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6 霍尔式传感器

传感器与检测技术 第六章 霍尔式传感器 上节课回顾: 1.电容传感器有哪些类型? 2.电容传感器的工作原理,输出特性。 3.为什么电感式和电容式传感器的结构多采用差动形式,差动结构形式的特点是什么? 4.推导差动式电容传感器的灵敏度,并与单极式电容传感器相比较。 电容传感器测量电路有哪些?是否可以避免线性误差? 电容式传感器的工作原理和结构 以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理。在忽略边缘效应的情况下,平板电容器的电容量为: 平板电容器的电容 ε0 — 真空的介电常数,(ε 0=8.854×10-12F/m); S — 极板的遮盖面积(m2); ε— 极板间介质的相对介电系数,在空气中,ε=1; δ— 两平行极板间的距离(m)。 差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍 非线性误差减小(多乘 ? 因子)。 可以改善环境因素的影响 电容式传感器的输出特性分析 第六章 霍尔传感器 6.1 霍尔传感器工作原理 6.2 霍尔元件的结构和基本电路 6.3 霍尔元件的主要特性参数 6.4 霍尔元件误差及补偿 6.5 霍尔式传感器的应用 教学目的与要求: 掌握霍尔效应的物理解释.掌握影响霍尔电势大小的因素,用半导体且用N型材料制作霍尔元件的原因 了解霍尔元件外形结构,基本测量电路,根据不同使用要求连接电路. 一般了解霍尔元件的主要特性参数. 了解霍尔不等位电势及其补偿. 了解温度误差及其减少的措施;掌握恒流源温度补偿电路(图)及其工作原理(解决什么问题). 概述: 霍尔型传感器是磁电转换的一种传感器。1879年霍尔在金属材料中发现的,已有一百多年的历史,由于霍尔效应在金属中非常微弱,只是在大学的教科书中作为一种理论而存在,并未付诸实际应用。 直到100多年以后,大约到上世纪四十年代后期,半导体工艺的成熟,科学家利用半导体工艺重新试验霍尔效应,结果发现:半导体工艺(P或N型)都可以再现霍尔效应现象,并金属霍尔元件的公式半导体霍尔元件可得到同样的结论,而且N型半导体尤其明显。使霍尔效应得到广泛的应用。 我国大约到上世纪七十年代开始研究霍尔元件,已能生产各种性能霍尔元件, 例如:普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁性和开关型等。 霍尔特斯拉计(高斯计) 霍尔元件 霍尔高斯计(特斯拉计)的使用 霍尔元件 霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件 霍尔钳形电流表(交直流两用) 6.1 霍尔传感器工作原理 半导体薄片置于磁场中,当它的电流方向与磁场方向不一致时,半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势,这种现象称霍尔效应。 产生的电动势称霍尔电势, 半导体薄片称霍尔元件 霍尔效应原理 当磁场和环境温度一定时: 霍尔电势与控制电流I成正比 当控制电流和环境温度一定时: 霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比 当环境温度一定时: 输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比 可测量电流、磁场强度或制成各种运算器,还可测微小位移、压力、振动等 霍尔元件的结构和基本电路 国产霍尔元件型号的命名方法 6.3 霍尔元件的主要特性参数: (1) 输入电阻和输出电阻 输入电阻:控制电极间的电阻 输出电阻:霍尔电极之间的电阻 测量以上电阻时,应在没有外磁场和室温变化的条件下进行。 (2) 额定控制电流和最大允许控制电流 额定控制电流:当霍尔元件有控制电流使其本身在 空气中产生10℃温升时,对应的控制电流值 最大允许控制电流:以元件允许的最大温升限制所对 应的控制电流值 (3) 不等位电势Uo和不等位电阻ro 不等位电势:当霍尔元件的控制电流为额定值时,若元件所处位置的磁感应强度为零,测得的空载霍尔电势。 不等位电势是由霍尔电极2和之间的电阻决定的, r 0称不等位电阻 产生原因:主要由霍尔电极安装不对称造成的,由于半导体材料的电阻率不均匀、基片的厚度和宽度不一致、霍尔电极与基片的接触不良(部分接触)等原因,即使霍尔电极的装配绝对对称,也会产生不等位电势。 6.4 霍尔元件误差及补偿 1. 不等位电势误差的补偿 2. 温度误差及其补偿 1. 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。 (一)基本补偿电路 霍尔元件的不等位电势补偿电路有多种形式,图为常见电路,其中Rp是调节电阻。 基本补偿电路没有考虑温度变化的影响。当温度发生变化,需要重新进行平衡调节。 常用的电势补偿电路 对称电路 (二)具有温度补偿的补偿电路 右图是一种常见的具有温度补

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