传感器与检测技术第六章

第 6章 霍 尔 传 感 器 6.2 霍 尔 传 感 器 的 测 量 转 换 电 路2 6.1 霍 尔 传 感 器 的 工 作 原 理1 6.3 霍 尔 传 感 器 的 应 用3 知 识 目 标 ：（ 1） 了 解 霍 尔 元 件 的 结 构 和 不 同 参 数 。 （ 2） 掌 握 霍 尔 传 感 器 的 工 作 原 理 及 测 量 转 换 电 路 。（ 3） 熟 悉 霍 尔 传 感 器 在 工 程 上 的 应 用 。教 学 目 标技 能 目 标 ：（ 1） 能 够 使 用 常 用 仪 器 检 查 霍 尔 传 感 器 性 能 ， 判 别 其 好 坏 。（ 2） 能 够 运 用 所 学 知 识 设 计 制 作 基 本 检 测 单 元 模 块 电 路 。（ 3） 能 够 对 制 作 的 模 块 电 路 进 行 简 单 的 测 试 。 情 感 目 标 ：（ 1） 养 成 良 好 的 工 作 责 任 心 、 坚 强 的 意 志 力 和 严 谨的 工 作 作 风 。 （ 2） 具 有 工 作 与 学 习 良 好 的 交 流 与 团 队 合 作 能 力 。教 学 重 难 点教 学 重 点 ：霍 尔 传 感 器 的 工 作 原 理 和 应 用 。教 学 难 点 ：霍 尔 传 感 器 的 测 量 电 路 。 （ a） 外 形 结 构 （ b） 图 形 符 号图 6-1 霍 尔 元 件6.1 霍 尔 传 感 器 的 工 作 原 理6.1.1 霍 尔 效 应霍 尔 元 件 是 一 种 半 导 体 四 端 薄 皮 ， 1、 1端 称 为 激 励 电 流 端 ，2、 2端 称 为 霍 尔 电 动 势 的 输 出 端 ， 其 中 2、 2端 一 般 应 处 于霍 尔 元 件 侧 面 的 中 点 图 6-2 霍 尔 效 应 的 原 理当 把 霍 尔 元 件 置 于 磁 感 应 强 度 为 B的 磁 场 中 时 ， 磁 场 方 向 垂直 于 霍 尔 元 件 ， 当 有 电 流 I流 过 霍 尔 元 件 时 ， 在 垂 直 于 电 流和 磁 场 的 方 向 上 将 产 生 感 应 电 动 势 EH， 这 种 现 象 称 为 霍 尔效 应 c da b 当 磁 场 垂 直 于 元 件 时 ， 电 子 受 到 洛 仑 兹 力 的 作 用 ， 向 内 侧偏 移 ， 在 霍 尔 元 件 c、 d方 向 的 端 面 之 间 建 立 起 霍 尔 电 势 。 I 控 制 电 流 （ A）B 磁 感 应 强 度 （ T）KH 霍 尔 元 件 的 灵 敏 度流 入 霍 尔 元 件 激 励 电 流 端 的 输 入 电 流 I越 大 ， 作 用 在 霍 尔 元 件上 的 磁 感 应 强 度 B就 越 强 ， 霍 尔 电 动 势 EH也 就 越 高 。 霍 尔 电势 EH可 用 下 式 表 示 ： EH=KH IB 霍 尔 元 件 灵 敏 度 的 表 达 式 为 HH Rk d （ 6-2）式 中 ， RH为 霍 尔 常 数 ； d为 霍 尔 元 件 的 厚 度 （ m） 。 霍 尔 常 数 的 表 达 式 为 R H = （ 6-3）式 中 ， 为 霍 尔 元 件 所 用 材 料 的 电 阻 率 ； 为 霍 尔 元 件 所 用 材 料 载 流子 的 迁 移 率 。 