磁电式传感器-霍尔传感器

第 六 章 磁 敏 传 感 器 霍 尔 传 感 器 Hall Sensor 霍 尔 式 传 感 器 霍 尔 传 感 器 是 基 于 霍 尔 效 应 的 一 种 传 感 器 。1879年 美 国 物 理 学 家 霍 尔 首 先 在 金 属 材 料 中发 现 了 霍 尔 效 应 , 但 由 于 金 属 材 料 的 霍 尔 效应 太 弱 而 没 有 得 到 应 用 。 随 着 半 导 体 技 术 的发 展 , 开 始 用 半 导 体 材 料 制 成 霍 尔 元 件 , 由于 它 的 霍 尔 效 应 显 著 而 得 到 应 用 和 发 展 。 霍尔 传 感 器 广 泛 用 于 电 磁 测 量 、 压 力 、 加 速 度 、振 动 等 方 面 的 测 量 。 霍 尔 元 件 是 一种 四 端 元 件 霍 尔 式 传 感 器 是 基 于 霍 尔 效 应 而 将 被 测 量 转 换 成 电 动 势 输 出 的一 种 传 感 器 。 霍 尔 器 件 是 一 种 磁 敏 传 感 器 ， 利 用 半 导 体 元 件 对 磁场 敏 感 的 特 性 来 实 现 磁 电 转 换 ， 它 们 可 以 检 测 磁 场 及 其 变 化 ， 可在 各 种 与 磁 场 有 关 的 场 合 中 使 用 。 按 照 霍 尔 器 件 的 功 能 可 将 它 们 分 为 ： 霍 尔 线 性 器 件 和 霍 尔 开关 器 件 ， 前 者 输 出 模 拟 量 ， 后 者 输 出 数 字 量 。 霍 尔 器 件 具 有 许 多 优 点 ， 它 们 的 结 构 牢 固 ， 体 积 小 ， 重 量 轻 ，寿 命 长 ， 安 装 方 便 ， 功 耗 小 ， 频 率 高 (可 达 1 MHz)， 耐 振 动 ， 不 怕灰 尘 、 油 污 、 水 汽 及 盐 雾 等 的 污 染 或 腐 蚀 。 霍 尔 线 性 器 件 的 精 度 高 、 线 性 度 好 ； 霍 尔 开 关 器 件 无 触 点 、无 磨 损 、 输 出 波 形 清 晰 、 无 抖 动 、 无 回 跳 、 位 置 重 复 精 度 高 。 采用 了 各 种 补 偿 和 保 护 措 施 的 霍 尔 器 件 的 工 作 温 度 范 围 宽 ， 可 达 -55 +150 。 m 霍 尔 传 感 器 的 工 作 原 理1 霍 尔 效 应 半 导 体 薄 片 置 于 磁 感 应 强 度 为 B 的 磁 场 中 ， 磁 场 方 向 垂 直于 薄 片 ， 当 有 电 流 I 流 过 薄 片 时 ， 在 垂 直 于 电 流 和 磁 场 的 方 向上 将 产 生 电 动 势 EH， 这 种 现 象 称 为 霍 尔 效 应 。 磁 感 应 强 度 B为 零 时 的 情 况A BC D 当 有 图 示 方 向 磁 场 B作 用 时 作 用 在 半 导 体 薄 片 上 的 磁 场 强 度 B越 强 ， 霍 尔 电 势 也 就 越 高 。霍 尔 电 势 UH可 用 下 式 表 示 ： UH=KH IB 霍 尔 效 应 演 示 当 磁 场 垂 直 于 薄 片 时 ， 电 子 受 到 洛 仑 兹 力 的 作 用 ， 向 内侧 偏 移 ， 在 半 导 体 薄 片 A、 B方 向 的 端 面 之 间 建 立 起 霍 尔 电势 。 A BC D UHb l d IFLFE vB 设 霍 尔 元 件 为 N型 半 导 体 ， 当 它 通 电 流 I时 FL = qvB 当 电 场 力 与 洛 仑 兹 力 相 等 时 ， 达 到 动 态 平 衡 ，这 时 有 qEH=qvB dIBRU HH RH被 定 义 为 霍 尔 元 件 的 霍 尔 系 数 。 显 然 ， 霍 尔 系数 由 半 导 体 材 料 的 性 质 决 定 ， 它 反 映 材 料 霍 尔 效应 的 强 弱 。 n为 半 导 体 中 的 电 子 浓 度 ， 即 单 位 体 积 中 的 电 子 数 ， 负 号 表示 电 子 运 动 方 向 与 电 流 方 向 相 反 。 