传感器与检测技术第六章.ppt

2020年1月22日星期三 第6章霍尔传感器 2020年1月22日星期三 2020年1月22日星期三 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 2020年1月22日星期三 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 2020年1月22日星期三 a 外形结构 b 图形符号图6 1霍尔元件 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 2020年1月22日星期三 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 2020年1月22日星期三 霍尔效应演示 c d a 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 2020年1月22日星期三 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 KHIB 2020年1月22日星期三 霍尔元件灵敏度的表达式为 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 RH 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 2020年1月22日星期三 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 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 2020年1月22日星期三 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 5 A0 1mA2mA80mA 1 额定激励电流和最大允许激励电流 2020年1月22日星期三 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 2020年1月22日星期三 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 2020年1月22日星期三 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 2020年1月22日星期三 通过霍尔传感器的额定激励电流为 2020年1月22日星期三 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 2020年1月22日星期三 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 2020年1月22日星期三 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 6UG3501线性型霍尔传感器的外形及其内部集成电路 2020年1月22日星期三 线性型霍尔特性 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 2020年1月22日星期三 2 开关型霍尔集成电路 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 2020年1月22日星期三 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 2020年1月22日星期三 开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 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 2020年1月22日星期三 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 2020年1月22日星期三 不等位电势误差的补偿 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 2020年1月22日星期三 图6 12不等位电动势的补偿电路 不等位电势的补偿电路 2020年1月22日星期三 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 2020年1月22日星期三 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 2020年1月22日星期三 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 2020年1月22日星期三 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 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 2020年1月22日星期三 图6 15恒流源温度补偿电路 2020年1月22日星期三 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 2020年1月22日星期三 图6 16霍尔位移传感器的工作原理 2020年1月22日星期三 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 2020年1月22日星期三 图6 18霍尔加速度传感器的工作原理 2020年1月22日星期三 图6 19霍尔转速传感器的工作原理 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 2020年1月22日星期三 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 2020年1月22日星期三 霍尔转速传感器在汽车防抱死装置 ABS 中的应用 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 2020年1月22日星期三 图6 20霍尔计数器的工作原理及其内部电路 2020年1月22日星期三 谢谢