霍尔传感器课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,PPT课件,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,PPT课件,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第九章 霍尔传感器,本章主要讲述内容：,1,、霍尔传感器的工作原理,2,、霍尔元件的基本结构和主要技术指标,3,、霍尔元件的测量电路,4,、霍尔传感器举例,1,PPT课件,第九章 霍尔传感器本章主要讲述内容：1、霍尔传感器的工作,概述：,霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，得到广泛的应用。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。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。,特点：,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，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。,第一节 霍尔元件的基本工作原理,2,PPT课件,概述：特点：第一节 霍尔元件的基本工作原理2PPT课件,霍尔效应原理图,3,PPT课件,霍尔效应原理图3PPT课件,霍尔元件,金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。,4,PPT课件,霍尔元件 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，,设图中的材料是型半导体，导电的载流子是电子。在轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。它的大小为：,F,L,=,evB,z,x,y,I,A,D,B,C,B,l,L,d,U,H,A,、,B,-,霍尔电极,C,、,D,-,控制电极,F,L,5,PPT课件,设图中的材料是型半导体，导电的载流子是电子。,电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为,F,E,与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为,式中,E,H,为霍尔电场,，,e,为电子电量，,U,H,为霍尔电势,。当,F,L,=,F,E,时，电子的积累达到动平衡，即,所以,I,A,D,B,C,B,l,L,d,U,H,A,、,B-,霍尔电极,C,、,D-,控制电极,F,L,F,E,6,PPT课件,电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场,设流过霍尔元件的电流为,I,时，,式中,ld,为与电流方向垂直的截面积，,n,为单位体积内自由电子数,(,载流子浓度,),。则,I,A,D,B,C,B,l,L,d,U,H,A,、,B-,霍尔电极,C,、,D-,控制电极,F,L,F,E,7,PPT课件,设流过霍尔元件的电流为 I 时，,令,R,H,则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。,霍尔系数及灵敏度,则,8,PPT课件,令 RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流,K,H,为霍尔元件的灵敏度。,由上述讨论可知，霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的厚度,d,与,K,H,成反比。,令,则,9,PPT课件,KH为霍尔元件的灵敏度。令9PPT课件,通过以上分析可知：,1,）,霍尔电压,U,H,与材料的性质有关,n,愈大，,K,H,愈小，霍尔灵敏度愈低；,n,愈小，,K,H,愈大，但,n,太小，需施加极高的电压才能产生很小的电流。因此霍尔元件一般采用,N,型半导体材料,10,PPT课件,通过以上分析可知：1）霍尔电压UH与材料的性质有关10PPT,2,）霍尔电压,U,H,与元件的尺寸有关。,d,愈小，,K,H,愈大，霍尔灵敏度愈高，,所以霍尔元件的厚度都比较薄，但,d,太小，会使元件的输入、输出电阻增加。,霍尔电压,U,H,与控制电流及磁场强度成正比，当磁场改变方向时，也改变方向。,11,PPT课件,2）霍尔电压UH与元件的尺寸有关。11PPT课件,若磁场,B,和霍尔元件平面的法线成一角度,，则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为,B cos,，因此,U,H,=K,H,IBcos,I,A,D,B,C,B,l,L,d,U,H,A,、,B,-,霍尔电极,C,、,D,-,控制电极,12,PPT课件,若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度，则作用于霍尔元件的有,3,）,P,型半导体，其多数载流子是空穴，也存在霍尔效应，但极性和,N,型半导体的相反。