《霍尔传感器 》PPT课件

第 8 章 磁 电 式 传 感 器第 二 节 霍 尔 传 感 器第 一 节 磁 电 感 应 式 传 感 器 第 八 章 磁 电 式 传 感 器 第 三 节 磁 敏 传 感 器 第 8 章 磁 电 式 传 感 器一 、 磁 电 感 应 式 传 感 器 工 作 原 理 BlvdtdxBldtde 式 中 : B稳 恒 均 匀 磁 场 的 磁 感 应 强 度 ；l导 体 有 效 长 度 ； v导 体 相 对 磁 场 的 运 动 速 度 。 第 一 节 磁 电 感 应 式 传 感 器 导 体 在 稳 恒 均 匀 磁 场 中 运 动N匝 线 圈 处 于 变 化 的 磁 场 中 dtdNe 两 种 磁 电 式 传 感 器 结 构 ： 变 磁 通 式 和 恒 磁 通 式 。 第 8 章 磁 电 式 传 感 器开 磁 路 变 磁 通 式 ： 这 种 传 感 器 结 构 简 单 ， 但 输 出 信 号较 小 ， 且 因 高 速 轴 上 加 装 齿 轮 较 危 险 而 不 宜 测 量 高 转速 的 场 合 。 第 8 章 磁 电 式 传 感 器闭 磁 路 变 磁 通 式 ： 感 应 电 势 的 频 率 与 被 测 转 速 成 正 比 。 第 8 章 磁 电 式 传 感 器 恒 定 磁 通 动 圈 式 磁 电 传 感 器 恒 定 磁 通 动 铁 式 磁 电 传 感 器 第 8 章 磁 电 式 传 感 器二 、 磁 电 感 应 式 传 感 器 基 本 特 性 fofo RR lNvBRR EI 式 中 ： Rf测 量 电 路 输 入 电 阻 ； R线 圈 等 效 电 阻 。 传 感 器 的 电 流 灵 敏 度 为 fooI RR lNBvIS E R 传 感 器 I o Rf 第 8 章 磁 电 式 传 感 器而 传 感 器 的 输 出 电 压 和 电 压 灵 敏 度 分 别 为 f fofoo RRlWvRBRIU 相 对 误 差 为 RdRldlBdBSdSII ffooU RRlWRBvUS 第 8 章 磁 电 式 传 感 器三 、 磁 电 感 应 式 传 感 器 的 测 量 电 路 磁电式 传感器 量程选择 前置放大 积分电路 微分电路 主放大器 显示 或 记录 S W 第 8 章 磁 电 式 传 感 器四 、 磁 电 感 应 式 传 感 器 的 应 用 动 圈 式 振 动 速 度 传 感 器 1、 芯 轴2、 外 壳3、 弹 簧 片4、 铝 支 架5、 永 久 磁 铁6、 线 圈7、 阻 尼 环8、 引 线 第 8 章 磁 电 式 传 感 器 一 、 霍 尔 效 应 和 霍 尔 元 件 的 工 作 原 理 在 半 导 体 薄 片 中 通 以 电 流 I,在 与 薄 片 垂 直 方 向 加 磁场 B， 则 在 半 导 体 薄 片 的 另 外 两 端 ， 产 生 一 个 大 小 与 控 制电 流 I和 B乘 积 成 正 比 的 电 动 势 ， 这 种 现 象 称 为 霍 尔 效 应 。 1、 霍 尔 效 应 第 二 节 霍 尔 传 感 器 第 8 章 磁 电 式 传 感 器2、 霍 尔 元 件 的 工 作 原 理 bUeeEF HHE BebUe H BeFL BbUH nedIBU H enbddtdQI pedIBUH 第 8 章 磁 电 式 传 感 器3、 霍 尔 系 数 及 灵 敏 度neRH 1 peR H 1N型 霍 尔 系 数 P型 霍 尔 系 数dIBRU H H霍 尔 系 数 由 半 导 体 材 料 性 质 决 定 ， 且 决 定 霍 尔 电 势 的 强 弱 。霍 尔 元 件 灵 敏 度 （ KH） ： 单 位 磁 感 应 强 度 和 单 位 控 制电 流 作 用 时 ， 所 能 输 出 的 霍 尔 电 势 的 大 小 。