《霍爾傳感器 》PPT課件

第 8 章 磁 電 式 傳 感 器第 二 節(jié) 霍 爾 傳 感 器第 一 節(jié) 磁 電 感 應(yīng) 式 傳 感 器 第 八 章 磁 電 式 傳 感 器 第 三 節(jié) 磁 敏 傳 感 器 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器一 、 磁 電 感 應(yīng) 式 傳 感 器 工 作 原 理 BlvdtdxBldtde 式 中 : B穩(wěn) 恒 均 勻 磁 場(chǎng) 的 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 ；l導(dǎo) 體 有 效 長(zhǎng) 度 ； v導(dǎo) 體 相 對(duì) 磁 場(chǎng) 的 運(yùn) 動(dòng) 速 度 。 第 一 節(jié) 磁 電 感 應(yīng) 式 傳 感 器 導(dǎo) 體 在 穩(wěn) 恒 均 勻 磁 場(chǎng) 中 運(yùn) 動(dòng)N匝 線(xiàn) 圈 處 于 變 化 的 磁 場(chǎng) 中 dtdNe 兩 種 磁 電 式 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) ： 變 磁 通 式 和 恒 磁 通 式 。 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器開(kāi) 磁 路 變 磁 通 式 ： 這 種 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 但 輸 出 信 號(hào)較 小 ， 且 因 高 速 軸 上 加 裝 齒 輪 較 危 險(xiǎn) 而 不 宜 測(cè) 量 高 轉(zhuǎn)速 的 場(chǎng) 合 。 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器閉 磁 路 變 磁 通 式 ： 感 應(yīng) 電 勢(shì) 的 頻 率 與 被 測(cè) 轉(zhuǎn) 速 成 正 比 。 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器 恒 定 磁 通 動(dòng) 圈 式 磁 電 傳 感 器 恒 定 磁 通 動(dòng) 鐵 式 磁 電 傳 感 器 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器二 、 磁 電 感 應(yīng) 式 傳 感 器 基 本 特 性 fofo RR lNvBRR EI 式 中 ： Rf測(cè) 量 電 路 輸 入 電 阻 ； R線(xiàn) 圈 等 效 電 阻 。 傳 感 器 的 電 流 靈 敏 度 為 fooI RR lNBvIS E R 傳 感 器 I o Rf 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器而 傳 感 器 的 輸 出 電 壓 和 電 壓 靈 敏 度 分 別 為 f fofoo RRlWvRBRIU 相 對(duì) 誤 差 為 RdRldlBdBSdSII ffooU RRlWRBvUS 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器三 、 磁 電 感 應(yīng) 式 傳 感 器 的 測(cè) 量 電 路 磁電式 傳感器 量程選擇 前置放大 積分電路 微分電路 主放大器 顯示 或 記錄 S W 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器四 、 磁 電 感 應(yīng) 式 傳 感 器 的 應(yīng) 用 動(dòng) 圈 式 振 動(dòng) 速 度 傳 感 器 1、 芯 軸2、 外 殼3、 彈 簧 片4、 鋁 支 架5、 永 久 磁 鐵6、 線(xiàn) 圈7、 阻 尼 環(huán)8、 引 線(xiàn) 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器 一 、 霍 爾 效 應(yīng) 和 霍 爾 元 件 的 工 作 原 理 在 半 導(dǎo) 體 薄 片 中 通 以 電 流 I,在 與 薄 片 垂 直 方 向 加 磁場(chǎng) B， 則 在 半 導(dǎo) 體 薄 片 的 另 外 兩 端 ， 產(chǎn) 生 一 個(gè) 大 小 與 控 制電 流 I和 B乘 積 成 正 比 的 電 動(dòng) 勢(shì) ， 這 種 現(xiàn) 象 稱(chēng) 為 霍 爾 效 應(yīng) 。 1、 霍 爾 效 應(yīng) 第 二 節(jié) 霍 爾 傳 感 器 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器2、 霍 爾 元 件 的 工 作 原 理 bUeeEF HHE BebUe H BeFL BbUH nedIBU H enbddtdQI pedIBUH 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器3、 霍 爾 系 數(shù) 及 靈 敏 度neRH 1 peR H 1N型 霍 爾 系 數(shù) P型 霍 爾 系 數(shù)dIBRU H H霍 爾 系 數(shù) 由 半 導(dǎo) 體 材 料 性 質(zhì) 決 定 ， 且 決 定 霍 爾 電 勢(shì) 的 強(qiáng) 弱 ?