,4,）霍尔电压,U,H,与磁场,B,和电流,I,成正比，只要测出,U,H,，那么,B,或,I,的未知量均可利用霍尔元件进行测量。,13,PPT课件,3）P型半导体，其多数载流子是空穴，也存在霍尔效应，但极性和,一、霍尔元件的基本结构组成,由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。,第二节 霍尔元件的基本结构和主要技术指标,14,PPT课件,一、霍尔元件的基本结构组成第二节 霍尔元件的基本结构和主要,国产霍尔元件型号的命名方法,15,PPT课件,国产霍尔元件型号的命名方法15PPT课件,二、主要技术指标,1,、额定控制电流,I,C,和最大控制电流,I,Cm,霍尔元件在空气中产生,10,的温升时所施加的控制电流称为,额定控制电流,I,C,。在相同的磁感应强度下，,I,C,值较大则可获得较大的霍尔输出。,霍尔元件限制,I,C,的主要因素是散热条件。,一般锗元件的最大允许温升,T,m,80,，硅元件的,T,m,175,。当霍尔元件的温升达到,T,m,时的,I,C,就是,最大控制电流,I,Cm,。,16,PPT课件,二、主要技术指标1、额定控制电流IC和最大控制电流ICm16,霍尔元件的乘积灵敏度定义为在单位控制电流和单位磁感应强度下，霍尔电势输出端开路时的电势值，其单位为,V,（,AT,），它反应了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希望它越大越好。,2,、乘积灵敏度,K,H,其定义,17,PPT课件,霍尔元件的乘积灵敏度定义为在单位控制电流和单位磁,3,、输入电阻,R,i,和输出电阻,R,0,R,i,是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值，,R,0,是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻，单位为,。可以在无磁场即,B,0,和室温（,20 5,）,时，用欧姆表等测量。,18,PPT课件,3、输入电阻Ri和输出电阻R0Ri是指流过控制电流的电极（简,在额定控制电流,I,c,之下，不加磁,B,0,时，霍尔电极间的空载霍尔电势,U,H,0,，称为不平衡,(,不等位,),电势，单位为,mV,。一般要求霍尔元件的,U,H,1mV,，好的霍尔元件的,U,H,可以小于,0.1mV,。,不等位电势和额定控制电流,I,c,之比为不等位电阻,R,M,，即,4,、不等位电势,U,M,和不等位电阻,R,M,19,PPT课件,在额定控制电流 Ic 之下，不加磁B0时，霍尔电极,不平衡电势,U,H,是主要的零位误差。因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上。如下图,(a),所示。当控制电流,I,流过时，即使末加外磁场，,A,、,B,两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）,U,H,。,20,PPT课件,20PPT课件,在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化,1,时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数,，单位为,1,。,5,、霍尔电势温度系数,21,PPT课件,在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1,一、基本测量电路,控制电流,I,由电源,E,供给，电位器,R,调节控制电流,I,的大小。,霍尔元件输出接负载电阻,R,L,，,R,L,可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻,。由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产生霍尔电势,U,H,，所以在测量中，可以把,I,第三节 霍尔元件的测量电路,与,B,的乘积、或者,I,，或者,B,作为输入情号，则霍尔元件的输出电势分别正比于,IB,或,I,或,B,。,22,PPT课件,一、基本测量电路 第三节 霍尔元件的测量电路,为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。下图,(a),为直流供电，控制电流端并联输出串联。下图,(b),为交流供电，控制电流端串联变压器叠加输出。,连接方式,23,PPT课件,为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加,由于载流子浓度等随温度变化而变化，因此会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随温度变化而变化。这种变化程度随不同半导体材料有所不同。而且,温度高到一定程度，产生的变化相当大,。温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。,针对温度变化导致内阻,(,输入、输出电阻,),的变化，可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。