资源描述
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,控制科学与工程学院,前次课程简要回顾,1,、压电效应和逆压电效应；,2,、等效电路；,3,、完整等效电路；,4,、测量电路；,2,1,、压电效应和逆压电效应,天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷,Q,与所施加的力,F,成正比，这种现象称为,压电效应,。当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。把这种机械能转为电能的现象,称为“,正压电效应,”。有一些人造的材料也具有压电效应。,若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为,逆压电效应,（电致伸缩效应）。,_,y,逆压电效应,压电效应,2024/11/11,3,可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，也可以等效为一个电压源与电容串联。,2,、等效电路,电荷等效电路,电压等效电路,2024/11/11,5,3,、,完整等效电路,压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容,C,C,，放大器的输入电阻,R,i,和输入电容,C,i,以及传感器的泄漏电阻,R,a,。,压电传感器的实际等效电路,2024/11/11,6,4,、测量电路,压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用：,一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；,二是放大传感器输出的微弱信号。,压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。,q,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传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。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。,第一节 霍尔传感器,半导体磁传感器的优势在于，它们的制造技术和微电子集成电路技术兼容，可以量产，大幅降低了生产成本；输出信号可供计算机和各种仪器设备直接使用，非常方便；抗蚀性强，磁场对器件的作用不受使用环境中的光线、尘埃、油污、盐雾及其它化学气氛的影响；结构牢固、耐震动、耐冲击和寿命长。,一、工作原理、材料及结构特点,1,、工作原理,霍尔元件是霍尔传感器的敏感元件和转换元件，它是利用某些,半导体材料,的霍尔效应原理制成的。所谓,霍尔效应,是指置于磁场中的,导体或半导体,中通入电流时，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上出现一个电势差。,R,H,为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱，,K,H,为霍尔灵敏度,磁感应强度,B,为零时的情况,磁感应强度,B,较大时的情况,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,c,、,d,方向的端面之间建立起霍尔电势。,c,d,a,b,KH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。,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传感器。,UL=UH0(1+t)RL/Rv0(1+t)+RL,压电传感器的实际等效电路,霍尔元件灵敏度KH是在单位磁感应强度和单位激励电流作用下，霍尔元件输出的霍尔电压值，它不仅决定于载流体材料，而且取决于它的几何尺寸,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。,UH0为0时的霍尔电压；,为了减小a，需要对基本测量电路进行温度补偿的改进，常用的有以下方法：采用恒流源提供控制电流；,霍尔轮速传感器是由传感头和齿圈组成。,它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。,磁感应强度B 较大时的情况,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；,它是由外加电压U产生的，即EIU/L。,1、UH-B特性：不完全非线性,式中，UHt为温度为t时的霍尔电压；,RH0为0时的霍尔系数；,半导体材料的长、宽、厚分别为,L,、,l,和。在与轴相垂直的两个端面,C,和,D,上做,两个金属电极,，称为控制电极。在控制电极上外加一电压，材料中便形成一个沿方向流动的电流，称为控制电流。,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。洛仑兹力用,F,L,表示，大小为：,F,L,=,evB,),式中，,e,为载流子电荷；为载流子的运动速度；为磁感应强度。,C,D,x,z,y,A,B,在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累。这样，,A,B,两端面因电荷积累而建立了一个电场,H,，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有,eE,H,=evB,霍尔电场的强度为,E,H,=vB,在,A,与,B,两点间建立的电势差称为霍尔电压，用,U,H,表示,U,H,=E,H,l=vBl,所以，霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征所谓载流子迁移率，是指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。载流子迁移率用符号,表示，,=,v/E,I,。,其中,E,I,是,C、D,两端面之间的电场强度。它是由外加电压,U,产生的，即,E,I,U/L,。,因此我们可以把电子运动速度表示为,v,=,U/L,当材料中的电子浓度为,n,时，有如下关系式:,I,=,neldv,即,式中,R,H,为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱；,K,H,为霍尔灵敏度，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，,K,H,=,R,H,/d,。