霍爾式傳感器

第五章 霍爾式傳感器 5.1霍爾式傳感器的工作原理 5.2霍爾式傳感器的基本測量電路 5.3霍爾式傳感器的誤差與補償 5.4霍爾式傳感器的應用 霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現了霍爾效應, 但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。隨著半導體技術的發(fā)展, 開始用半導體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應顯著而得到應用和發(fā)展。 霍爾傳感器廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。 5.1 霍爾式傳感器的工作原理 一、 霍爾效應及霍爾元件 霍爾傳感器是利用霍爾效應制作的半導體磁敏傳感器。半導體磁敏傳感器是指電參數按一定規(guī)律隨磁性量變化的傳感器，常用的有霍爾傳感器和磁敏電阻傳感器。磁敏器件是利用磁場工作的，所以可以用非接觸方法檢驗。 半導體磁敏器件的特點是：從直流到高頻，其特性完全一樣， 也就是完全不存在與頻率的關系。 （一）. 霍爾效應 1879年美國物理學家霍爾發(fā)現：在通有電流的金屬板上加一個強磁場，當電路流方向與磁場方向垂直時，在與電流和磁場都垂直的金屬板的兩表面之間出現電動勢，這種現象就稱為霍爾效益，這個電動勢差稱為霍爾電動勢。（置于磁場中的靜止載流導體, 當它的電流方向與磁場方向不一致時, 載流導體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產生電動勢, 這種現象稱霍爾效應。該電勢稱霍爾電勢。） 其原理可用帶電粒子在磁場中所受到的洛倫茲力解釋。圖 5 1（a） 所示, 在垂直于外磁場B的方向上放置一導電板, 導電板通以電流I, 方向如圖所示。導電板中的電流是金屬中自由電子在電場作用下的定向運動。此時, 每個電子受洛侖磁力fL的作用，fL大小 ： fL =eBv 式中: e電子電荷; v電子運動平均速度; B磁場的磁感應強度。 bUH fL的方向在圖 5 - 1中是向上的, 此時電子除了沿電流反方向作定向運動外, 還在fL的作用下向上漂移, 結果使金屬導電板上底面積累正電荷, 而下底面積累電子, 從而形成了附加內電場EH, 稱霍爾電場, 該電場強度為 EH= 式中UH為電位差?；魻栯妶龅某霈F, 使定向運動的電子除了受洛侖磁力作用外, 還受到霍爾電場的作用力, 其大小為eFe，此力阻止電荷繼續(xù)積累。 隨著上、下底面積累電荷的增加, 霍爾電場增加, 電子受到的電場力也增加, 當電子所受洛侖磁力與霍爾電場作用力大小相等、 方向相反時, 即eEH=evB 則 EH=vB 此時電荷不再向兩底面積累, 達到平衡狀態(tài)。 若金屬導電板單位體積內電子數為n, 電子定向運動平均速度為v, 則激勵電流I=nevbd, 則 v=將式上代入式（ EH=vB ）得 EH=將上式代入式（ ）得 UH = 式中令RH =1/（ne）, 稱之為霍爾常數, 其大小取決于導體載流子密度，則 UH =RH （5 - 1） 式中KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。由式（5 - 1）可見, 霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應強度,其靈敏度與霍爾常數RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度, 霍爾元件常制成薄片 形狀。 當I與B的不垂直時霍爾電壓為 ： IBbdnenedIB IbdneIBKdIB H cosH HU K IB 對霍爾片材料的要求, 希望有較大的霍爾常數RH, 霍爾元件激勵極間電阻R=L/（bd）, 同時R=UI/I=EIL/I=vL/（nevbd）, 其中UI為加在霍爾元件兩端的激勵電壓，EI為霍爾元件激勵極間內電場，v為電子移動的平均速度。 則 解得RH= 從上式可知, 霍爾常數等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積。若要霍爾效應強, 則RH值大, 因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。 nebdLbdL 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。