设 KH=RH / d UH KH I B 第 8 章 磁 电 式 传 感 器讨 论 ： 为 什 么 只 能 用 半 导 体 材 料 作 霍 尔 元 件 。 霍 尔 常 数 等 于 霍 尔 片 材 料 的 电 阻 率 与 电 子 迁 移 率 的 乘 积 。 若 要 霍 尔 效 应 强 ， 则 希 望 有 较 大 的 霍 尔 系 数R H ， 因 此 要 求 霍 尔 片 材 料 有 较 大 的 电 阻 率 和 载 流 子 迁移 率 。 一 般 金 属 材 料 载 流 子 迁 移 率 很 高 ， 但 电 阻 率 很小 ； 而 绝 缘 材 料 电 阻 率 极 高 ， 但 载 流 子 迁 移 率 极 低 ，故 只 有 半 导 体 材 料 才 适 于 制 造 霍 尔 片 。 dIBUH en 1 ep 1N型 材 料 电 阻 率 P型 材 料 电 阻 率 第 8 章 磁 电 式 传 感 器霍 尔 器 件 符 号 B HA BCD A BCDA CD 第 8 章 磁 电 式 传 感 器 二 、 霍 尔 元 件 的 主 要 技 术 参 数1、 额 定 功 耗 P0: 霍 尔 元 件 在 环 境 温 度 T=250C时 ， 允 许通 过 霍 尔 元 件 的 电 流 和 电 压 的 乘 积 。2、 输 入 电 阻 和 输 出 电 阻 Ri： 激 励 电 极 间 的 电 阻 值 。 Ro： 霍 尔 元 件 电 极 间 的 电 阻 。3、 不 等 位 电 势 U0： 在 额 定 控 制 电 流 I下 ， 不 加 磁 场 时 ，霍 尔 电 极 间 的 空 载 霍 尔 电 势 。 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 匀 ； 激 励 电 极 接 触 不 良 造 成 激 励 电 流 不 均 匀 分 布 等 。 第 8 章 磁 电 式 传 感 器4、 霍 尔 电 势 温 度 系 数 ： 在 一 定 磁 感 应 强 度 和 激 励 电 流下 ， 温 度 每 变 化 1 时 ， 霍 尔 电 势 变 化 的 百 分 率 称 为 霍尔 电 势 温 度 系 数 。5、 内 阻 温 度 系 数 ： 霍 尔 元 件 在 无 磁 场 及 工 作 温 度 范 围内 ， 温 度 每 变 化 1 时 ， 输 入 电 阻 与 输 出 电 阻 变 化 的 百分 率 。6、 额 定 激 励 电 流 和 最 大 允 许 激 励 电 流 ： 当 霍 尔 元 件自 身 温 升 10 时 所 流 过 的 激 励 电 流 称 为 额 定 激 励 电 流 。 以 元 件 允 许 最 大 温 升 为 限 制 所 对 应 的 激 励 电 流 称 为 最大 允 许 激 励 电 流 。 因 霍 尔 电 势 随 激 励 电 流 增 加 而 线 性增 加 ， 所 以 使 用 中 希 望 选 用 尽 可 能 大 的 激 励 电 流 ， 因而 需 要 知 道 元 件 的 最 大 允 许 激 励 电 流 。 改 善 霍 尔 元 件的 散 热 条 件 ， 可 以 使 激 励 电 流 增 加 。 第 8 章 磁 电 式 传 感 器7、 寄 生 直 流 电 势 ： 在 外 加 磁 场 为 零 、 霍 尔 元 件 用 交流 激 励 时 ， 霍 尔 电 极 输 出 除 了 交 流 不 平 衡 电 势 外 ， 还有 一 直 流 电 势 ， 称 为 寄 生 直 流 电 势 。 其 产 生 的 原 因 有 ： 激 励 电 极 与 霍 尔 电 极 接 触 不 良 ， 形 成 非 欧 姆 接触 ， 造 成 整 流 效 果 ； 两 个 霍 尔 电 极 大 小 不 对 称 ， 则 两 个 电 极 点 的 热容 不 同 ， 散 热 状 态 不 同 而 形 成 极 间 温 差 电 势 。 