；?爾 元 件 靈 敏 度 （ KH） ： 單 位 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 和 單 位 控 制電 流 作 用 時(shí) ， 所 能 輸 出 的 霍 爾 電 勢(shì) 的 大 小 。設(shè) KH=RH / d UH KH I B 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器討 論 ： 為 什 么 只 能 用 半 導(dǎo) 體 材 料 作 霍 爾 元 件 。 霍 爾 常 數(shù) 等 于 霍 爾 片 材 料 的 電 阻 率 與 電 子 遷 移 率 的 乘 積 。 若 要 霍 爾 效 應(yīng) 強(qiáng) ， 則 希 望 有 較 大 的 霍 爾 系 數(shù)R H ， 因 此 要 求 霍 爾 片 材 料 有 較 大 的 電 阻 率 和 載 流 子 遷移 率 。 一 般 金 屬 材 料 載 流 子 遷 移 率 很 高 ， 但 電 阻 率 很小 ； 而 絕 緣 材 料 電 阻 率 極 高 ， 但 載 流 子 遷 移 率 極 低 ，故 只 有 半 導(dǎo) 體 材 料 才 適 于 制 造 霍 爾 片 。 dIBUH en 1 ep 1N型 材 料 電 阻 率 P型 材 料 電 阻 率 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器霍 爾 器 件 符 號(hào) B HA BCD A BCDA CD 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器 二 、 霍 爾 元 件 的 主 要 技 術(shù) 參 數(shù)1、 額 定 功 耗 P0: 霍 爾 元 件 在 環(huán) 境 溫 度 T=250C時(shí) ， 允 許通 過(guò) 霍 爾 元 件 的 電 流 和 電 壓 的 乘 積 。2、 輸 入 電 阻 和 輸 出 電 阻 Ri： 激 勵(lì) 電 極 間 的 電 阻 值 。 Ro： 霍 爾 元 件 電 極 間 的 電 阻 。3、 不 等 位 電 勢(shì) U0： 在 額 定 控 制 電 流 I下 ， 不 加 磁 場(chǎng) 時(shí) ，霍 爾 電 極 間 的 空 載 霍 爾 電 勢(shì) 。 霍 爾 電 極 安 裝 位 置 不 對(duì) 稱(chēng) 或 不 在 同 一 等 電 位 面 上 ； 半 導(dǎo) 體 材 料 不 均 勻 造 成 了 電 阻 率 不 均 勻 或 是 幾 何 尺 寸 不 均 勻 ； 激 勵(lì) 電 極 接 觸 不 良 造 成 激 勵(lì) 電 流 不 均 勻 分 布 等 。 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器4、 霍 爾 電 勢(shì) 溫 度 系 數(shù) ： 在 一 定 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 和 激 勵(lì) 電 流下 ， 溫 度 每 變 化 1 時(shí) ， 霍 爾 電 勢(shì) 變 化 的 百 分 率 稱(chēng) 為 霍爾 電 勢(shì) 溫 度 系 數(shù) 。5、 內(nèi) 阻 溫 度 系 數(shù) ： 霍 爾 元 件 在 無(wú) 磁 場(chǎng) 及 工 作 溫 度 范 圍內(nèi) ， 溫 度 每 變 化 1 時(shí) ， 輸 入 電 阻 與 輸 出 電 阻 變 化 的 百分 率 。6、 額 定 激 勵(lì) 電 流 和 最 大 允 許 激 勵(lì) 電 流 ： 當(dāng) 霍 爾 元 件自 身 溫 升 10 時(shí) 所 流 過(guò) 的 激 勵(lì) 電 流 稱(chēng) 為 額 定 激 勵(lì) 電 流 。 以 元 件 允 許 最 大 溫 升 為 限 制 所 對(duì) 應(yīng) 的 激 勵(lì) 電 流 稱(chēng) 為 最大 允 許 激 勵(lì) 電 流 。 因 霍 爾 電 勢(shì) 隨 激 勵(lì) 電 流 增 加 而 線(xiàn) 性增 加 ， 所 以 使 用 中 希 望 選 用 盡 可 能 大 的 激 勵(lì) 電 流 ， 因而 需 要 知 道 元 件 的 最 大 允 許 激 勵(lì) 電 流 。 改 善 霍 爾 元 件的 散 熱 條 件 ， 可 以 使 激 勵(lì) 電 流 增 加 。 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器7、 寄 生 直 流 電 勢(shì) ： 在 外 加 磁 場(chǎng) 為 零 、 霍 爾 元 件 用 交流 激 勵(lì) 時(shí) ， 霍 爾 電 極 輸 出 除 了 交 流 不 平 衡 電 勢(shì) 外 ， 還有 一 直 流 電 勢(shì) ， 稱(chēng) 為 寄 生 直 流 電 勢(shì) 。 其 產(chǎn) 生 的 原 因 有 ： 激 勵(lì) 電 極 與 霍 爾 電 極 接 觸 不 良 ， 形 成 非 歐 姆 接觸 ， 造 成 整 流 效 果 ； 兩 個(gè) 霍 爾 電 極 大 小 不 對(duì) 稱(chēng) ， 則 兩 個(gè) 電 極 點(diǎn) 的 熱容 不 同 ， 散 熱 狀 態(tài) 不 同 而 形 成 極 間 溫 差 電 勢(shì) 。 