故只有半導體材料適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有: 鍺、 硅、砷化銦、 銻化銦等半導體材料。 其中N型鍺容易加工制造, 其霍爾系數、 溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好, 其霍爾系數、 溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對溫度最敏感, 尤其在低溫范圍內溫度系數大, 但在室溫時其霍爾系數較大。砷化銦的霍爾系數較小, 溫度系數也較小, 輸出特性線性度好。 下表 為常用國產霍爾元件的技術參數。 （二）. 霍爾元件基本結構 霍爾元件的結構很簡單, 它由霍爾片、 引線和殼體組成, 如下圖 (a)所示。 霍爾片是一塊矩形半導體單晶薄片， 引出四個引線。1、1兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；2、2引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極。 霍爾元件殼體由非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成如圖（C）。 在電路中霍爾元件可用三種符號表示，如圖(b)所示。 二、 霍爾元件的主要特性1） 額定激勵電流和最大允許激勵電流 當霍爾元件自身溫升10時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。 以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而增加, 所以, 使用中希望選用盡可能大的激勵電流, 因而需要知道元件的最大允許激勵電流, 改善霍爾元件的散熱條件, 可以使激勵電流增加。 2） 輸入電阻和輸出電阻 激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢對外電路來說相當于一個電壓源, 其電源內阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應強度為零且環(huán)境溫度在205時確定的，溫度對其有影響。 3） 不等位電勢和不等位電阻 當霍爾元件的激勵電流為I時, 若元件所處位置磁感應強度為零, 則它的霍爾電勢應該為零, 但實際不為零。 這時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。 產生這一現象的原因有: 霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上; 半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻; 激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。 不等位電勢也可用不等位電阻表示 4） 寄生直流電勢 在外加磁場為零, 霍爾元件用交流激勵時, 霍爾電極輸出除了交流不等位電勢外, 還有一直流電勢, 稱寄生直流電勢。 其產生的原因有: 激勵電極與霍爾電極接觸不良, 形成非歐姆接觸, 造成整流效果; 兩個霍爾電極大小不對稱, 則兩個電極點的熱容不同, 散熱狀態(tài)不同形成極向溫差電勢。寄生直流電勢一般在 1mV以下, 它是影響霍爾片溫漂的原因之一。 5） 霍爾電勢溫度系數 在一定磁感應強度和激勵電流下, 溫度每變化1時, 霍爾電勢變化的百分率稱霍爾電勢溫度系數。它同時也是霍爾系數的溫度系數。 6）自激場零電動勢 當霍爾元件通一輸入電流時該電流就會產生磁場，這個磁場就稱為自激場。見右圖 ： 由于元件的左右兩半場相等，故產生的電動勢方向相反而抵消。實際應用中由于輸入電流引線也產生磁場，使元件左右兩半場不相等，因而有電壓輸出，該電壓就是自激場零電動勢?？朔溆绊懙姆椒ň褪窃诎惭b輸入電流引線時適當安排。 溫度還影響霍爾元件的內阻即輸入阻抗和輸出阻抗。不同材料制成的霍爾元件，其內阻與溫度關系不同 。 當負載電阻比霍爾元件輸出電阻大的多時，輸出電阻變化對輸出的影響很小。這時就只考慮輸入端進行補償，簡單的溫度補償方法是用恒流源補償。這就是的當輸入電阻隨溫度變化時，輸入電流變化極小，從而減小了輸入端的溫度影響。 5.2霍爾式傳感器的基本測量電路 霍爾元件的基本測量電路如右圖：控制電流I由電源E提供，R-調節(jié)電阻用來根據需要改變I的大小。