dRK HH 设 IBKU HH KH即 为 霍 尔 元 件 的 灵 敏 度 ， 它 表 示 一 个 霍 尔 元 件 在单 位 控 制 电 流 和 单 位 磁 感 应 强 度 时 产 生 的 霍 尔 电 压 的大 小 . 单 位 是 m V/（ m AT） nqdKH 1 IEvlUEv I bBlUvbBUH lBUbRbdlUdBRRUdBRdIBRU HHHHH HR HR pedIBUH HR bBlUvbBUH dRK HH 可 以 推 出 ， 霍 尔 电 动 势 UH的 大 小 为 ： H H cosU k IB 式 中 ： kH为 灵 敏 度 系 数 ， kH= RH/d， 表 示 在 单 位 磁 感 应 强 度 和 单位 控 制 电 流 时 的 霍 尔 电 动 势 的 大 小 ,与 材 料 的 物 理 特 性 （ 霍 尔 系数 ） 和 几 何 尺 寸 d有 关 ； 霍 尔 系 数 RH 1/(nq)， 由 材 料 物 理 性 质 所 决 定 ， q为 电 子 电 荷 量 ；n为 材 料 中 的 电 子 浓 度 。 为 磁 场 和 薄 片 法 线 夹 角 。 2 霍 尔 元 件霍 尔 片 是 一 块 矩 形 半 导 体 单 晶 薄 片 (一 般 为 4 mm 2 mm 0.1 mm)，经 研 磨 抛 光 ， 然 后 用 蒸 发 合 金 法 或 其 他 方 法 制 作 欧 姆 接 触 电 极 ，最 后 焊 上 引 线 并 封 装 。 而 薄 膜 霍 尔 元 件 则 是 在 一 片 极 薄 的 基 片 上用 蒸 发 或 外 延 的 方 法 做 成 霍 尔 片 ， 然 后 再 制 作 欧 姆 接 触 电 极 ， 焊上 引 线 最 后 封 装 。 一 般 控 制 端 引 线 采 用 红 色 引 线 ， 而 霍 尔 输 出 端引 线 则 采 用 绿 色 引 线 。 霍 尔 元 件 的 壳 体 用 非 导 磁 金 属 、 陶 瓷 或 环氧 树 脂 封 装 。 (a) 霍 尔 元 件 外 形 (b)电 路 符 号 (c) 基 本 应 用 电 路 二 、 霍 尔 元 件 材 料 。 2) 霍 尔 元 件 的 材 料锗 (Ge)、 硅 (Si)、 锑 化 铟 (InSb)、 砷 化 铟 (InAs)和 砷 化 镓(GaAs)是 常 见 的 制 作 霍 尔 元 件 的 几 种 半 导 体 材 料 。 表 6-2所 列为 制 作 霍 尔 元 件 的 几 种 半 导 体 材 料 主 要 参 数 。 1 2 /电 阻 率 电 子 迁 移 率 材 料 (单 晶 ) 禁 带 宽 度Eg/(eV) /( cm) /(cm/Vs) 霍 尔 系 数RH/(cmC-1)N型 锗 (Ge) 0.66 1.0 3500 4250 4000N型 硅 (Si) 1.107 1.5 1500 2250 1840锑 化 铟 (InSb) 0.17 0.005 60000 350 4200砷 化 铟 (InAs) 0.36 0.0035 25000 100 1530磷 砷 铟 (InAsP) 0.63 0.08 10500 850 3000 哪 种 材 料 制 作 的 霍 尔 元 件 灵 敏 度 高 1.额 定 激 励 电 流 IH使 霍 尔 元 件 温 升 10 C所 施 加 的 控 制 电 流 值 。 当 霍 尔 元件 做 好 后 ， 限 制 额 定 电 流 的 主 要 因 素 是 散 热 条 件 。2.输 入 电 阻 Ri和 输 出 电 阻 RORi 是 指 控 制 电 流 极 之 间 的 电 阻 值 。R0 指 霍 尔 电 极 间 的 电 阻 值 。Ri 、 R0可 以 在 无 磁 场 时 用 欧 姆 表 等 测 量 。 3.不 等 位 电 势 U0及 零 位 电 阻 r0 当 霍 尔 元 件 的 激 励 电 流 为 I时 , 若 元 件 所 处 位 置 磁 感应 强 度 为 零 , 则 它 的 霍 尔 电 势 应 该 为 零 , 但 实 际 不 为 零 。 