霍尔效应传感器的基本原理以及应用.ppt

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深圳市铭之光电子技术有限公司 霍尔效应传感器基本组成及原理 霍尔效应传感器的工作原理及应用 ? 霍尔效应传感器是基于霍尔效应:当一块导电的平面与磁力线垂直地放置在磁场中,将在平面上产生一个与电流方向和磁场方向都垂直的电场。如图1,当电流流过一个半导体平面(霍尔单元),与电流平行的两个端面引出两条导线作为输出信号端,此时,没有磁场施加在半导体平面,输出端的电压为零。 深圳市铭之光电子技术有限公司 传感器专家网 如果与半导体平面垂直的方向加一个磁场,如图2,此时,有劳伦茨力施加在电流上,使电流分布变形,同时在输出端形成了电位差。这个电位差就称为霍尔电压,它的大小与流过的电流I及穿过的磁场强度成正比。 霍尔电压与电流I和磁场强度B的乘积成正比,对于最常用的硅半导体材料,此比例系数是7uV/Vs/Gauss,其中,Vs是生成电流I的电压。从此系数可以看出,生成的霍尔电压是非常小的,实际应用中,需要放大器对此信号进行放大。 硅半导体材料也有压电效应,当有机械变形时,会引起其电阻值的变化,这样,当有应力引起硅变形时,必将影响霍尔传感器的效果,实际应用中,通常使用多个霍尔单元,来减小机械变形的影响,如使用两个或四个霍尔单元, ?霍尔单元只是个基本的磁传感器,对多数应用来说,还需要信号调理电路,将信号放大,同时增加温度补偿,使输出信号可以被其他电路或系统使用。同时如果供电电源没有稳压,还需要相应的电源调整电路。 如图3,这是一个基本的霍尔传感器,因为霍尔电压是与磁场强度成比例,而磁场是有方向的,当磁场方向变化时,其生成的霍尔电压的极性也发生变化。所以图中用的是双电源的差分放大器,它需要正负两组电源,使设计复杂,为简化设计,通常给差分放大器加上一定的偏置,从而只需要单电源供电。 当磁场为0时,差分放大器输出一定的基准电压,当感应到正向磁场时,放大器输出的电压高于基准电压,当感应到反向磁场时,放大器输出的电压低于基准电压,如图4是一个简单的模拟电压输出的霍尔传感器。 ? 对于模拟电压输出的霍尔传感器,当正向磁场强度越大,输出的电压越高,当输出电压达到电源电压的限制时,输出电压不在随正向磁场强度的增大而增大,此时,电路达到饱和。同样,当反向磁场强度越大时,输出的电压越低,当输出电压达到电源地的限制时,输出电压不再随反向磁场强度的增大而减小。 ?? 为了增加传感器接口的灵活性,满足更多应用的要求,在差分放大器的输出端通常会加上射极开路电路、集电极开路电路、或推挽式放大电路等。 数字式输出霍尔传感器 ? 在某些应用中,我们只需要高或低电平,或者只需开或关的状态,这时,可以在传感器的差分放大器输出端加上一级施密特触发电路,如图5所示, 当磁场高于某个值时,霍尔传感器输出为高电平,而当磁场强度下降到另一个值时,霍尔传感器输出变为低电平。 深圳市铭之光电子技术有限公司 传感器专家网 霍尔效应传感器因其非接触测量、没有运动部件、使用温度范围宽、响应速度快等特点,应用越来越广泛,如用于感应电流的变化,则是电流传感器,用于感应磁场的变化,则可以做成位置传感器、接近开关、速度传感器、磁传感器等。 霍尔元件基本结构 由霍尔片、引线和壳体组成, 如图所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片,引出四个引线。1、1′两根引线加激励电压或电流,称为激励电极;2、2′引线为霍尔输出引线,称为霍尔电极。 霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。 在电路中霍尔元件可用两种符号表示。 基本电路 RW调节控制电流的大小。 RL为负载电阻,可以是放大器的内阻或指示器内阻。 霍尔效应建立的时间极短(10-12~10-14S),I即可以是直流,也可以是交流。 若被测物理量是I、B或者IB乘积的函数,通过测量霍尔电势UH就可知道被测量的大小。 深圳市铭之光电子技术有限公司 传感器专家网 霍尔集成电路的外形结构与霍尔元件完全不同,其引出线形式由电路功能决定,根据内部测量电路和霍尔元件工作条件的不同,分为线性和开关型两种。 1、线性型 性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上,输出电压为伏级,比直接使用霍尔元件方便得多。线性霍尔集成电路的特点是输出电压与外加磁感应强度B呈线性关系,较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门(集电极开路输出门)等电路做在同一个芯片上。

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