L 可以是放大器的輸入電阻或表頭內阻，所加的外磁場B一般與霍爾元件的平面垂直。 在實際測量中可以把I或B或I*B作為輸入信號，通過霍爾電壓輸出得到測量結果。 控制電流可以是交流量。由于建立霍爾效應所需的時間極短，所以控制電流的頻率可高達 Hz以上。 910 一、將被測量轉換為磁感應強度B（恒流源） 保持霍爾元件的控制電流I恒定不變，就可以測量磁感應強度B，以及位移、角度等可直接轉換為B的物理量，進一步還可以測量先轉換成位移或角度、然后間接轉換為B物理量，如振動、壓力、速度、加速度、轉速等。二、將被測量轉換為控制電流I（恒壓源） 保持霍爾元件上所施加的磁感應強度B恒定不變，就可以測量控制電流I，以及可以轉換為I的物理量，如電壓等。 恒壓驅動電路簡單，但性能較差。隨著磁感應強度增加，線性變化壞，僅用于精度要求不太高的場合；恒流驅動線性度高，精度高，受溫度影響小。 三、將被測量轉換為I與B 的乘積 種類應用可進行乘積運算，并可測量可以轉換為乘積運算的物理量?？蓽y量單相負載上的無功功率，也可測量三相負載上的有功功率（I*U*cos ）和無功功率（I*U*sin ）。5.3霍爾式傳感器的誤差與補償一、零位誤差與補償 在分析零位電動勢時，可將霍爾元件等效為一個電橋，如圖所示。控制電極A、B和霍爾電極C、D可看做電橋的電阻連接點，R1、R2、R3、R4構成四個橋臂，控制電壓可看為電橋工作電壓。理想情況下：Um =0,電橋平衡，R1=R2=R3=R4；如霍爾元件的某種結構原因造成Um 0，這時4個電阻的阻值有差異， Um 就是電橋的不平衡輸出電壓。 產生Um 的原因為等效電橋的四個橋臂電阻不相等，所以任何能夠使 電橋達到平衡的方法都可作為零位電勢的補償方法。有基本和 溫度補償電路。 （一）基本補償電路 霍爾元件的零位電動勢補償電路有多種，下圖是兩種常見電路，其中Rp是調節(jié)電阻。（a ）是在造成電橋不平衡的電阻值較大的一個橋臂上并聯Rp ，通過調節(jié)Rp使電橋達到平衡狀態(tài)，稱為不對稱補償電路。（b）相當于在兩個電橋上并聯調節(jié)電阻，稱為對稱補償電路。 基本補償電路沒有考慮溫度變化的影響。實際上，由于調節(jié)電阻Rp與霍爾元件的等效橋臂電阻的溫度系數一般都不相同，所以某一溫度下通過調Rp使Um =0，當溫度發(fā)生變化時 ，平衡又被破壞了，這時又要重新調節(jié)。（b ）電路的溫度穩(wěn)定性要比（a ）好 。 二、溫度誤差與補償 霍爾元件是采用半導體材料制成的, 因此它們的許多參數都具有較大的溫度系數。當溫度變化時, 霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數都將發(fā)生變化, 從而使霍爾元件產生溫度誤差。 為了減小霍爾元件的溫度誤差, 除選用溫度系數小的元件或采用恒 溫措施外, 采用恒流源供電是個有效措施, 可以使霍爾電勢穩(wěn)定。 但也只能減小由于輸入電阻隨溫度變化而引起的激勵電流I變化所帶來的影響。也可以使用一些溫度補償的方法。 （一）、采用恒流源提供控制電流 采用恒流源提供恒定的控制電流可以減小溫度誤差，但元件的靈敏度Kh 也是溫度的系數，對于具有正溫度系數的霍爾元件，可在元件控制極并聯分流電阻R來提高Uh的溫度穩(wěn)定性，如圖所示 它由恒流源、并聯電阻和霍爾元件組成。 令在初始溫 T0 時，元件靈敏度系數為 、輸入電阻為 ，當溫度由 T0 變化到T ，即有 時，各參數變化為式中， 霍爾元件輸入電阻 的溫度系數 靈敏度 的溫度系數由于溫度為T0 時有 在溫度為T時有要使霍爾電勢不隨溫度而變化，必須保證在B 和 I 的值為常數，溫度為 T 和 T0 時有： 即有：那么： 整理得：當霍爾元件選定以后， 、 、 為定值，其值可在產品說明書中查到，選擇適合的補償分流電阻 ，使由于溫度引起的誤差降至極小。 （二）、合理選擇負載電阻 圖5-7所示電路中，霍爾電壓輸出接負載電阻RL，則當溫度為T時RL上的電壓表示為： （5-13）當溫度由T變成 T+T 時，則RL上的電壓變?yōu)?式中 -霍爾元件輸出電阻； -霍爾元件溫度系數； -霍爾元件輸出電阻的溫度系數 ； （5-14） 要使UL不受溫度變化影響，即 ，由上兩式可知 整理得： （5-15）0LL H LRU U R R 0(1 ) (1 )LL L H L RU U U T R R T 0R 0LU 0 0(1 ) (1 )L LH HL LR RU U TR R R R T 0LR R 對于一個霍爾元件， 、 和 的值容易獲得，所以只要使負載電阻RL滿足（5-15），就可以實現在輸出回路中對溫度的補償。