这 时 测 得 的 空 载 霍 尔 电 势 称 不 等 位 电 势 。 000 BH IBKU 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 ; 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 ） ; 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 同一 等 位 面 上 而 产 生 不 等 位 电 势 。 u 不 等 位 电 阻 不 等 位 电 势 也 可 用 不 等 位 电 阻 表 示 : HIUr 00 4、 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 ，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 霍 尔 电 势 是 个 寄 生 量 ， 称 为 寄 生 直 流 电 势 V。5、 热 阻 RQ 它 表 示 在 霍 尔 电 极 开 路 情 况 下 ， 在 霍 尔 元 件 上 输入 lmW的 电 功 率 时 产 生 的 温 升 ， 单 位 为 0C mW。 所以 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 . dRK HH / 型 号 材 料 控 制 电 流(mA) 霍 尔 电 压 (mV, 0.1T) 输 入 电 阻 ( ) 输 出 电 阻 ( ) 灵 敏 度(mV/mA.T) 不 等位 电势(mV) VH 温度 系数 (%/ ) EA218 InAs 100 8.5 3 1.5 0.35 13 6.5 2.4 0.75 1 0.07 VHG-110 GaAs 5 5 -10 200-800 200-800 30-220 5 40 30 2.5 _ -0.02 MF07FZZ InSb 10 40-290 8-60 8-65 _ 10 -2 MF19FZZ InSb 10 80-600 8-60 8-65 _ 10 -2 MH07FZZ InSb 1V 80-120 80-400 80-430 _ 10 -0.3 MH19FZZ InSb 1V 150-250 80-400 80-430 _ 10 -0.3 KH-400A InSb 5 250-550 240-550 50-110 50-1100 10 -0.3 霍 尔 片 基 本 测 量 电 路 图 如 下 所 示 。 （ 1） 霍 尔 器 件 为 四 端 口 元 件 ， 其 中 1-3为 （ 控 制 ） 电 极 ； 2-4为（ 霍 尔 ） 电 极 ； （ 2） 霍 尔 元 件 的 输 入 电 阻 是 指 （ 控 制 ） 电 极 间 的 电 阻 值 ， 输 出 电 阻是 指 （ 霍 尔 ） 电 极 间 的 电 阻 值 。 （ 3） 霍 尔 片 的 不 等 位 电 势 U0由 不 等 位 电 阻 r0引 起 ， 发 生 在 （ 霍 尔 ）电 极 上 . 二 、 测 量 电 路 霍 尔 元 件 的 基 本 测 量 电 路 如 图 5-22所 示 。 激 励 电 流 由 电 源 E供 给 ， 可变 电 阻 RP用 来 调 节 激 励 电 流 I的 大 小 。RL为 输 出 霍 尔 电 势 UH的 负 载 电 阻 。 通常 它 是 显 示 仪 表 、 记 录 装 置 或 放 大 器的 输 入 阻 抗 。 图 5-22 霍 尔 元 件 的 基 本 测 量 电 路 （ a） 基 本 测 量 电 路 W UHRLEW1 W2 U H UH 霍 尔 元 件 的 转 换 效 率 较 低 ， 实 际 应 用 中 ， 可 将 几 个霍 尔 元 件 的 输 出 串 联 或 采 用 运 算 放 大 器 放 大 ， 以 获得 较 大 的 UH。 