若 磁 感 应 强 度 B不 垂 直 于 霍 尔 元 件 ， 而 是 与 其 法 线 成 某 一 角 度 时 ，实 际 上 作 用 于 霍 尔 元 件 上 的 有 效 磁 感 应 强 度 是 其 法 线 方 向 （ 与 薄 片垂 直 的 方 向 ） 的 分 量 ， 即 Bcos， 这 时 的 霍 尔 电 势 为 EH=KHIBcos 结 论 ： 霍 尔 电 势 与 输 入 电 流 I、 磁 感 应 强 度 B成 正 比 ， 且 当 B的 方 向改 变 时 ， 霍 尔 电 势 的 方 向 也 随 之 改 变 。 如 果 所 施 加 的 磁 场 为 交 变 磁场 ， 则 霍 尔 电 势 为 同 频 率 的 交 变 电 势 。 当 霍 尔 元 件 自 身 的 温 度 升 高 10 时 ， 流 过 自 身 的 激 励 电 流 称 为 额 定激 励 电 流 ， 用 符 号 Ic表 示 。 由 于 霍 尔 电 势 随 激 励 电 流 增 大 而 增 大 ，故 在 应 用 中 总 希 望 选 用 较 大 的 激 励 电 流 。 但 激 励 电 流 增 大 ， 霍 尔 元件 的 功 耗 增 大 ， 元 件 的 温 度 升 高 ， 从 而 引 起 霍 尔 电 势 的 温 漂 增 大 ，因 此 每 种 型 号 的 元 件 均 规 定 了 相 应 的 最 大 激 励 电 流 Im ， 它 的 数 值 从几 毫 安 至 十 几 毫 安 不 等 。 以 下 哪 一 个 激 励 电 流 的 数 值 较 为 妥 当 ？5A 0.1mA 2mA 80mA 1.额 定 激 励 电 流 和 最 大 允 许 激 励 电 流 2.输 入 电 阻 和 输 出 电 阻输 入 电 阻 Ri是 指 霍 尔 元 件 两 个 激 励 电流 端 的 电 阻 。 输 出 电 阻 Ro是 两 个 霍 尔电 动 势 输 出 端 之 间 的 电 阻 。 输 入 电 阻和 输 出 电 阻 的 阻 值 从 几 十 欧 姆 到 几 百欧 姆 。 3.不 等 位 电 势 和 不 等 位 电 阻 3.不 等 位 电 势 和 不 等 位 电 阻不 等 位 电 动 势 是 指 当 霍 尔 元 件 在 额 定 激 励 电 流 下 ， 当 外 加 磁 场 为 零时 ， 霍 尔 元 件 输 出 端 之 间 的 开 路 电 压 ， 用 符 号 UM表 示 。 产 生 这 一 现象 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 ; 激 励 电 极 接 触 不 良 造 成 激 励 电 流 不 均 匀 分 布 等 。 不 等 位 电 势 也 可 用 不 等 位 电 阻 表 示 4.寄 生 直 流 电 动 势5.霍 尔 电 动 势 的 温 度 系 数当 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 寄 生 直 流 电 动 势 ， 它 主 要 是 由 控 制 电 极 和 基 片 之间 的 非 完 全 欧 姆 接 触 所 产 生 的 整 流 效 应 造 成 的 。霍 尔 电 动 势 的 温 度 系 数 是 指 在 一 定 磁 感 应 强 度 和 控 制 电 流下 ， 温 度 每 变 化 1 ， 霍 尔 电 动 势 的 变 化 率 。 通 过 霍 尔 传 感 器 的 额 定 激 励 电 流 为c A B H/( )I E R R R 6.2 霍 尔 传 感 器 的 测 量 转 换 电 路6.2.1 霍 尔 传 感 器 的 基 本 电 路 （ a） 无 外 接 偏 置 电 阻 （ b） 有 外 接 偏 置 电 阻 （ c） 电 源 负 极 与 霍 尔 元 件 之 间 串 联 电 阻图 6-5 霍 尔 传 感 器 的 偏 置 电 路 6.2.2 霍 尔 传 感 器 的 集 成 电 路霍 尔 传 感 器 的 集 成 电 路 具 有 体 积 较 小 、 灵 敏 度 高 、 输出 幅 度 较 大 、 温 漂 小 、 对 电 源 的 稳 定 性 要 求 较 低 等 优点 ， 它 可 分 为 线 性 型 霍 尔 传 感 器 的 集 成 电 路 和 开 关 型霍 尔 传 感 器 的 集 成 电 路 。 