.3.1霍尔式位移传感器a)结构b)磁场变化c)磁钢图5-14霍尔位移传感器5.3.2霍尔式电流传感器a)基本原理b)外形图5-15霍尔电流传感器原理及外形1－被测电流母线2－铁心3－线性霍尔IC5.3.3霍尔式压力传感器a)结构原理b)外形图5-16霍尔式压力传感器示意图5.3.4霍尔式转速传感器 图5-17转速测量原理图1—磁铁2—霍尔元件3—齿盘图5-18几种霍尔式转速传感器的结构1—输入轴2—转盘3—小磁铁4—霍尔传感器5.3.5霍尔式功率传感器图5-19霍尔器件测电功率作业布置P935-1、5-2、5-3、5-4

课程性质：班级名称：学生人数：授课教师：课题：实验八霍尔式位移传感器检测课时安排：2授课类型：实训课重难点重点1.霍尔传感器工作原理与应用2.霍尔传感器工作特性难点霍尔传感器工作原理与工作特性教学目的和要求1.掌握霍尔传感器工作原理与应用；2.通过静态位移量输入了解霍尔传感器工作特性。采用教学方法和实施步骤讲授、课堂讨论、分析教具：QSCGQ-ZX型系列传感器与检测技术实验台教学内容一、实验原理霍耳元件置于磁感应强度为的磁场中，在垂直于磁场方向通以电流，则与这二者垂直的方向上将产生霍耳电势差，式中K为元件的霍耳灵敏度。如果保持霍耳元件的电流不变，而使其在一个均匀梯度的磁场中移动时，则输出的霍耳电势差变化量为：式中为位移量，此式说明若为常数时，与成正比。为实现均匀梯度的磁场，可以如图S8.1所示两块相同的磁铁（磁铁截面积及表面磁感应强度相同）相对放置，即N极与N极相对，两磁铁之间留一等间距间隙，霍耳元件平行于磁铁放在该间隙的中轴上。间隙大小要根据测量范围和测量灵敏度要求而定，间隙越小，磁场梯度就越大，灵敏度就越高。磁铁截面要远大于霍耳元件，以尽可能的减小边缘效应影响，提高测量精确度。图S8.1均匀梯度磁场示意图若磁铁间隙内中心截面处的磁感应强度为零，霍耳元件处于该处时，输出的霍耳电势差应该为零。当霍尔元件偏离中心沿Z轴发生位移时，由于磁感应强度不再为零，霍尔元件也就产生相应的电势差输出，其大小可以用数字电压表测量。由此可以将霍尔电势差为零时元件所处的位置作为位移参考零点。霍尔电势差与位移量之间存在一一对应关系，当位移量较小(<2mm)，这一一对应关系具有良好的线性。二、实验器材霍尔传感器模块、霍尔传感器、测微头、直流电源、数显电压表。三、实验步骤1.在霍尔传感器模块上，按图S8.2接线。2.开启电源，直流数显电压表选择“2V”档，将测微头的起始位置调到“1