霍 尔 元 件 的 连 接 电 路 练 习 题 1、 制 作 霍 尔 元 件 应 采 用 的 材 料 是 ， 因为 半 导 体 材 料 能 使 截 流 子 的 的 乘 积 最大 ， 而 使 两 个 端 面 出 现 差 最 大 。 2、 霍 尔 片 不 等 位 电 势 是 如 何 产 生 的 原 因 是 重 要 起因 是 焊 接 在 同 一 等 位 面 上 。 3、 霍 尔 电 动 势 与 哪 些 因 素 有 关 ?如 何 提 高 霍 尔 传感 器 的 灵 敏 度 ? 3答 ： 练 习 题 1、 制 作 霍 尔 元 件 应 采 用 的 材 料 是 半 导 体 材 料 ， 因 为半 导 体 材 料 能 使 截 流 子 的 迁 移 率 与 电 阻 率 的 乘 积 最 大 ， 而使 两 个 端 面 出 现 电 势 差 最 大 。 2、 霍 尔 片 不 等 位 电 势 是 如 何 产 生 的 原 因 是 重 要 起 因 是 不 能 将 霍 尔 电 极 焊 接 在 同 一 等 位 面 上 。 3、 霍 尔 电 动 势 与 哪 些 因 素 有 关 ?如 何 提 高 霍 尔 传 感 器 的 灵敏 度 ? 3答 ： 霍 尔 电 动 势 与 霍 尔 电 场 EH、 载 流 导 体 或 半 导 体 的 宽度 b、 载 流 导 体 或 半 导 体 的 厚 度 d、 电 子 平 均 运 动 速 度 u、磁 场 感 应 强 度 B、 电 流 I有 关 。 霍 尔 传 感 器 的 灵 敏 度 KH =RH/d。 为 了 提 高 霍 尔 传 感 器的 灵 敏 度 ， 霍 尔 元 件 常 制 成 薄 片 形 。 又 因 为 霍 尔 元 件 的 灵敏 度 与 载 流 子 浓 度 成 反 比 ， 所 以 可 采 用 自 由 电 子 浓 度 较 低的 材 料 作 霍 尔 元 件 。 1HH d nedRK 不 等 位 电 动 势 产 生 的 原 因 是 由 于 制 造 工 艺不 可 能 保 证 将 两 个 霍 尔 电 极 对 称 地 焊 在 霍尔 片 的 两 侧 ， 致 使 两 电 极 点 不 能 完 全 位 于同 一 等 位 面 上 。 霍 尔 元 件 的 误 差 及 补 偿 1 霍 尔 元 件 的 零 位 误 差 与 补 偿霍 尔 元 件 的 零 位 误 差 是 指 在 无 外 加 磁 场 或 无 控 制 电 流 的 情 况 下 ，霍 尔 元 件 产 生 输 出 电 压 并 由 此 而 产 生 的 误 差 。 它 主 要 表 现 为 以下 几 种 具 体 形 式 。 1) 不 等 位 电 动 势不 等 位 电 动 势 是 零 位 误 差 中 最 主 要 的 一 种 ，它 是 当 霍 尔 元 件 在 额 定 控 制 电 流 (元 件 在 空 气中 温 升 10 所 对 应 的 电 流 )作 用 下 ， 不 加 外 磁场 时 ， 霍 尔 输 出 端 之 间 的 空 载 电 动 势 。 此 外 ,霍 尔 片 电 阻 率 不 均 匀 ， 或 片 厚 薄 不均 匀 ， 或 控 制 电 流 极 接 触 不 良 都 将 使 等 位面 歪 斜 ， 如 图 所 示 ， 致 使 两 霍 尔 电 极 不 在同 一 等 位 面 上 而 产 生 不 等 位 电 动 势 。 2) 寄 生 直 流 电 势在 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 称 为 寄 生 直 流 电 势 。 产 生 寄 生 直 流 电 势 的原 因 有 两 个 方 面 ： (1)由 于 控 制 电 极 焊 接 处 接 触 不 良 而 造 成 一 种整 流 效 应 ， 使 控 制 电 流 因 正 、 反 向 电 流 大 小 不 等 而 具 有 一 定 的直 流 分 量 。 (2)输 出 电 极 焊 点 热 容 量 不 相 等 产 生 温 差 电 动 势 。 对于 锗 霍 尔 元 件 ， 当 交 流 控 制 电 流 为 20 mA时 ， 输 出 电 极 的 寄 生 直流 电 压 小 于 100 。 