寄 生 直 流 電 勢(shì) 一 般 在 1m V以 下 ， 它 是 影 響 霍 爾 片溫 漂 的 原 因 之 一 。 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器常用國(guó)產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù) 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器 三 、 霍 爾 元 件 測(cè) 量 電 路 和 輸 出 電 路UHRLBI E IHR1、 基 本 測(cè) 量 電 路 圖 中 控 制 電 流 I由 電 源 E供 給 ,R為 調(diào) 節(jié) 電 阻 ,保證 器 件 內(nèi) 所 需 控 制 電流 I。 霍 爾 輸 出 端 接 負(fù)載 RL,RL可 是 一 般 電 阻或 放 大 器 的 輸 入 電 阻 、或 表 頭 內(nèi) 阻 等 。 磁 場(chǎng) B垂 直 通 過(guò) 霍 爾 器 件 ,在磁 場(chǎng) 與 控 制 電 流 作 用下 ， 由 負(fù) 載 上 獲 得 電壓 。實(shí) 際 使 用 時(shí) ,器 件 輸 入 信 號(hào) 可 以 是 I或 B， 或 者 IB,而 輸 出可 以 正 比 于 I或 B, 或 者 正 比 于 其 乘 積 IB。 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器2、 霍 爾 電 勢(shì) 輸 出 電 路（ 1） 開(kāi) 關(guān) 應(yīng) 用 + +15VH-15VR3 R1R2 R4 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器霍 爾 開(kāi) 關(guān) 集 成 傳 感 器 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 框 圖 23輸 出+穩(wěn) 壓 VCC1 霍 耳 元 件 放 大 BT整 形 地H 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器（ 2） 線(xiàn) 性 應(yīng) 用 +15VH-15VR 3 R1R2 R4 Rf 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器集 成 線(xiàn) 性 傳 感 器 的 電 路 結(jié) 構(gòu) 框 圖 23輸 出+穩(wěn) 壓 VCC1 霍 耳 元 件 放 大 地H 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器 四 、 霍 爾 元 件 的 測(cè) 量 誤 差 補(bǔ) 償 方 法1、 零 位 誤 差 及 補(bǔ) 償 方 法零 位 誤 差 ： 霍 爾 元 件 在 加 控 制 電 流 但 不 加 外 磁 場(chǎng)時(shí) 出 現(xiàn) 的 霍 爾 電 勢(shì) 。 主 要 為 不 等 位 電 勢(shì) 。 A C B I D 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器 C r 1 r 3 r 2 r 4 D A B 分 析 不 等 位 電 勢(shì) 時(shí) ， 可 以 把 霍 爾 元 件 等 效 為 一 個(gè) 電 橋 ， 用 分 析 電 橋 平 衡 來(lái) 補(bǔ) 償 不 等 位 電 勢(shì) 。 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器 R P R P R P R P R (a) (b) (c) (d) R P R P R P R P R (a) (b) (c) (d) R P RP R P R P R (a) (b) (c) (d) R P RP R P R P R (a) (b) (c) (d) 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器2、 溫 度 誤 差 及 補(bǔ) 償 方 法（ a） R H 與 溫 度 的 關(guān) 系 T/ 0246 /7 10-3cm LnAs20015010050 LnSbT/RH /cm2/ A-125020015010050 40 80 120 160 200LnSbLnAs0 （ b） 與 溫 度 的 關(guān) 系 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器（ 1） 、 利 用 輸 出 回 路 并 聯(lián) 電 阻 進(jìn) 行 補(bǔ) 償 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器基 本 電 路 等 效 電 路（ 2） 、 利 用 輸 入 回 路 串 聯(lián) 電 阻 進(jìn) 行 補(bǔ) 償 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器實(shí) 