,霍尔元件灵敏度,K,H,是在单位磁感应强度和单位激励电流作用下，霍尔元件输出的霍尔电压值，它不仅决定于载流体材料，而且取决于它的几何尺寸,2,、材料及结构特点,(1),霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。载流体的电阻率,与霍尔系数,R,H,和载流子迁移率,之间的关系,材料的,、,大，,R,H,就大,.,金属的,虽然很大，但,很小，故不宜做成元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，且,n,p,，,所以霍尔元件一般采用,N,型半导体材料。,(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。,元件的长度比,L/l,对,U,H,也有影响。前面的公式推导，都是以半导体内各处载流子作平行直线运动为前提的。这种情况只有在,L/l,很大时，即控制电极对霍尔电极无影响时才成立，但实际上这是做不到的。由于控制电极对内部产生的霍尔电压有局部短路作用在两控制电极的中间处测得的霍尔电压最大，离控制电极很近的地方，霍尔电压下降到接近于零。为了减少短路影响,L/l,要大一些，一般,L/l,=,2,。,但如果,L/l,过大，反而使输入功耗增加降低元件的输出。,由公式,1,、,2,控制电流引线端；,3,、,4,霍尔电势输出端,(3),基本结构,线性区,二、电磁特性,1,、,U,H,-B,特性：不完全非线性,2,、,U,H,-I,特性：线性关系,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，它的数值从几毫安至十几毫安。,三、误差分析及误差补偿方法,1,、温度误差及补偿,霍尔元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度之间的关系。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，所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也将随温度而变化。,内阻与温度关系曲线,输出电势与温度关系曲线,可以看出：砷化铟的内阻温度系数最小，其次是锗和硅，锑化铟最大。除了锑化铟的内阻温度系数为负之外，其余均为正温度系数。,霍尔电压的温度系数硅最小，且在温度范围内是正值，其次是砷化铟，它是值在左右温度下由正变负；再次是锗，而锑化铟的值最大且为负数，在低温下其霍尔电压将是的霍尔电压的3倍，到了高温，霍尔电压降为时的15%。,1,）、,利用输入回路的串联电阻进行补偿,图中的四端元件是霍尔元件的符号。两个输入端串联补偿电阻,R,并接恒电源，输出端开路。根据温度特性，元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为 ：,R,Ht,=,R,H0,(1+t)R,it,=,R,i0,(1+t),式中，,R,Ht,为温度为,时霍尔系数；,R,H0,为0时的霍尔系数；,R,it,为温度为,时的输入电阻；,R,i0,为0时的输入电阻；,为霍尔电压的温度系数,为输入电阻的温度系数。当温度变化,t,时，其增量为:,R,H,=,R,H0,t R,i,=,R,i0,t,根据式中,U,H,=R,H,IB/d,及,I,=,E/(R,+,Ri),，,可得出霍尔电压随温度变化的关系式为,对上式求温度的导数，可得增量表达式,要使温度变化时霍尔电压不变，必须使,即,将元件的,、,值代入上式，根据,R,i0,的值就可确定串联电阻,R,的值。,(2)利用输出回路的负载进行补偿，霍尔元件的输入采用恒流源，使控制电流,稳定不变。这样，可以不考虑输入回路的温度影响。输出回路的输出电阻及霍尔电压与温度之间的关系为,U,Ht,=,U,H0,(1+t)R,vt,=,R,v0,(1+t),式中，,U,Ht,为温度为,t,时的霍尔电压；,U,H0,为0时的霍尔电压；,R,vt,为温度为,t,时的输出电阻；,R,v0,为时的输出电阻。负载,R,L,上的电压,U,L,为,U,L,=U,H0,(1+t)R,L,/R,v0,(1+t)+R,L,为使,U,L,不随温度变化，可对上式求导数并使其等于零，可得,RL/Rv0/-1/,最后，将实际使用的霍尔元件的,、,值代入，便可得出温度补偿时的,RL,值。,2,、零位特性及补偿,在无外加磁场或无控制电流的情况下，元件产生输出电压的特性称为零位特性，由此而产生的误差称为零位误差。主要表现在以下几个方面,（,1,）.不等位电压,在无磁场的情况下，霍尔元件通以一定的控制电流,I,，,两输出端产生的电压称为不等腰三角形位电压，用,U,0,表示。,U,0,与,I,的比值称为不等位电阻，用,R,0,表示，即,R0=U0/I,不等位电压是由于元件输出极焊接不对称、厚薄不均匀以及两个输出极接触不良等原因，可以通过桥路平衡的原理加以补偿。,KH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。,材料的、大，RH就大.,对于锗霍尔元件，当交流控制电流为20mA时，输出极的寄生直流电压小于100V。,因此，霍尔传感器不仅广泛应用于ABS轮速检测，也广泛应用 于其控制系统的转速检测。,(2)利用输出回路的负载进行补偿，霍尔元件的输入采用恒流源，使控制电流稳定不变。,在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，且np，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。,主要表现在以下几个方面,霍尔元件测量的关键是霍尔效应。,霍尔轮速传感器是由传感头和齿圈组成。,它是由外加电压U产生的，即EIU/L。,KH为霍尔灵敏度，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，KH=RH/d。,再次是锗，而锑化铟的值最大且为负数，在低温下其霍尔电压将是的霍尔电压的3倍，到了高温，霍尔电压降为时的15%。,2、UH-I特性：线性关系,较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。,小 结,它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。,为了减小a，需要对基本测量电路进行温度补偿的改进，常用的有以下方法：采用恒流源提供控制电流；,（2）.寄生直流电压,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
展开阅读全文