寄 生 直 流 电 势 一 般 在 1m V以 下 ， 它 是 影 响 霍 尔 片温 漂 的 原 因 之 一 。 第 8 章 磁 电 式 传 感 器常用国产霍尔元件的技术参数 第 8 章 磁 电 式 传 感 器 三 、 霍 尔 元 件 测 量 电 路 和 输 出 电 路UHRLBI E IHR1、 基 本 测 量 电 路 图 中 控 制 电 流 I由 电 源 E供 给 ,R为 调 节 电 阻 ,保证 器 件 内 所 需 控 制 电流 I。 霍 尔 输 出 端 接 负载 RL,RL可 是 一 般 电 阻或 放 大 器 的 输 入 电 阻 、或 表 头 内 阻 等 。 磁 场 B垂 直 通 过 霍 尔 器 件 ,在磁 场 与 控 制 电 流 作 用下 ， 由 负 载 上 获 得 电压 。实 际 使 用 时 ,器 件 输 入 信 号 可 以 是 I或 B， 或 者 IB,而 输 出可 以 正 比 于 I或 B, 或 者 正 比 于 其 乘 积 IB。 第 8 章 磁 电 式 传 感 器2、 霍 尔 电 势 输 出 电 路（ 1） 开 关 应 用 + +15VH-15VR3 R1R2 R4 第 8 章 磁 电 式 传 感 器霍 尔 开 关 集 成 传 感 器 内 部 结 构 框 图 23输 出+稳 压 VCC1 霍 耳 元 件 放 大 BT整 形 地H 第 8 章 磁 电 式 传 感 器（ 2） 线 性 应 用 +15VH-15VR 3 R1R2 R4 Rf 第 8 章 磁 电 式 传 感 器集 成 线 性 传 感 器 的 电 路 结 构 框 图 23输 出+稳 压 VCC1 霍 耳 元 件 放 大 地H 第 8 章 磁 电 式 传 感 器 四 、 霍 尔 元 件 的 测 量 误 差 补 偿 方 法1、 零 位 误 差 及 补 偿 方 法零 位 误 差 ： 霍 尔 元 件 在 加 控 制 电 流 但 不 加 外 磁 场时 出 现 的 霍 尔 电 势 。 主 要 为 不 等 位 电 势 。 A C B I D 第 8 章 磁 电 式 传 感 器 C r 1 r 3 r 2 r 4 D A B 分 析 不 等 位 电 势 时 ， 可 以 把 霍 尔 元 件 等 效 为 一 个 电 桥 ， 用 分 析 电 桥 平 衡 来 补 偿 不 等 位 电 势 。 第 8 章 磁 电 式 传 感 器 R P R P R P R P R (a) (b) (c) (d) R P R P R P R P R (a) (b) (c) (d) R P RP R P R P R (a) (b) (c) (d) R P RP R P R P R (a) (b) (c) (d) 第 8 章 磁 电 式 传 感 器2、 温 度 误 差 及 补 偿 方 法（ a） R H 与 温 度 的 关 系 T/ 0246 /7 10-3cm LnAs20015010050 LnSbT/RH /cm2/ A-125020015010050 40 80 120 160 200LnSbLnAs0 （ b） 与 温 度 的 关 系 第 8 章 磁 电 式 传 感 器（ 1） 、 利 用 输 出 回 路 并 联 电 阻 进 行 补 偿 第 8 章 磁 电 式 传 感 器基 本 电 路 等 效 电 路（ 2） 、 利 用 输 入 回 路 串 联 电 阻 进 行 补 偿 第 8 章 磁 电 式 传 感 器实 际 补 偿 电 路 第 8 章 磁 电 式 传 感 器1、 测 量 磁 场 的 大 小 和 方 向 电 位 差 计mA E S NR霍 耳 磁 敏 传 感 器 测 磁 原 理 示 意 图 五 、 霍 尔 传 感 器 应 用 第 8 章 磁 电 式 传 感 器2、 霍 尔 式 微 位 移 传 感 器 霍尔元件 S N N S x x x 霍尔元件 N S x 霍尔元件 N S N S x x x (a ) (b ) (c )UH量 值 大 小 反 映 出 霍 尔 元 件 与 磁 铁 之 间 相 对 位 置 的 变化 量 。 