V 3) 感 应 零 电 动 势感 应 零 电 动 势 是 在 未 通 电 流 的 情 况 下 ， 由 于脉 动 或 交 变 磁 场 的 作 用 ， 在 输 出 端 产 生 的 电动 势 。 根 据 电 磁 感 应 定 律 ， 感 应 电 动 势 的 大小 与 霍 尔 元 件 输 出 电 极 引 线 构 成 的 感 应 面 积成 正 比 ， 如 图 所 示 。 4) 自 激 场 零 电 动 势霍 尔 元 件 控 制 电 流 产 生 自 激 场 ， 如 图 所 示 。由 于 元 件 的 左 右 两 半 场 相 等 ， 故 产 生 的 电 动势 方 向 相 反 而 抵 消 。 实 际 应 用 时 由 于 控 制 电流 引 线 也 产 生 磁 场 ， 使 元 件 左 右 两 半 场 强 不等 ， 因 而 有 霍 尔 电 动 势 输 出 ， 这 一 输 出 电 动势 即 是 自 激 场 零 电 动 势 。 在 上 述 的 4种 零 位 误 差 中 ， 寄 生 直 流 电 动 势 、 感 应 零 电 动 势 以 及自 激 场 零 电 动 势 ， 是 由 于 制 作 工 艺 上 的 原 因 而 造 成 的 误 差 ， 可 以通 过 工 艺 水 平 的 提 高 加 以 解 决 。 而 不 等 位 电 动 势 所 造 成 的 零 位 误差 ， 则 必 须 通 过 补 偿 电 路 给 予 克 服 。在 理 想 情 况 下 R 1=R2=R3=R4， 即 可 取 得 零 位 电 动 势 为 零 (或 零 位 电 阻为 零 )， 从 而 消 除 不 等 位 电 动 势 。 实 际 上 ， 若 存 在 零 位 电 动 势 ， 则说 明 此 4个 电 阻 不 完 全 相 等 ， 即 电 桥 不 平 衡 。 为 使 其 达 到 平 衡 ， 可在 阻 值 较 大 的 桥 臂 上 并 联 可 调 电 阻 RP或 在 两 个 臂 上 同 时 并 联 电 阻 RP和 R。 霍 尔 元 件 结 构 及 等 效 电 路 如 图 不 等 位 电 势A IU0 BC D DR1 R2R4ABC R3霍 尔 元 件 的 等 效 电 路 图 不 等 位 电 势 的 补 偿 电 路 2 霍 尔 元 件 的 温 度 误 差 及 补 偿与 一 般 半 导 体 一 样 ， 由 于 电 阻 率 、 迁 移 率 以 及 载 流 子 浓 度 随 温度 变 化 ， 所 以 霍 尔 元 件 的 性 能 参 数 如 输 入 、 输 出 电 阻 ,霍 尔 常数 等 也 随 温 度 而 变 化 ， 致 使 霍 尔 电 动 势 变 化 ， 产 生 温 度 误 差 。 将 温 度 每 变 化 1 时 ， 霍 尔 元件 输 入 电 阻 或 输 出 电 阻 的 相 对变 化 率 Ri/Ro称 为 内 阻 温 度 系数 ， 用 表 示 。 将 温 度 每 变 化 1 时 ， 霍 尔 电压 的 相 对 变 化 率 UHt/UH0称 为 霍尔 电 压 温 度 系 数 ， 用 表 示 。 几 种 温 度 误 差 的 补 偿 方 法1) 采 用 恒 压 源 和 输 入 回 路 串 联 电 阻 补 偿 基 本 电 路 及 等 效 电 路 如 图霍 尔 电 压 随 温 度 变 化 的 关 系 式 为 ： HtH itR EBU R R d 对 上 式 求 温 度 的 导 数 得 ， 要 使 温 度 变 化 时 霍 尔 电 压 不 变 ， 必须 使 外 接 电 阻 ： i0( )RR 2) 合 理 选 择 负 载 电 阻 RL的 阻 值霍 尔 元 件 的 输 出 电 阻 Ro和 霍 尔 电 动 势 UH都 是 温 度 的 函 数 (设 为 正温 度 系 数 )， 当 霍 尔 元 件 接 有 负 载 RL时 ， 在 RL上 的 电 压 为 ：L H0 0L L o0 01 ( )1 ( )R U t tU R R t t 为 了 负 载 上 的 电 压 不 随 温 度 变 化 ， 应 使 dUL/d(t-t0)=0， 即 L o0( 1)R R 式 中 ： Ro0为 温 度 t0时 的 霍 尔 元 件 输 出 电 阻 。