,二、温度误差及其补偿,24,PPT课件,由于载流子浓度等随温度变化而变化，因此会导致,（一）采用恒流源提供控制电流,对于上图所示的基本测量电路，,设温度由,T,增加到,T+,T,，,因霍尔片的电子浓度,n,增加，从而使霍尔元件的乘积灵敏度由,K,H,减小到,K,H,（,1,T,）,，,其中,是,K,H,的温度系数。,25,PPT课件,（一）采用恒流源提供控制电流对于上图所示的基本测量电路，25,另一方面霍尔元件输入电阻由,R,i,减小,到,R,i,（,1,T,）,。其中,是,R,i,的温度系数。,输入电阻的变化将使控制电流由,I,C,变为,I,C,I,C,，,此时霍尔电势将由,U,H,K,H,I,C,B,变为,U,H,U,H,K,H,（,1,T,）（,I,C,I,C,）,B,。,要使,U,H,0,，,必须,I,C, （,1,T,） （,I,C,I,C,）,26,PPT课件,另一方面霍尔元件输入电阻由Ri减小到26PPT课件,要满足,I,C, （,1,T,） （,I,C,I,C,）,，为此采用上图所示的电源为恒流源的测量电路，电路中并联一个起分流作用的补偿电阻,R,。根据上图可得,式中,补偿电阻,R,的温度系数。,27,PPT课件,要满足IC （1T） （ICIC ），为此采用,将这两式,代入,对上式进行整理，并忽略（,T,）,2,项可得,得到,28,PPT课件,将这两式代入对上式进行整理，并忽略（T）2 项可得得到28,对于一个确定的霍尔元件，,和,值可由元件参数表查得，,R,i,可在无外磁场和室温条件下直接测得。因此只要选择适当的补偿电阻，使其,R,和,满足上式，就可在输入回路实现对温度误差的补偿了。,29,PPT课件,对于一个确定的霍尔元件，和值可由元件参,（二）合理选择负载电阻,如上图所示，若霍尔电势输出端接负载电阻,R,L,，则当温度为,T,时，,R,L,上的电压可表示为：,式中,R,0,霍尔元件的输出电阻。,30,PPT课件,（二）合理选择负载电阻如上图所示，若霍尔电势输出端接负载电阻,当温度由,T,变为,T+,T,时，则,R,L,上的电压变为,式中,霍尔电势的温度系数；,霍尔元件输出电阻的温度系数。,要使,U,L,不受温度变化的影响，即,U,L,0,，由上两式可知，必须,对上式进行整理可得,31,PPT课件,当温度由T变为T+T时，则RL上的电压变为式中 霍尔,对于一个确定的霍尔元件，可以方便地获得,、,和,R,0,的值，因此只要使负载电阻,R,L,满足上式，就可在输出回路实现对温度误差的补偿了。虽然,R,L,通常是放大器的输入电阻或表头内阻，其值是一定的，但可通过串、并联电阻来调整,R,L,的值。,32,PPT课件,对于一个确定的霍尔元件，可以方便地获得、和,（三）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，常采用右图所示的温度补偿电路，图中,R,t,是热敏元件（热电阻或热敏电阻）。,33,PPT课件,（三）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）,图（,a,）是在输入回路进行温度补偿电路，当温度变化时，用,R,t,的变化来抵消霍尔元件的乘积灵敏度,K,H,和输入电阻,R,i,变化对霍尔输出电势,U,H,的影响。,34,PPT课件,图（a）是在输入回路进行温度补偿电路，当温度变化时，用Rt的,图（,b,）则是在输出回路进行温度补偿的电路，当温度变化时，用,R,t,的变化来抵消霍尔电势,U,H,和输出电阻,R,0,变化对负载电阻,R,L,上的电压,U,L,的影响。 在安装测量电路时，应使热敏元件和霍尔元件的温度一致。,35,PPT课件,图（b）则是在输出回路进行温度补偿的电路，当温,不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。,在分析不等位电势时，可将霍尔元件等效为一个电桥，如右图所示。控制电极,A,、,B,和霍尔电极,C,、,D,可看作电桥的电阻连接点。它们之间分布电阻,R,1,、,R,2,、,R,3,、,R,4,构成四个桥臂，控制电压可视为电桥的工作电压。,三、不等位电势的补偿,36,PPT课件,不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时，而出,理想情况下，不等位电势,U,M,=0,，对应于电桥的平衡状态，此时,R,1,R,2,R,3,R,4,。,如果霍尔元件的,U,M,0,，则电桥就处于不平衡状态，此时,R,1,、,R,2,、,R,3,、,R,4,的阻值有差异，,U,M,就是电桥的不平衡输出电压。,只要能使电桥达到平衡的方法都可作为不等位电势的补偿方法。,37,PPT课件,理想情况下，不等位电势UM=0，对应于电桥的平衡状,（一）基本补偿电路,霍尔元件的不等位电势补偿电路有多种形式，图,9,7,为两种常见电路，其中,RW,是调节电阻。,基本补偿电路没有考虑温度变化的影响。当温度发生变化，需要重新进行平衡调节,。,38,PPT课件,（一）基本补偿电路 霍尔元件的不等位电势补偿电路有多种形式，,（二）具有温度补偿的补偿电路,右图是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路。该补偿电路本身也接成桥式电路，其工作电压有霍尔元件的控制电压提供；其中一个为热敏电阻,R,t,，并且于霍尔元件的等效电阻的温度特性相同。