第五章第2节 霍尔传感器.ppt

第二节 霍尔式传感器 ;一、工作原理与特性 （一）霍尔效应; 设霍尔片的长度为l，宽度为b，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力 e—电子电量(1.62×10-19C)； v—电于运动速度。 同时，作用于电子的电场力 ; 霍尔电势UH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成： ;设 KH=RH / d ; 具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件。霍尔式传感器就是由霍尔元件所组成。金属材料中自由电子浓度n很高，因此RH很小，使输出UH极小，不宜作霍尔元件。 如果是P型半导体，载流子是空穴，若空穴浓度为p，同理可得UH＝IB/ped。 一般电子迁移率大于空穴迁移率，因此霍尔元件多用N型半导体材料。霍尔元件越薄（即d越小），kH就越大，所以通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。 ;(二) 霍尔元件; (三)输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在20℃±5℃时所确定的。 ;(四)基本电路;a.恒压工作;b.恒流工作;c.差分放大;A1、A2二个同相放大器组成差动式放大电路，输入信号加在 A1、A2的同相输入端，从而具有高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗。 功率放大器A3为后级，它不仅切断共模干扰的传输，还将双端输入方式变换成单端输出方式，以满足负载的需要;霍尔传感器输出电压是交流的情况：;C1,C2漏电流相等;;二、霍尔元件的误差及其补偿;1. 不等位电动势U0及其补偿 ; 一般要求U0＜lmV。除了工艺上采取措施降低U0外, 还需采用补偿电路加以补偿。由于霍尔元件可等效为一个四臂电桥，如图5-9a所示，因此可在某一桥臂上并上一定电阻而将U0降到最小，甚至为零。 ; 图5-9b中给出了几种常用的不等位电动势的补偿电路，其中不对称补偿简单，而对称补偿温度稳定性好 。;2. 寄生直流电动势;（二）霍尔元件的温度误差及其补偿 ;1. 采用恒流源供电和输入回路并联电阻 ; 大多数霍尔元件的温度系数α是正值，它们的???尔电势随温度升高而增加αΔT倍。但如果同时让激励电流Is相应地减小，并能保持KH·IH乘积不变，也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。图5-10就是按此思路设计的一个既简单，补偿效果又较好的补偿电路。; 在图5-10所示的温度补偿电路中，设初始温度为T0，霍尔元件输入电阻为Ri0，灵敏系数为KH0，分流电阻为Rp0，根据分流概念得： ;（1） ;则 ;KH=KH0(1+αΔT) ?;（7） ;2．合理选取负载电阻RL的阻值 ;3．采用恒压源和输入回路串联电阻 ;3．采用温度补偿元件（如热敏电阻、电阻丝）;4．霍尔元件不等位电动势Uo的温度补偿; 应该指出，霍尔元件因通入控制电流I而有温升，且I变动，温升改变，都会影响元件的内阻和霍尔输出。为使温升不超过所需值，必须对霍尔元件的额定控制电流加以限制，尤其在安装元件时要尽量做到散热情况良好，只要有可能应选用面积大些的元件，以降低其温升。 若将硅霍尔元件与放大电路、温度补偿电路等集成在一起制成集成霍尔传感器，则具有性能优良、使用方便、体积小、成本低、输出功率大和输出电压高等优点，是应用最为广泛的集成传感器之一。;三．应用; 霍尔电势的极性表示了元件位移的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。 为了得到均匀的磁场梯度，往往将磁钢的磁极片设计成特殊形状，如图5-14b所示。这种位移传感器可用来测量±0.5mm的小位移，特别适用于微位移、机械振动等测量。 若霍尔元件在均匀磁场内转动，则产生与转角的正弦函数成比例的霍尔电压，因此可用来测量角位移。;奥迪A6上的工程应用 在出厂之前，每部车的点火提前角都调在标准范围之间，GOL是6-12度，在这里面的都是正常的，太小，发动机没有力气，太大要引起发动机爆震。 所以说,越接近12度越有爆发力，但不能超过12度。点火提前角不是不变的，随着转速变化而变化。 应用： 霍尔传感器安装于发动机缸体上，感知发动机爆燃情况，将信号反馈给控制单元，适当的减小点火提前角，防止发动机爆震燃烧。;（二）霍尔式压力传感器 ;检测磁场(数字高斯计）;霍尔特斯拉计（高斯计） ;霍尔高斯计（特斯拉计）的使用 ;霍尔传感器用于测量磁场强度 ;