地磁传感器设计研究.doc

PAGE PAGE 22 测控电路设计 专 业：测控技术与仪器 班 级 姓 名：贺建智 学 号：42 地磁传感器设计研究 1．设计思路 （1）针对所选用磁场敏感头的工作特性，选择合适器件，明确磁场检测模块的工作原理。 （2）鉴于磁场检测单元的温度敏感特性，设计信号调理模块，实现了宽温度范围内的灵敏度补偿与零点补偿。 （3）鉴于数字式磁场强度传感器的应用特点，设计出传感数字化与逻辑控制模块。 （4）绘制各个模块的硬件电路图和整体电路图，并对所进行的设计进行相关的调试和校准。 2．设计方案 2.1霍尔元件的结构及原理： 如图1所示,霍尔元件是均匀的N型半导体材料制成的矩形薄片,长为L,宽为b,厚为d。当在1、2两端加上电压,同时有一个磁场B 垂直穿过元件的宽面时, 在3、4两端产生电位 差UH , 这种现象就是霍尔效应。霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受到洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的积累,从而形成附加的横向 电场。霍尔片内定向运动的载流子所受洛仑兹力 图1 和静电作用力相等时, 3、4两 端将建立起稳定的电位差,即霍尔电压UH : UH = KH· IB (1) 式中, KH 为霍尔元件的灵敏度。对于给定霍尔片, KH 是常数, 它仅与霍尔片的材料性质及几何尺寸有关。当工作电流I和磁感应强度B 一定时, KH 的数值越大, 霍尔电压也就越高,也就是灵敏度越高。由式(1)可得: B =UH/（KH·I） (2) 从式( 2 ) 可知, 如果已知霍尔片的灵敏度KH ,只需测出工作电流I和霍尔电压UH 就可求得B。UH 的单位取为mV, I的单位取为mA，B 的单位为T, KH 的单位即为mV / (mA·T) 。 2.2霍尔传感器不等位电动势补偿和温度补偿 2.2.1不等位电动势Uo及其补偿 不等为电动势是产生零位误差的主要因素。由于制作霍尔元件时，不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上，如图2所示。 图2 因此当控制电流I流过元件时，即使磁感应强度等于零，在霍尔电动势极上仍有电动势存在，该电动势称为不等位电动势Uo。在分析不等位电动势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥，如图3所示。 图3 电桥的是个桥臂分别为R1、R2、R3和R4.若两个霍尔电动势在同一等位面上，此时R1=R2=R3=R4，则电桥平衡，输出电压Uo等于零。当霍尔电极不在同一等位面上时，因R3增大而R4减小，则电桥平衡被破坏，使输出电压Uo不等于零；恢复电桥平衡的方法是减小R2或R3。如果经测试确知霍尔电极偏离等位面的方向，则可以采用机械修磨或用化学腐蚀的方法来减小不等位电动势以达到补偿目的。 一般情况下，采用补偿网络进行补偿是一种行之有效的方法，在本设计中采用如图4所示的补偿线路。 图4 2.2.2温度补偿 一般半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度而变化。霍尔元件由半导体材料制成，因此它的性能参数如输入和输出电阻、霍尔常数等也随温度而变化，致使霍尔电势变化，产生温度误差。为了减小温度误差，除选用温度系数较小的材料如砷化铟或采用恒温措施外，还可以采用恒流源供电，这样可以减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。但是采用恒流源供电不能完全解决霍尔电动势的稳定问题，因此还应采用其他补偿方法。在本设计中采用的是如图5所示的温度补偿线路。 图5 在控制电流极上并联一个适当的补偿电阻ro，当温度升到时，霍尔元件的内阻迅速增加，使通过元件的电流减小，而通过ro的电流增加，利用元件内阻的温度特性和补偿电阻，可自动调节霍尔元件的电流大小，从而起到补偿作用。 补偿电阻ro的数值选择：设在某一基准温度To时，有 I=IHo+Io （1） IHo·Ro=Io·ro （2） 式中 I——恒流源输出电流； IHo——温度为To时，霍尔元件的控制电流； Io——温度为To时，ro上通过的电流； Ro——温度为To时，霍尔元件的内阻； ro——温度为To时，补偿电阻值。 将式（1）代入式（2）经整理得 IHo=ro·I/（Ro+ro） （3） 当温度上升为T时，同理可得 IH=r·I/（R+r） （4） 式中 R——温度为T时，霍尔元件的内阻，R=Ro·（1+β·t）； β