常用传感器工作原理(霍尔式)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,第,3,章 常用传感器的工作原理,3.9,霍尔式传感器,霍尔传感器是利用,半导体材料的霍尔效应,进行测量的一种磁敏式传感器，一般由锗、硅、锑化铟、砷化铟等半导体材料制成。,它可以直接测量磁场及微位移量，已经广泛应用于电磁、压力、加速度、振动等的测量领域。,目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。,2,1,霍尔效应,在与,磁场垂直的,N,型半导体薄片上通以电流,I,，,由于,N,型半导体的载流子为电子，因此电子将沿与电流相反的方向运动。由于洛仑磁力的作用，电子发生偏转，一侧形成电子累积，另一侧形成正电荷累积，于是元件的横向便形成了电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，,当电子所受电场力 与洛仑兹力 相等时，电子的累积达到动态平衡。这时在两端横面之间建立的电场称为霍尔电场 ，相应的电势称为霍尔电势,N,型半导体薄片,h,3,电子所受,洛仑磁力,为：,同时,霍尔电场作用于电子的力,：,当两者达到动态平衡时，,(N,型,),设激励电流,I,在霍尔片（,N,型半导体片）内均匀分布，根据电流的概念可得：,n,N,型半导体中的电子浓度,4,设 称为,霍尔系数,（,N,型），,反映霍尔效应的强弱,，则：,对于,P,型半导体材料，,p,P,型半导体中的空穴浓度,设 为霍尔片的,灵敏度系数,（,N,型），则,1,）由于,金属,的电子浓度 很高，所以它的霍尔系数或灵敏度都很小，因此不适宜制作霍尔元件；对,绝缘材料,，虽然电阻率很大，但迁移率很小，也不宜作霍尔元件。因此霍尔元件都是由,半导体,材料制成的。一般电子（,N,型）迁移率大于空穴迁移率（,P,型），因而霍尔元件多用,N,型半导体,材料。,2,）元件的厚度 越小，灵敏度越高，因而制作霍尔片时,可采取减小 的方法来增加灵敏度,，但是不能认为 越小越好，因为这会导致元件的输入和输出电阻增加。,5,2,）霍尔元件的应用,根据霍尔输出与控制电流和磁感应强度的乘积成正比的关系可知,，霍尔元件主要用在下述三个方面：,1,）,保持元件的控制电流恒定,，,则元件的输出正比于磁感应强度,。因此，可以测定恒定和交变磁感应强度，如,高斯计,；同时凡是能转化为磁感应强度变化的量都能进行测量，如,位移,、,角度,、,转速,和,加速度,等。,2,）,保持元件感受的磁感应强度不变时,，,则元件的输出正比于控制电流,。因此，主要的应用有,交、直流的电流表,、,电压表,等；同时凡能转换为电流变化的量，均能进行测量。,3,）,当元件的控制电流和磁感应强度均变化时,，,元件输出与两者乘积成正比,。因此，它可用于乘法、功率等的测量，如,乘法计,、,功率计,等。,6,霍尔元件的组成：,由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。,霍,尔,元件是一种四端元件,3,）霍尔元件,型号命名方法：,7,霍尔片是一块矩形半导体薄片。,控制电流端引线（激励电极）,霍尔电势输出端引线（霍尔电极）,基本电路形式,8,1,）零位误差及其补偿,4,）霍尔传感器测量误差补偿,常见的产生误差的因素有：半导体本身固有的特性、半导体制造工艺水平、环境温度变化、霍尔传感器的安装是否合理等，测量误差一般表现为零位误差和温度误差。,当霍尔元件的激励电流,I,不为零时，若所处位置的磁感应强度,B,为零，则霍尔电势仍应为零，但实际中若不为零，则此时空载的霍尔电势称为零位误差。它一般由以下两种电势组成。,9,不等位电势是产生零位误差的主要因素,。,a,）不等位电势,霍尔电极安装位置不对称或不在同一电位面,半导体材料不均匀引起电阻率的不均匀或霍尔片几何尺寸不均匀,激励电极接触不良而造成激励电流,I,的不均匀分布等等,10,b,）寄生直流电势及其补偿,元件的两对电极与半导体片不是完全欧姆接触，而形成整流效应,两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同引起温差效应所产生的,当霍尔元件控制电极上通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电势外，还有一直流分量，称为寄生直流电势。,从而导致了控制电流存在直流分量，通过不等位电极反映成霍尔电极上的直流寄生电势。