这 种 结 构 的 传 感 器 ， 其 动 态 范 围 可 达 5 m m ， 分辨 率 为 0.001m m 。 第 8 章 磁 电 式 传 感 器 霍尔元件 S N N S x xx 霍尔元件 N S x 霍尔元件 N S N S x x x (a) (b) (c) 霍尔元件 S N N S x xx 霍尔元件 N S x 霍尔元件 S N S x x x (a) (b) (c) 第 8 章 磁 电 式 传 感 器3、 霍 尔 式 转 速 传 感 器 1 2 4 3 (a) 1 2 4 3 (b) 1 2 4 3 1 2 3 4 (c) (d) N SN S N S N S N S N S N S 1输入轴； 2转盘； 3小磁铁； 4霍尔传感器 1 2 4 3 (a) 1 4 3 (b) 1 2 4 3 1 2 3 4 (c) (d) N SN S N S N S N S N S N S 1输入轴； 2转盘； 3小磁铁； 4霍尔传感器 1 2 4 3 (a) 1 2 4 3 (b) 1 2 4 3 1 2 3 4 (c) (d) N SN S N S N S N S N S N S 1输入轴； 2转盘； 3小磁铁； 4霍尔传感器 1 2 4 3 (a) 1 2 4 3 (b) 1 2 4 3 1 2 3 4 (c) (d) N SN S N S N S N S N S N S 1输入轴； 2转盘； 3小磁铁； 4霍尔传感器 1 2 4 3 (a) 1 2 4 3 (b) 1 2 4 3 1 2 3 4 (c) (d) N SN S N S N S N S N S N S 1输入轴； 2转盘； 3小磁铁； 4霍尔传感器 第 8 章 磁 电 式 传 感 器4、 霍 尔 计 数 装 置 钢球 绝缘板 N S 磁铁霍尔开关传感器 (a) A A74112 V SL3051 S R1 10 k 22 C 1 R3 1 k R 4 470 k R 5 470 k Vcc 计 数 器 V 2N5812 R 2 11 k (b) 第 8 章 磁 电 式 传 感 器 钢球 绝缘板 N S 磁铁霍尔开关传感器 (a) A A74112 V SL3051 S R 1 10 k 22 C 1 R 3 1 k R 4 470 k R 5 470 k V cc 计 数 器 V 2N5812 R 2 11 k (b) 第 8 章 磁 电 式 传 感 器5、 汽 车 霍 尔 点 火 器 第 8 章 磁 电 式 传 感 器第 三 节 磁 敏 传 感 器 一 、 磁 敏 电 阻 器磁 阻 效 应 : 若 给 通 以 电 流 的 金 属 或 半 导 体 材 料 的 薄 片 加以 与 电 流 垂 直 或 平 行 的 外 磁 场 ， 则 其 电 阻 值 就 增 加 。称 此 种 现 象 为 磁 致 电 阻 变 化 效 应 ， 简 称 为 磁 阻 效 应 。 2200 0 273.0 BB 为 磁 感 应 强 度 ；B材 料 在 磁 感 应 强 度 为 时 的 电 阻 率 ；0 材 料 在 磁 感 应 强 度 为 0时 的 电 阻 率 ；载 流 子 的 迁 移 率 。 220 273.01 BB 第 8 章 磁 电 式 传 感 器 二 、 磁 敏 二 极 管1、 结 构 P NIr 区 + -简 写 为 SMD。 