可 采 用 串 、 并 连 电 阻 的 方 法 使 上 式 成 立 来 补 偿 温 度 误 差 ， 但霍 尔 元 件 的 灵 敏 度 将 会 降 低 。 3) 采 用 温 度 补 偿 元 件 (如 热 敏 电 阻 、 电 阻 丝 )这 是 一 种 常 用 的 温 度 误 差 补 偿 方 法 。 由 于 热 敏 电 阻 具 有 负 温 度系 数 ， 电 阻 丝 具 有 正 温 度 系 数 ， 可 采 用 输 入 回 路 串 接 热 敏 电 阻 ，输 入 回 路 并 接 电 阻 丝 ， 或 输 出 端 串 接 热 敏 电 阻 对 具 有 负 温 度 系 数的 锑 化 铟 材 料 霍 尔 元 件 进 行 温 度 补 偿 。 可 采 用 输 入 端 并 接 热 敏 电阻 方 式 对 输 出 具 有 正 温 度 系 数 的 霍 尔 元 件 进 行 温 度 补 偿 。 一 般 来说 ， 温 度 补 偿 电 路 、 霍 尔 元 件 和 放 大 电 路 应 集 成 在 一 起 制 成 集 成霍 尔 传 感 器 。 温 度 误 差 霍 尔 元 件 是 采 用 半 导 体 材 料 制 成 的 , 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 , 霍 尔 元 件 的电 阻 率 及 霍 尔 系 数 都 将 发 生 变 化 , 从 而 使 霍 尔 元 件 产 生 温度 误 差 。霍 尔 系 数 与 温 度 的 关 系 可 写 成 ： K H = KH0(1+ T)霍 尔 元 件 的 输 入 电 阻 与 温 度 变 化 的 关 系 可 写 成 r = r0(1+ T) （ 1） 分 流 电 阻 法 为 了 减 小 霍 尔 元 件 的 温 度 误 差 , 除 选 用 温 度 系 数 小的 元 件 或 采 用 恒 温 措 施 外 , 由 UH=KHIB可 看 出 ： 采 用 恒流 源 供 电 是 个 有 效 措 施 , 可 以 使 霍 尔 电 势 稳 定 。 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 I变 化 所 带 来 的 影 响 。 大 多 数 霍 尔 元 件 的 温 度 系 数 是 正 值 , 它 们 的 霍 尔电 势 随 温 度 升 高 而 增 加 （ 1+ T） 倍 。 如 果 ,与 此 同 时让 激 励 电 流 I相 应 地 减 小 , 并 能 保 持 K HI 乘 积 不 变 , 也 就 抵 消 了 灵 敏 系 数 KH 增 加 的 影 响 。 图 5-6 就 是 按 此思 路 设 计 的 一 个 既 简 单 、 补 偿 效 果 又 较 好 的 补 偿 电 路 。 UH 恒 流 源 的 分 流 电 阻 温 度 补 偿 法 常 采 用 分 流 电 阻 R0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 , 旁 路 分 流 电 阻 R0自 动 地 加 强 分 流 , 减 少了 霍 尔 元 件 的 激 励 电 流 I, 从 而 达 到 补 偿 的 目 的 。在 图 所 示 的 温 度 补 偿 电 路 中 , 设 初 始 温 度 为 T0, 霍 尔 元 件输 入 电 阻 为 r0, 灵 敏 系 数 为 KH, 分 流 电 阻 为 R0, 根 据 分 流概 念 得 00 00 rR IRI H 图 分 流 电 阻 补 尝 电 路 示 意 图I 12 3 40R 当 温 度 升 至 T时 , 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 ; 分 流 电 阻 温 度 系 数 。