,寄生直流电势很容易导致输出漂移。因此在元件制作和安装时，应尽量使电极欧姆接触，并做到均匀散热，有良好的散热条件。,11,c,）零位电势补偿电路,同时，除了工艺上采取措施，尽量使霍尔电极对称来降低零位电势，还需采用补偿电路加以补偿。,霍尔元件可等效为一个四臂电桥,，如图。因此可在某一桥臂上并联上一定电阻而将 降到最小，甚至为,0,。,寄生直流电势很容易导致输出漂移。因此在元件制作和安装时，应尽量使电极欧姆接触，并做到均匀散热，有良好的散热条件。,12,下面给出了几种常用的不等位电势的补偿电路，其中，不对称补偿简单，对称补偿温度稳定性好。,13,2,）温度误差及补偿,由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度都随温度而变化，用此材料制成的霍尔元件的性能参数（如内阻、霍尔电势等）必然随温度变化，致使霍尔电势变化，产生温度误差。,为了减小温度误差，除选用温度系数较小的材料如砷化铟外，还可以采取一些恒温措施，,或,采用恒流源或恒压源配合补偿电阻供电,，这样可以减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。,14,a,）恒流源供电和输入回路并联电阻,当温度上升为 时，,设在某,基准温度 时，有,设补偿后，输出电势不随温度变化，则应满足条件,将等式整理化简后，得到在 时，有,15,b,）恒压源供电和输入回路串联联电阻,令,有,16,5,）霍尔元件测量电路,为了获得较大的霍尔输出，可采用输出叠加的连接方式,图,(a),为直流供电情况，图,(b),为交流供电情况。,基本测量电路,17,实用测量电路,霍尔元件的输出霍尔电势较小，一般在毫伏级，因此在利用霍尔元件制作霍尔传感器时，必须在霍尔元件的输出端接入放大测量电路。,目前霍尔传感器都已集成化，即把霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源或恒流电源等集成在一个芯片上，由于其外形与集成电路相同，故又称,霍尔集成电路,。,此时，根据输出信号的形式，可以分为,开关型霍尔传感器,和,线性霍尔传感器,两种类型。,18,（,1,）线性型霍尔集成传感器,线性型霍尔集成传感器是将霍尔元件和恒流源，线性放大器等做在同一芯片上，输出电压较高，使用非常方便。,例如：,UGN3501M,是具有双端差动输出特性的线性霍尔器件，,UGN3501M,的外形、内部电路框图,19,（,2,）开关型霍尔集成传感器,开关型霍尔集成传感器是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、,OC,门等电路做在同一芯片上。,例：开关型霍尔集成电路,UGN3019,，其外型与内部电路框图如图,20,6,）霍尔传感器的应用,霍尔元件及霍尔传感器的应用十分广泛。在测量领域，可用于测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等；在通信领域，可用于放大器、振荡器、相敏检波、混频、分频以及微波功率测量等；在自动化技术领域，可用于无刷直流电机、速度传感、位置传感、自动记数、接近开关、霍尔自整角机构成的伺服系统和自动电力拖动系统等。,21,（,1,）简易高斯计,霍尔元件及传感器广泛用于磁场测量。图为一个简易高斯计电路，它直接采用线性型霍尔传感器,UGN-3501M,。,22,（,2,）计数装置,下图是一个应用霍尔传感器对钢球进行计数的装置及电路。,23,（,3,）霍尔接近开关,利用开关型霍尔集成电路制作的接近开关具有结构简单、抗干扰能力强的特点，如图所示。,24,（,4,）霍尔转速表,霍尔转速表如图,所示。,25,（,5,）角位移测量仪,角位移测量仪其结构如图所示。,26,（,6,）汽车霍尔点火器,图是霍尔电子点火器结构示意图。,27,（,7,）纱线定长和自停装置,图,1,所示为利用霍尔开关的纱线定长和自停装置的电路图。图中霍尔元件,H1,和,H2,分别作为断线和定长的检测元件。,它们的实际安装位置如图,2,中所示。该装置同样适用于毛线、制线、化纤、丝线等线状生产机械的定长或断头自停装置。,28,作 业,有一霍尔元件，其灵敏度为,K,H,1.2mV/mA.kGs,把它放在一个梯度（,dB/,dx,）为,5kGs/mm,的磁场中，如果额定控制电流是,20mA,，设霍尔元件在平衡点附近作,摆动，问输出电压可达多少毫伏？,29,