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传感与检测技术3-3-霍尔传感器
3-3 霍尔传感器; 霍尔式传感器是基于霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。霍尔器件是一种磁敏传感器,利用半导体元件对磁场敏感的特性来实现磁电转换,它们可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用。
霍尔器件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1?MHz),耐振动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件,前者输出模拟量,后者输出数字量。
霍尔线性器件的精度高、线性度好;霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达 级)。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽,可达-55~+150℃。 ;3.3.1 霍尔元件;3.3.1.2 霍尔效应
如图2所示的一块N型半导体薄片,其长度为L,宽度为l,厚度为d。在垂直于该半导体薄片平面的上方,施加磁感应强度为B的磁场,在半导体薄片相对的两边通以控制电流I,当N型半导体中的载流子(电子)沿着电流I相反地方向运动时,受到洛仑兹力FL的作用,使电子偏向一端,产生负电荷的积聚,而另一端面则为正电荷积聚,产生了静电场,即霍尔电场。;3.3.1.2 霍尔效应;3.3.1.2 霍尔效应;3.3.1.3 主要技术参数;3.输出电阻R0
两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻R0,它的数值与输入电阻为同一数量级。它也随温度改变而改变。选择适当的负载电阻RL与之匹配,可以使由温度引起的霍尔电动势的漂移减至最小。
4.不等位电动势U0
在额定控制电流下,当外加磁场为零时,霍尔元件输出端之间的开路电压称为不等位电动势U0,它是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的,使用时多采用电桥法来补偿不等位电动势引起的误差。
5.灵敏度KH
霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流作用下的空载霍尔电势值,称为霍尔元件的灵敏度KH。;6.霍尔电动势温度系数α
在一定磁场强度和控制电流的作用下,温度每变化1℃时霍尔电动势变化的百分数称为霍尔电动势温度系数,它与霍尔元件的材料有关,一般约为0.1%/℃,在要求较高的场合下,应选择低温漂的霍尔元件。
7.最大控制电流Im
由于霍尔电势随控制电流增大而增大,故在应用中总希望选用较大的控制电流。但控制电流增大,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控制电流Im,它的数值从几毫安至几十毫安。
;3.3.2 霍尔元件的使用;当元件的控制电流采用交流时,还可采用图4的方式增加霍尔输出电势和输出功率,此时霍尔元件的控制电流端串联,而各元件的输出分别接至输出变压器的各初级,变压器的次级获得霍尔输出信号的叠加。若输出信号小,则可用差分放大器放大,如图5所示。;3.3.2.2霍尔元件的常用电路;2.霍尔电势的输出电路
霍尔元件是一种四端器件,本身不带放大器,且霍尔电势一般在毫伏量级。因此,在实际使用时必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式,因此,输出电路有如图7所示两种结构。
;3.霍尔集成元件
霍尔集成元件是将霍尔元件和放大器等集成在一块芯片上,可分为线性和开关型两大类,有三端T形单端输出和八脚双列直插型双端输出两种结构。 ;3.3.2.3 霍尔元件的测量误差及其补偿;为了减小或消除不等位电势,可以采用电桥平衡原理补偿。
几种补偿线路如图11所示。图(a)、(b)为常见的补偿电路,图(b)、(c)相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻,图(d)用于交流供电的情况。 ;2.温度误差及其补偿
由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度变化而变化,因此,会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势也随温度变化而变化。这种变化程度随不同半导体材料有所不同,而且温度升高到一定程度,产生的变化相当大。
温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。针对温度变化导致内阻(输入、输出电阻)的变化,可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。
温度误差补偿措施
恒流源补偿法
选择合理的负载电阻进行补偿
霍尔元件输入回路串联电阻或并联电阻
热敏电阻补偿法
;3、寄生直流电压
在没有磁场时,元件通以交流电,它的输出除了交流不等位电势外,还存在一直流电压分量,此电压称为寄生直流电压。
寄生直流电压的产生原因有以下几个方面:
(1)由于控制电流极及电压极的接触不佳造成整流效应所致。
(2)由于霍尔电极的焊点大小不一致,其热容量不一致产生温差,造成直流附加电压。
元件制作安装时,应尽可能改善电极的欧姆接触性能和元件的散热条件下,并做到散热均匀,这是减小寄生直流电压的有效措施。;3.3.3 霍尔传感器的常见型
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