霍尔传感器论文..doc

新疆农业大学 机械交通学院课程论文 课程名称：传感器原理及工程应用 论文题目：霍尔传感器的工作原理及实际应用 班 级：电气102 姓 名：胡强 学 号：103736209 指导教师：艾海提 霍尔传感器的工作原理及实际运用 胡强 摘要：霍尔器件是一种磁传感器。用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。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。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1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。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 μm 级）。取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℃。 关键词：霍尔器件；霍尔效应；检测；补偿； 前言 因为霍尔器件的应用原理简单，信号处理方便，器件本身又具有一系列的独特优点，使其应用组合千变万化。作为一种磁场传感器和磁电转换的基础器件，随着人们对它的熟悉和了解，它们将象其他传感器等基础器件一样，在各种信息采集和处理中发挥越来越重要的作用。所以各种功能的集成霍尔传感器在工业、交通、通讯等领域的自动控制中得到了大量的应用. 如磁感应强度的测量、角度和位移的测量、周期和转速的测量、液位控制、产品计数、车辆行程计量等。 1 霍尔效应及霍尔元件 如图 1 所示，在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图1 中的VH，这种现象就是霍尔效应， VH 称为霍尔电压。 （a）霍尔效应和霍尔元件 这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压。在片子上作四个电极，其中C1、C2 间通以工作电流I，C1、C2 称为电流电极，C3、C4 间取出霍尔电压VH，C3、C4 称为敏感电极。将各个电极焊上引线，并将片子用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件（又称霍尔片）。 霍尔元件可用多种半导体材料制作，如 Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP 以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。 InSb 和 GaAs 霍尔元件输出特性见图 1(a)、图 1(b). （a）InSb 霍尔元件的输出特性 (b)GaAs 霍尔元件的输出特性 2　霍尔传感器的工作原理 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。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。 霍尔线性电路, 它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B 成比例，它的功能框图和输出特性示于图2 和图3。 图 2 霍尔线性电路的功能框图 图 3 霍尔线性电路UGN3501 的磁电转换特性曲线 差动霍尔电路(双霍尔电路)， 它的霍尔电压发生器由一对相距2.5mm 的霍尔元件组成，其功能框图见图6。 图 6 差动霍尔电路的工作原理图 使用时在电路背面放置一块永久磁体，当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时，一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反，经差分放大后，使器件灵敏度大为提高。用这种电路制成的汽车齿轮传感器具有极优的性能。 霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。由霍尔效应原理可知, 当霍尔片处于磁场中, 并在垂直于磁场的方向上通以电流时, 霍尔片上与电流和磁场垂直的方向上将会有霍尔电势差V H= K B I输出. 当通过霍尔片的电流恒定不变时, 改变磁场的大小, 可以改变霍尔电势差V H.开关型霍尔传感器由稳压器 A、硅霍尔片B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E 五部分组成, 如图1 所示. 从输入端1 输入电压 VCC, 经稳压器 A 稳压后加在硅霍尔片 B的两端, 以提供恒定不变的工作电流. 在垂直于霍尔片的感应面方向施加磁场, 产生霍尔电势差V H,该V H信号经差分放大器C放大后送至施密特触发器 D 整形. 当磁场达到“工作点”( 即 Bop) 时, 触发器 D 输出高电压( 相对于地电位) , 使三极管E导通, 输出端V