磁 敏 二 极 管 的 P型 和 N型 电 极 由 高 阻 材 料制 成 ， 在 P、 N之 间 有 一 个 较 长 的 本 征 区 I， 本 征 区 I的一 面 磨 成 光 滑 的 复 合 表 面 （ 为 I区 ） ， 另 一 面 打 毛 ， 设置 成 高 复 合 区 （ 为 r区 ） ， 其 目 的 是 因 为 电 子 -空 穴 对易 于 在 粗 糙 表 面 符 合 尔 消 失 。 当 通 以 正 向 电 流 后 就 会在 P、 I、 N结 之 间 形 成 电 流 。 磁 敏 二 极 管 是 PIN型 。 第 8 章 磁 电 式 传 感 器 IP N2、 工 作 原 理 H=0 电 子空 穴 复 合 区（ 1） 当 磁 敏 二 极 管 未 受 到 外 界 磁 场 作 用 时 ， 外 加 正 偏压 ， 则 有 大 量 的 空 穴 从 P区 通 过 I区 进 入 N区 ， 同 时 也 有大 量 的 电 子 注 入 P区 。 形 成 电 流 。 只 有 少 量 电 子 和 空 穴在 I区 复 合 。 第 8 章 磁 电 式 传 感 器（ 2） 当 磁 敏 二 极 管 受 到 外 界 磁 场 H+作 用 时电 子 、 空 穴 受 到 洛 仑 兹 力 作 用 而 向 r区 偏 移 ， 由 于 r区 的电 子 、 空 穴 复 合 率 比 光 滑 面 I区 快 ， 因 此 形 成 的 电 流 因复 合 速 度 而 减 小 。 H +IP N 第 8 章 磁 电 式 传 感 器（ 3） 当 磁 敏 二 极 管 受 到 外 界 磁 场 H-作 用 时电 子 、 空 穴 受 到 洛 仑 兹 力 作 用 而 向 I区 偏 移 ， 由 于 电 子 、空 穴 复 合 率 明 显 变 小 ， 则 电 流 变 大 。H -IP N 第 8 章 磁 电 式 传 感 器结 论 ： 随 着 磁 场 大 小 和 方 向 的 变 化 ， 可 产 生 正负 输 出 电 压 的 变 化 、 特 别 是 在 较 弱 的 磁 场 作 用下 ， 可 获 得 较 大 输 出 电 压 。 若 r区 和 r区 之 外 的 复合 能 力 之 差 越 大 ， 那 么 磁 敏 二 极 管 的 灵 敏 度 就越 高 。 磁 敏 二 极 管 反 向 偏 置 时 ， 则 在 r区 仅 流 过 很微 小 的 电 流 ， 显 得 几 乎 与 磁 场 无 关 。 因 而 二 极管 两 端 电 压 不 会 因 受 到 磁 场 作 用 而 有 任 何 改 变 。 第 8 章 磁 电 式 传 感 器 三 、 磁 敏 三 极 管1、 结 构 b cerN+N +ce H - H + P+ bi 第 8 章 磁 电 式 传 感 器（ 1） 当 不 受 磁 场 作 用 时2、 工 作 原 理N + cy e r xP+ bN+运 输基 区 复 合 基 区由 于 磁 敏 三 极 管 的 基 区 宽 度 大 于 载 流 子 有 效 扩 散 长 度 ，因 而 注 入 的 载 流 子 除 少 部 分 输 入 到 集 电 极 c外 ， 大 部 分通 过 eib而 形 成 基 极 电 流 。 显 而 易 见 ， 基 极 电 流 大 于集 电 极 电 流 。 所 以 ， 电 流 放 大 系 数 =Ic Ib 1。 第 8 章 磁 电 式 传 感 器（ 2） 当 受 到 H 磁 场 作 用 如 图 ， 由 于 洛 仑 兹 力作 用 ， 载 流 子 向 发 射 结 一 侧 偏 转 ， 从 而 使 集 电极 电 流 明 显 下 降 。N+ cy e r xP+ bN + 第 8 章 磁 电 式 传 感 器 （ 3） 当 受 磁 场 使 用 如 图 ， 载 流 子 在 洛 仑兹 力 作 用 下 ， 向 集 电 结 一 侧 偏 转 ， 使 集 电 极 电 流增 大 。 HN+ cy e r xP+ bN +