则 rRRIIH )1()1( )1( 00 0 TrTR ITR UH0=UH KH0IH0B=KHIHB则 KH0IH0=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 , 它 的 输 入 电 阻 r0和 温 度 系 数 及 霍尔 电 势 温 度 系 数 是 确 定 值 。 由 上 式 即 可 计 算 出 分 流 电阻 R 0及 所 需 的 温 度 系 数 值 。 为 了 满 足 R0及 两 个 条件 , 分 流 电 阻 可 取 温 度 系 数 不 同 的 两 种 电 阻 的 串 、 并联 组 合 , 这 样 虽 然 麻 烦 但 效 果 很 好 。 虽 然 温 度 升 高 T, 为 使 霍 尔 电 势 不 变 , 补 偿 电 路 必须 满 足 温 升 前 、 后 的 霍 尔 电 势 不 变 , 即 00 )( iRR (2)电 桥 补 偿 法 5 霍 尔 传 感 器 的 应 用霍 尔 元 件 具 有 结 构 牢 固 、 工 艺 成 熟 、 体 积 小 、 寿 命 长 、 线 性 度好 、 频 率 高 、 耐 振 动 、 不 怕 灰 尘 、 油 污 、 水 汽 及 盐 雾 等 的 污 染或 腐 蚀 的 优 点 ， 目 前 ， 霍 尔 传 感 器 是 全 球 使 用 量 排 名 第 三 的 传感 器 产 品 ， 它 被 广 泛 应 用 到 工 业 、 汽 车 业 、 计 算 机 、 手 机 以 及新 兴 消 费 电 子 领 域 中 。 霍 尔 电 势 是 关 于 I、 B、 三 个 变 量的 函 数 ， 即 UH=KHIBcos 。 利 用 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 个 量 ，其 余 两 个 量 都 作 为 变 量 。 这 使 得 霍 尔传 感 器 有 许 多 用 途 。 霍 尔 式 位 移 传 感 器 原 理 示 意 图 霍 尔 传 感 器 的 应 用霍 尔 转 速 传 感 器 在 被 测 转 速 的 转 轴 上 安 装 一 个 齿 盘 ， 也 可 选 取 机 械 系 统 中 的一 个 齿 轮 ， 将 线 性 型 霍 尔 器 件 及 磁 路 系 统 靠 近 齿 盘 。 齿 盘 的 转 动使 磁 路 的 磁 阻 随 气 隙 的 改 变 而 周 期 性 地 变 化 ， 霍 尔 器 件 输 出 的 微小 脉 冲 信 号 经 隔 直 、 放 大 、 整 形 后 可 以 确 定 被 测 物 的 转 速 。SN霍 尔 器 件磁 铁 霍 尔 转 速 表 原 理 当 齿 对 准 霍 尔 元 件 时 ， 磁 力 线 集 中 穿 过 霍 尔 元 件 ， 可 产生 较 大 的 霍 尔 电 动 势 ， 放 大 、 整 形 后 输 出 高 电 平 ； 反 之 ，当 齿 轮 的 空 挡 对 准 霍 尔 元 件 时 ， 输 出 为 低 电 平 。 钢 丝 绳 断 丝 检 测 霍 尔 效 应 钢 丝 绳 断 丝 检 测 装 置 铁 磁 材 料 裂 纹 检 测 N S 测 量 铁 心 气 隙 的 B值霍 尔 传 感 器 用 于 测 量 磁 场 强 度 霍 尔 元 件 霍 尔 转 速 表 的 其 他 安 装 方 法 只 要 金 属 旋 转 体 的 表 面 存 在 缺 口 或 突 起 ， 就 可 产 生 磁 场 强度 的 脉 动 ， 从 而 引 起 霍 尔 电 势 的 变 化 ， 产 生 转 速 信 号 。 霍 尔 元 件磁 铁 3 霍 尔 机 械 振 动 传 感 器 1 霍 尔 元 件 ； 2 平 板 （ 非 磁 性 材 料 ） ；3 顶 杆 ； 4 触 点 ； 5 外 壳 ； 6 磁 系统 触 点 4与 被 测 对 象 接 触 ， 整 个 组 件 随 被 测体 做 机 械 振 动 。 霍 尔 元 件 输 出 的 霍 尔 电 动势 可 反 映 出 被 测 振 动 的 频 率 和 幅 度 。 3 电 流 测 量霍 尔 钳 形 电 流 表 测 量 原 理