1.线 性 型 霍 尔 传 感 器 的 集 成 电 路线 性 型 霍 尔 传 感 器 的 集 成 电 路 的 内 部 电 路 是 将 霍 尔 元 件 、 恒流 源 、 线 性 差 动 放 大 器 制 作 在 同 一 个 芯 片 上 ， 输 出 电 压 的 单位 为 V， 比 直 接 使 用 霍 尔 元 件 要 方 便 很 多 。 比 较 典 型 的 线 性型 霍 尔 传 感 器 有 UGN3501。 图 6-6 UG3501线 性 型 霍 尔 传 感 器 的 外 形 及 其 内 部 集 成 电 路 请 画 出 线 性 范 围 右 图 示 出 了 具 有 双 端 差 动输 出 特 性 的 线 性 霍 尔 器 件的 输 出 特 性 曲 线 。 当 磁 场为 零 时 ， 它 的 输 出 电 压 等于 零 ； 当 感 受 的 磁 场 为 正向 （ 磁 钢 的 S极 对 准 霍 尔 器件 的 正 面 ） 时 ， 输 出 为 正 ；磁 场 反 向 时 ， 输 出 为 负 。 开 关 型 霍 尔 集 成 电 路 是 将 霍 尔 元 件 、 稳 压 电路 、 放 大 器 、 施 密 特 触 发 器 、 OC门 （ 集 电 极开 路 输 出 门 ） 等 电 路 做 在 同 一 个 芯 片 上 。 当外 加 磁 场 强 度 超 过 规 定 的 工 作 点 时 ， NPN型OC门 由 高 阻 态 （ 或 高 电 平 ） 变 为 导 通 状 态 ，输 出 变 为 低 电 平 ； 当 外 加 磁 场 强 度 低 于 释 放点 时 ， OC门 重 新 变 为 高 阻 态 ， 输 出 高 电 平 。较 典 型 的 开 关 型 霍 尔 器 件 如 UGN3020等 。 图 6-9 开 关 型 霍 尔 传 感 器 的 外 形 及 其 内 部 集 成 电 路图 6-10 施 密 特 触 发 电 路 的 输 出 特 性 曲 线 回 差 越 大 ，抗 振 动 干 扰能 力 就 越 强 。 当 磁 铁 从 远 到 近 地 接 近 霍 尔 IC， 到 多 少 特 斯 拉 时输 出 翻 转 ？ 当 磁 铁 从 近 到 远 地 远 离 霍 尔 IC， 到 多 少特 斯 拉 时 输 出 再 次 翻 转 ？ 回 差 为 多 少 特 斯 拉 ？ 6.2.3 基 本 误 差 及 补 偿1.不 等 位 电 动 势 误 差 的 补 偿不 等 位 电 动 势 是 霍 尔 元 件 误 差 中 最 主 要 的 一 种 。 它产 生 的 原 因 是（ 1） 制 造 工 艺 不 可 能 保 证 两 个 霍 尔 电 极 绝 对 对 称地 焊 接 在 霍 尔 元 件 的 两 侧 ， 致 使 霍 尔 元 件 的 两 个 电极 点 不 能 完 全 位 于 同 一 个 等 位 面 上 。（ 2） 由 于 半 导 体 的 电 阻 特 性 （ 等 势 面 倾 斜 ） 所 造成 。 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 。 图 6-12 不 等 位 电 动 势 的 补 偿 电 路 2.温 度 特 性 霍 尔 元 件 的 温 度 特 性 是 指 它 的 内 阻 及 输 出 电 压 （ 霍 尔 电 动 势 ）与 温 度 之 间 的 关 系 。 