,39,PPT课件,（二）具有温度补偿的补偿电路右图是一种常见的具有温度补偿的不,在该电桥的负载电阻,RP,2,上取出电桥的部分输出电压（称为补偿电压），与霍尔元件的输出电压反向串联。在磁感应强度,B,为零时，调节,RP,1,和,RP,2,，使补偿电压抵消霍尔元件此时输出的不等位电势，从而使,B,0,时的总输出电压为零。,40,PPT课件,在该电桥的负载电阻RP2上取出电桥的部分输出电压（称为补偿电,在霍尔元件的工作温度下限,T,1,时，热敏电阻的阻值为,R,t,（,T,1,）。电位器,RP,2,保持在某一确定位置，通过调节电位器的,RP,1,来调节补偿电桥的工作电压，使补偿电压抵消此时的不等位电势,U,ML,，此时的补偿电压称为恒定补偿电压。,41,PPT课件,在霍尔元件的工作温度下限T1时，热敏电阻的阻值为Rt（T1）,当工作温度,T,1,升高到,T,1,T,时，热敏电阻的阻值为,R,t,（,T,1,T,）。,RP,1,保持不变，通过调节,RP,2,，使补偿电压抵消此时的不等位电势,U,ML,U,M,。此时的补偿电压实际上包含了两个分量，一个是抵消工作温度为,T,1,时的不等位电势,U,ML,的恒定补偿电压分量，另一个是抵消工作温度升高,T,时的不等位电势的变化量,U,M,的变化补偿电压分量。,42,PPT课件,当工作温度T1升高到T1 T时，热敏电阻的阻值为Rt（T,根据上述讨论可知，采用桥式补偿电路，可以在霍尔元件的整个温度范围内对不等位电势进行良好的补偿，并且对不等位电势的恒定部分和变化部分的补偿可独立地进行调节。所以，可达到相当高的补偿精度。,43,PPT课件,根据上述讨论可知，采用桥式补偿电路，可以在霍尔元件的整个温度,第四节 霍尔式传感器举例,一、将被测量转换为磁感应强度,B,保持霍尔元件的控制电流,I,恒定不变，就可测量磁感应强度,B,，以及位移、角度等可直接转换为,B,的物理量，进一步还可以测量先转换成位移或角度、然后间接转换为,B,的物理量，如振动、压力、速度、加速度、转速等等。,下面以霍尔式压力传感器为例进行说明。,44,PPT课件,第四节 霍尔式传感器举例一、将被测量转换为磁感应强度B44,图,9-9,霍尔压力传感器结构原理图,霍尔元件,磁钢,压力,P,波登管,N S,S N,霍尔式压力传感器,图9-9 霍尔压力传感器结构原理图霍尔元件磁钢,霍尔式压力传感器由两部分组成：一部分是弹性敏感元件的波登管用以感受压力,P,，并将,P,转换为弹性元件的位移量,x,，即,x,K,P,P,，其中系数,K,P,为常数。,另一部分是霍尔元件和磁系统，磁系统形成一个均匀梯度磁场，如右图所示，在其工作范围内，,B,K,B,x,，其中斜率,K,B,为常数；霍尔元件固定在弹性元件上，因此霍尔元件在均匀梯度磁场中的位移也是,x,。,这样，霍尔电势,U,H,与被测压力,P,之间的关系就可表示为,U,H,K,H,IB,K,H,IK,B,K,P,P,KP,式中,K,H,IK,B,K,P,K,霍尔式压力传感器的输出灵敏度。,霍尔式压力传感器由两部分组成：一部分是弹性敏感元件的波登管用,二、将被测量转换为,I,与,B,的乘积,右图为霍尔式单相交流功率计的基本电路。设输入电压,B,i,R,u,i,c,U,H,Z,L,经过降压电阻,R,得到霍尔元件的控制电流,负载,Z,L,上的电流,流过铁心线圈，产生垂直于霍尔平面的交变磁感应强度,B,，且,B,正比于,i,，即,47,PPT课件,二、将被测量转换为I与B的乘积右图为霍尔式单相交流功率计的基,霍尔输出电势,u,H,K,H,i,C,B,将前两式代入上式可得,式中,K=K,H,K,1,K,2,常系数,若求,u,H,的平均值，则上式中,cos,（,2,t,）为零，因此,通过测出平均霍尔电势，即可求出负载,Z,L,上的有功功率。,48,PPT课件,霍尔输出电势uHKHiCB式中 K=KHK1K2常系,将图中的电阻改用电容,C,代替，则使,i,C,产生,90,相移，同理可得,可见利用霍尔元件也可测量单相负载上的无功功率。,若使用三个串联的霍尔元件和适当的电路，则可测量三相负载上的有功功率和无功功率。,49,PPT课件,将图中的电阻改用电容C代替，则使iC产生90相移，同理可得,本章小结,1,、在霍尔元件的平面法线方向施加磁感应强度,B,，经由控制电流引线通入控制电流，则由于洛仑兹力的作用，两个霍尔电极上出现相反极性载流子的积累，从而在霍尔电势输出引线之间产生霍尔电势,U,H,，这一现象称为霍尔效应，并存在关系,U,H,K,H,IB,。,K,H,称为霍尔元件的乘积灵敏度，它反映了霍尔元件的磁电转换能力。,对于,N,型半导体，,对于,P,型半导体，,本章小结1、在霍尔元件的平面法线方向施加磁感应强度B，经由控,2,、霍尔电势会受到温度变化的影响，一般用霍尔电势温度系数,来表征，即在一定的,I,、,B,下，温度每变化,1,所引起的,U,H,变化的百分率。,为了减小,，需要对基本测量电路进行温度补偿的改进。,3,、当通入额定直流控制电流,I,C,而外磁场,B,0,时，霍尔电势输出并不为零，而存在一个不等位电势,U,M,，从而对测量结果造成误差。霍尔元件可以等效为一个电桥，,U,M,产生的原因就归结为该电桥的不平衡。因此使用时，应对,U,M,进行良好的补偿。,51,PPT课件,2、霍尔电势会受到温度变化的影响，一般用霍尔电势温度系数来,