際 補(bǔ) 償 電 路 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器1、 測(cè) 量 磁 場(chǎng) 的 大 小 和 方 向 電 位 差 計(jì)mA E S NR霍 耳 磁 敏 傳 感 器 測(cè) 磁 原 理 示 意 圖 五 、 霍 爾 傳 感 器 應(yīng) 用 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器2、 霍 爾 式 微 位 移 傳 感 器 霍爾元件 S N N S x x x 霍爾元件 N S x 霍爾元件 N S N S x x x (a ) (b ) (c )UH量 值 大 小 反 映 出 霍 爾 元 件 與 磁 鐵 之 間 相 對(duì) 位 置 的 變化 量 。 這 種 結(jié) 構(gòu) 的 傳 感 器 ， 其 動(dòng) 態(tài) 范 圍 可 達(dá) 5 m m ， 分辨 率 為 0.001m m 。 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器 霍爾元件 S N N S x xx 霍爾元件 N S x 霍爾元件 N S N S x x x (a) (b) (c) 霍爾元件 S N N S x xx 霍爾元件 N S x 霍爾元件 S N S x x x (a) (b) (c) 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器3、 霍 爾 式 轉(zhuǎn) 速 傳 感 器 1 2 4 3 (a) 1 2 4 3 (b) 1 2 4 3 1 2 3 4 (c) (d) N SN S N S N S N S N S N S 1輸入軸； 2轉(zhuǎn)盤(pán)； 3小磁鐵； 4霍爾傳感器 1 2 4 3 (a) 1 4 3 (b) 1 2 4 3 1 2 3 4 (c) (d) N SN S N S N S N S N S N S 1輸入軸； 2轉(zhuǎn)盤(pán)； 3小磁鐵； 4霍爾傳感器 1 2 4 3 (a) 1 2 4 3 (b) 1 2 4 3 1 2 3 4 (c) (d) N SN S N S N S N S N S N S 1輸入軸； 2轉(zhuǎn)盤(pán)； 3小磁鐵； 4霍爾傳感器 1 2 4 3 (a) 1 2 4 3 (b) 1 2 4 3 1 2 3 4 (c) (d) N SN S N S N S N S N S N S 1輸入軸； 2轉(zhuǎn)盤(pán)； 3小磁鐵； 4霍爾傳感器 1 2 4 3 (a) 1 2 4 3 (b) 1 2 4 3 1 2 3 4 (c) (d) N SN S N S N S N S N S N S 1輸入軸； 2轉(zhuǎn)盤(pán)； 3小磁鐵； 4霍爾傳感器 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器4、 霍 爾 計(jì) 數(shù) 裝 置 鋼球 絕緣板 N S 磁鐵霍爾開(kāi)關(guān)傳感器 (a) A A74112 V SL3051 S R1 10 k 22 C 1 R3 1 k R 4 470 k R 5 470 k Vcc 計(jì) 數(shù) 器 V 2N5812 R 2 11 k (b) 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器 鋼球 絕緣板 N S 磁鐵霍爾開(kāi)關(guān)傳感器 (a) A A74112 V SL3051 S R 1 10 k 22 C 1 R 3 1 k R 4 470 k R 5 470 k V cc 計(jì) 數(shù) 器 V 2N5812 R 2 11 k (b) 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器5、 汽 車(chē) 霍 爾 點(diǎn) 火 器 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器第 三 節(jié) 磁 敏 傳 感 器 一 、 磁 敏 電 阻 器磁 阻 效 應(yīng) : 若 給 通 以 電 流 的 金 屬 或 半 導(dǎo) 體 材 料 的 薄 片 加以 與 電 流 垂 直 或 平 行 的 外 磁 場(chǎng) ， 則 其 電 阻 值 就 增 加 。稱(chēng) 此 種 現(xiàn) 象 為 磁 致 電 阻 變 化 效 應(yīng) ， 簡(jiǎn) 稱(chēng) 為 磁 阻 效 應(yīng) 。 2200 0 273.0 BB 為 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 ；B材 料 在 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 為 時(shí) 的 電 阻 率 ；0 材 料 在 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 為 0時(shí) 的 電 阻 率 ；載 流 子 的 遷 移 率 。 220 273.01 BB 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器 二 、 磁 敏 二 極 管1、 結(jié) 構(gòu) P NIr 區(qū) + -簡(jiǎn) 寫(xiě) 為 SMD。 