图 6-13 霍 尔 内 阻 与 温 度 的 关 系 图 6-14 霍 尔 电 动 势 与 温 度 的 关 系 3.温 度 误 差 及 其 补 偿温 度 误 差 产 生 的 原 因 主 要 包 括 以 下 两 种 ：（ 1） 由 于 霍 尔 元 件 是 由 半 导 体 材 料 组 成 的 ，因 此 ， 它 对 温 度 的 变 化 非 常 敏 感 。 其 中 ， 载流 子 的 浓 度 、 迁 移 率 、 电 阻 率 等 参 数 都 是 温度 的 函 数 。（ 2） 当 温 度 发 生 变 化 时 ， 霍 尔 元 件 的 一 些 特性 参 数 ， 如 霍 尔 电 动 势 、 输 入 电 阻 和 输 出 电阻 等 都 会 发 生 变 化 ， 从 而 使 霍 尔 传 感 器 产 生温 度 误 差 。 温 度 补 偿 的 方 法 减 小 霍 尔 元 件 的 温 度 误 差 的 方 法1.恒 温 措 施 补 偿2.恒 流 源 温 度 补 偿（ 1） 恒 温 措 施 补 偿 。 包 括 以 下 两 种 ： 将 霍 尔 元 件 放 在 恒 温 器 中 。 将 霍 尔 元 件 放 在 恒 温 的 空 调 房 中 。 (2） 恒 流 源 温 度 补 偿 。霍 尔 元 件 的 灵 敏 度 与 温 度 的 关 系 为 （ 6-5）式 中 ， 为 温 度 为 t0时 霍 尔 元 件 的 灵 敏 度 ； 为 霍尔 电 动 势 的 温 度 系 数 ； 为 温 度 的 变 化 量 （ ） 。H H0(1 )k k t H0k t 常 见 的 大 多 数 霍 尔 元 件 霍 尔 电 动 势 的 温 度 系 数 都 是 正 值 ， 它 们 的霍 尔 电 动 势 将 会 随 着 温 度 的 升 高 而 增 加 。 如 果 让 激 励 电 流 端 的 电流 I相 应 地 减 小 ， 就 能 使 的 结 果 保 持 不 变 . H HE k IB 图 6-15 恒 流 源 温 度 补 偿 电 路 6.3 霍 尔 传 感 器 的 应 用 霍 尔 电 势 是 关 于 I、 B、 三 个 变 量 的 函 数 ，即 EH=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 。 图 6-16 霍 尔 位 移 传 感 器 的 工 作 原 理 6.3.1 霍 尔 位 移 传 感 器 图 6-17 霍 尔 压 力 传 感 器 的 工 作 原 理 1弹 簧 管 ； 2磁 铁 ； 3霍 尔 压 力 传 感 器 6.3.2 霍 尔 压 力 传 感 器 图 6-18 霍 尔 加 速 度 传 感 器 的 工 作 原 理 6.3.3 霍 尔 加 速 度 传 感 器 图 6-19 霍 尔 转 速 传 感 器 的 工 作 原 理6.3.4 霍 尔 转 速 传 感 器 只 要 黑 色 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 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 。 带 有 微型 磁 铁的 霍 尔传 感 器 钢 质 霍 尔 若 汽 车 在 刹 车 时 车 轮 被 抱 死 ， 将 产 生 危 险 。 用 霍 尔 转 速 传感 器 来 检 测 车 轮 的 转 动 状 态 有 助 于 控 制 刹 车 力 的 大 小 。 6.3.5 霍 尔 计 数 器 图 6-20 霍 尔 计 数 器 的 工 作 原 理 及 其 内 部 电 路