自动检测技术 第3版 教学课件 作者 马西秦 第9章 霍耳传感器.ppt

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1、第九章霍耳传感器利用半导体材料的霍耳效应而工作，为霍耳传感器。第一节霍耳传感器原理半导体，置于磁场B，通入电流I，电子受洛伦兹力FL，产生霍耳电场EH，输出霍耳电压UH。被称为霍耳效应。N半导体BIvF++++++UH输出U结论：霍耳电压（1）与材料有关（2）与电流I有关（3）与磁场B有关。一、霍耳效应洛伦兹力：电场强度：得：霍耳电压：（电位正电荷受力乘距离）（n----材料中电子浓度）由于（电位正电荷受力）于是：（*霍耳灵敏度：）1.霍耳电压与霍耳灵敏度2.霍耳系数与电阻率霍耳系数：将前面霍耳电压式中的1/nq定义为霍耳系数RH，即：有；。*霍耳系数RH和霍耳灵敏度KH的关系：

2、（μ----材料中载流子迁移率，U---外电压，U/l---电场强度）电阻率：由得：对比对比冷轧硅钢片圆环被测电流引脚霍耳元件B随被测电流变化被测电流固定电流BUH固定电流I）输出：（实例之一钳型电流表：I二、霍耳元件的温度特性及补偿电阻相对变化温度低------------温度高升温减小负温度系数升温增大正温度系数温度低------------温度高霍耳电压相对变化砷化铟硅锗碲化铟锗1.温度特性2.温度补偿(1)利用输入回路串电阻进行补偿UHB-+-等效电路在t度下霍耳系数：在t度下输入电阻：由得温度引起的霍耳电压增量:显然,当时,温度变化不引起的霍耳电压输出。结论：输入补偿电

3、阻数值：（补偿前提：）(2)利用输出回路的负载进行补偿UHB-+-等效电路恒流源恒流源在t度下霍耳电压：在t度下输出电阻：对上式求导，令，即输出电压对温度t的变化率为零，得：结论：用负载进行温度补偿所需负载电阻为：三、霍耳元件的零位特性及补偿零位特性：霍耳元件在无外加磁场或无控制电流的情况下输出霍耳电压的特性被称为零位特性。1.不等位电压霍耳元件在无外加磁场B、有控制电流I的情况下出现霍耳电压U0，被称为不等位电压。此时定义不等位电阻产生原因：焊接、材料不均匀、接触不良等。解决方法：电桥平衡。2.寄生直流电压在无外加磁场B、有交流控制电流i的情况下本应只出现交流输出，但却出现非不

4、等位电压的直流电压分量。产生原因：焊接差引起整流效应；焊点热容不等。解决方法：改善接触性能和元件散热条件。4.自激场零电压在无外加磁场B、有控制电流I的情况下，因控制电流I的磁场（自激场）引起的输出霍耳电压。产生原因：电磁感应解决方法：改变输入输出引线布置消除电磁干扰。3.感应电动势在无控制电流I、仅有外加磁场B变化的情况下，在输出回路中引起的输出电动势。产生原因：霍耳效应解决方法：改变输入输出引线布置消除电磁干扰。第二节集成霍耳传感器利用集成电路制造工艺，将霍耳元件和测量电路集成在一起的传感器为集成霍耳传感器。优点：可靠性高，体积小、重量轻、功耗低、反应快。一、开关型集成霍耳传

5、感器I1.B=0U2=1U3=1无UH设计使IC10U2=0U3=0+-UH>0V1通V2截止V3截止V4通V5V6通V7V8通IU2=1U3=1+-UH<0V1截止V2通V3通V4截止V5V6截止V7V8截止结论:检出正向磁场时传感器输出高电平；检出负向磁场或无磁场时传感器输出低电平。3.B<0二、线性集成霍耳传感器霍耳元件输出模拟电压功能：把输入信号的变化成比例地变成输出模拟电压变化。差分放大差分放大第三节霍耳传感器的应用1.测量磁场通入电流I不变，通过检测UH获得磁场B的大小和方向。一、磁场比例性：利用B与

6、UH的比例关系进行测量2.测量位移通入电流I不变，将霍耳传感器放在随位移变化的磁场B中。通过检测UH获得磁场B的大小和方向，从而测量位移的大小和方向。将压力变成位移，也可测量。UHIpB变化调整螺钉膜盒杠杆磁钢霍耳元件3.无接触发信通入电流I不变，在外部磁场靠近时，输出可靠的UH电平。4.无触点开关通入微电流I不变，按下开关，永久磁铁就靠近霍耳元件，输出可靠的UH电平。二、电流比例性：利用I与UH的比例关系进行测量在固定磁场中，当霍耳元件通入电流I改变时，输出电压会成比例变化。利用该原理可以制成霍耳电流、电压传感器。三、乘法作用：利用I、B乘积与UH的比例关系将一个物理量变成B，

7、另一个物理量变成I，霍耳元件上的输出电压会与两个物理量的乘积成比例变化。利用该原理可以制成模拟乘法器、开方器、平方器、除法器等。