磁 敏 二 極 管 的 P型 和 N型 電 極 由 高 阻 材 料制 成 ， 在 P、 N之 間 有 一 個(gè) 較 長(zhǎng) 的 本 征 區(qū) I， 本 征 區(qū) I的一 面 磨 成 光 滑 的 復(fù) 合 表 面 （ 為 I區(qū) ） ， 另 一 面 打 毛 ， 設(shè)置 成 高 復(fù) 合 區(qū) （ 為 r區(qū) ） ， 其 目 的 是 因 為 電 子 -空 穴 對(duì)易 于 在 粗 糙 表 面 符 合 爾 消 失 。 當(dāng) 通 以 正 向 電 流 后 就 會(huì)在 P、 I、 N結(jié) 之 間 形 成 電 流 。 磁 敏 二 極 管 是 PIN型 。 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器 IP N2、 工 作 原 理 H=0 電 子空 穴 復(fù) 合 區(qū)（ 1） 當(dāng) 磁 敏 二 極 管 未 受 到 外 界 磁 場(chǎng) 作 用 時(shí) ， 外 加 正 偏壓 ， 則 有 大 量 的 空 穴 從 P區(qū) 通 過(guò) I區(qū) 進(jìn) 入 N區(qū) ， 同 時(shí) 也 有大 量 的 電 子 注 入 P區(qū) 。 形 成 電 流 。 只 有 少 量 電 子 和 空 穴在 I區(qū) 復(fù) 合 。 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器（ 2） 當(dāng) 磁 敏 二 極 管 受 到 外 界 磁 場(chǎng) H+作 用 時(shí)電 子 、 空 穴 受 到 洛 侖 茲 力 作 用 而 向 r區(qū) 偏 移 ， 由 于 r區(qū) 的電 子 、 空 穴 復(fù) 合 率 比 光 滑 面 I區(qū) 快 ， 因 此 形 成 的 電 流 因復(fù) 合 速 度 而 減 小 。 H +IP N 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器（ 3） 當(dāng) 磁 敏 二 極 管 受 到 外 界 磁 場(chǎng) H-作 用 時(shí)電 子 、 空 穴 受 到 洛 侖 茲 力 作 用 而 向 I區(qū) 偏 移 ， 由 于 電 子 、空 穴 復(fù) 合 率 明 顯 變 小 ， 則 電 流 變 大 。H -IP N 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器結(jié) 論 ： 隨 著 磁 場(chǎng) 大 小 和 方 向 的 變 化 ， 可 產(chǎn) 生 正負(fù) 輸 出 電 壓 的 變 化 、 特 別 是 在 較 弱 的 磁 場(chǎng) 作 用下 ， 可 獲 得 較 大 輸 出 電 壓 。 若 r區(qū) 和 r區(qū) 之 外 的 復(fù)合 能 力 之 差 越 大 ， 那 么 磁 敏 二 極 管 的 靈 敏 度 就越 高 。 磁 敏 二 極 管 反 向 偏 置 時(shí) ， 則 在 r區(qū) 僅 流 過(guò) 很微 小 的 電 流 ， 顯 得 幾 乎 與 磁 場(chǎng) 無(wú) 關(guān) 。 因 而 二 極管 兩 端 電 壓 不 會(huì) 因 受 到 磁 場(chǎng) 作 用 而 有 任 何 改 變 。 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器 三 、 磁 敏 三 極 管1、 結(jié) 構(gòu) b cerN+N +ce H - H + P+ bi 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器（ 1） 當(dāng) 不 受 磁 場(chǎng) 作 用 時(shí)2、 工 作 原 理N + cy e r xP+ bN+運(yùn) 輸基 區(qū) 復(fù) 合 基 區(qū)由 于 磁 敏 三 極 管 的 基 區(qū) 寬 度 大 于 載 流 子 有 效 擴(kuò) 散 長(zhǎng) 度 ，因 而 注 入 的 載 流 子 除 少 部 分 輸 入 到 集 電 極 c外 ， 大 部 分通 過(guò) eib而 形 成 基 極 電 流 。 顯 而 易 見(jiàn) ， 基 極 電 流 大 于集 電 極 電 流 。 所 以 ， 電 流 放 大 系 數(shù) =Ic Ib 1。 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器（ 2） 當(dāng) 受 到 H 磁 場(chǎng) 作 用 如 圖 ， 由 于 洛 侖 茲 力作 用 ， 載 流 子 向 發(fā) 射 結(jié) 一 側(cè) 偏 轉(zhuǎn) ， 從 而 使 集 電極 電 流 明 顯 下 降 。N+ cy e r xP+ bN + 第 8 章 磁 電 式 傳 感 器 （ 3） 當(dāng) 受 磁 場(chǎng) 使 用 如 圖 ， 載 流 子 在 洛 侖茲 力 作 用 下 ， 向 集 電 結(jié) 一 側(cè) 偏 轉(zhuǎn) ， 使 集 電 極 電 流增 大 。 HN+ cy e r xP+ bN +