雖然 RL 通常是放大器的輸入電阻或表頭內阻，其值是一定的，但可通過串、并聯電路來調整RL的值。 0R （三）、采用熱敏元件 對于由溫度系數較大的半導體材料（銻化銦）制成的霍爾元件，常采用下圖的溫度補償電路，Rt 熱敏元件（熱電阻或熱敏電阻）。 （a）在輸入回路中進行溫度補償，當溫度變化時，用Rt的變化來抵消霍爾元件靈敏度KH和輸入電阻Ri變化對霍爾輸出的電壓UH的影響 （b）在輸出回路中進行溫度補償，當溫度變化時，用Rt的變化來抵消霍爾電壓UH和輸出電阻Ro 變化對負載電阻RL上的電壓UL的影響 在安裝測量電路時，熱敏元件最好和霍爾元件封裝在一起或盡量靠近，以使二者溫度變化一致。 5.4霍爾式傳感器的應用1. 霍爾式壓力傳感器霍爾元件具有結構簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點, 它不僅用于磁感應強度, 有功功率及電能參數的測量, 也在位移、壓力等測量中得到廣泛應用。下圖是霍爾壓力傳感器的結構原理圖。由兩部分組成：一部分是作為彈性敏感元件的彈簧管,用來感受壓力P,并將P轉換為彈性元件的位移 ；另一部分是霍爾元件和磁系統(tǒng)，磁系統(tǒng)形成一個均勻階梯磁場見下圖所示，在其工作范圍內， ；霍爾元件固定在在彈性元件上，所以霍爾元件在均勻梯度磁場中的位移也是x 。 -斜率，為常數； -系數，為常數 BK PKBB K x Px K P霍爾電壓 與被測壓力P之間的關系可表示為：HUH H B PU K IK K P KP 式中 K-霍爾式壓力傳感器的輸出靈敏度 H B PK K K K I 2. 霍爾式微位移傳感器 下圖給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖。 圖（a）是磁場強度相同的兩塊永久磁鐵, 同極性相對地放置, 霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應強度B=0, 因此霍爾元件輸出的霍爾電勢UH也等于零, 此時位移x=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產生相對位移, 霍爾元件感受到的磁感應強度也隨之改變, 這時UH不為零, 其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量, 這種結構的傳感器, 其動態(tài)范圍可達 5 mm, 分辨率為 0.001mm。 圖（b）所示是一種結構簡單的霍爾位移傳感器, 由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器, 在x=0 時, 霍爾電壓不等于零。 圖（c）是一個由兩個結構相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器, 為了獲得較好的線性分布, 在磁極端面裝有極靴, 霍爾元件調整好初始位置時, 可以使霍爾電壓UH=0 。 這種傳感器靈敏度很高, 但它所能檢測的位移量較小, 適合于微位移量及振動的測量 。 3. 霍爾式轉速傳感器 下 圖 是幾種不同結構的霍爾式轉速傳感器。 磁性轉盤的輸入軸與被測轉軸相連, 當被測轉軸轉動時, 磁性轉盤隨之轉動, 固定在磁性轉盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產生一個相應的脈沖, 檢測出單位時間的脈沖數, 便可知被測轉速。磁性轉盤上小磁鐵數目的多少決定了傳感器測量轉速的分 辨率。 3. 霍爾計數裝置 霍爾開關傳感器SL3501是具有較高靈敏度的集成霍爾元件, 能感受到很小的磁場變化, 因而可對黑色金屬零件進行計數檢測。 下圖 是對鋼球進行計數的工作示意圖和電路圖當鋼球通過霍爾開關傳感器時, 傳感器可輸出峰值20mV的脈沖電壓, 該電壓經運算放大器A（A741）放大后, 驅動半導體三極管VT（2N5812）工作, VT輸出端便可接計數器進行計數, 并由顯示器顯示檢測數值。 左手定則：伸開左手，使大拇指跟其余四個手指垂直，并且都跟手掌在一個平面內，把手放入磁場中，讓磁力線垂直穿入手心，并使伸開的四指指向電流的方向，那么，大拇指所指的方向，就是通電導線所受的安培力的方向 右手定則：右手平展，使大拇指與其余四指垂直，并且都跟手掌在一個平面內。把右手放入磁場中，若磁力線垂直進入手心（當磁感線為直線時，相當于手心面向N極），大拇指指向導線運動方向，則四指所指方向為導線中感應電流的方向。補充：