传感器原理及应用 第七章课件.ppt

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1、第七章　霍尔式传感器优点：结构简单，体积小，坚固频率响应宽，动态范围大无触点，使用寿命长，可靠性高易于微型化和集成电路化缺点：转换率较低，温度影响大，要求转换精度较高时，必须进行温度补偿。优缺点：霍尔元件：直角平行六面体的单晶半导体薄片材料：锗(Ge)、硅(Si)、砷化铟(InSb)等半导体材料。霍尔元件组成：半导体薄片和两对电极组成一、霍尔元件输入引线a、b：激励电极输出引线c、d：霍尔电极霍尔元件的符号和基本电路当输入端加电流I，并在元件平面法线方向加磁感强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向上将产生一电势UH，这个电势就是霍尔电势，这种现象就是霍尔效应

2、。二、霍尔效应任何带电质点在磁场中沿着和磁力线垂直方向运动时，会受到磁场力霍尔效应的原因:如果v和B之间有夹角，那么要乘上sin，用向量表示即为Fl的方向用右螺旋决定，指向由v经小于1800的角转向B，这个Fl就是洛仑兹力，对于正电荷Fl在vB的方向上，至于负电荷，则所受的力的方向正好相反。霍尔电势方向判别：P型材料：N型材料：左手定则：四指——指向电流B——穿过手心大拇指——指向的是力的方向霍尔电势：霍尔系数：三、霍尔系数及灵敏度霍尔系数取决于载流子材料的物理性质，反映了材料的霍尔效应的强弱。n、RH，故金属导体不适于制作霍尔元件，而半导体材料迁移率（

3、尤其是N型半导体）大，故RH。n——自由电子密度q——带电粒子的电量灵敏度：灵敏度和霍尔电势kH表示单位电流、单位磁场作用下，开路的霍尔电势输出值。kH与元件的厚度成反比，d、KH，但考虑提高灵敏度的同时，必须兼顾元件的强度和内阻。dr内阻霍尔电势：由于制造工艺问题以及实际使用时所存在的各种影响霍尔元件性能的因素，如元件安装不合理、环境温度变化等，都会影响霍尔元件的转换精度，带来误差。四、霍尔元件的误差及其补偿霍尔元件的零位误差包括不等位电动势、寄生直流电动势等。（一）、霍尔元件的零位误差及其补偿当霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时，霍尔输出

4、端之间的空载电动势，称为不等位电动势U0。1.不等位电动势U0及其补偿(1)制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上，如图5-8a所示。(2)霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均匀或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜(见图5-8b)，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势。U0产生的原因：采用补偿电路加以补偿当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电动势外，还有直流电动势分量，称为寄生直流电动势。产生原因：由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而形成整流效应，以及两个霍尔电极的焊点大小不

5、等、热容量不同引起温差所产生的。2.寄生直流电动势一般半导体材料的电阻率、迁移率和载流于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，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。（二）、霍尔元件的温度误差及其补偿选用温度系数小的霍尔元件采用适当的补偿电路采用恒流源供电和输入回路并联电阻合理选取负载电阻RL的阻值采用恒流源和输入回路串联电阻采用温度补偿元件根据式(5-5)选择输入回路并联电阻RP，可使温度误差减到极小而不影响霍尔元件的其他性能。采用恒流源供电和输入回路并联电阻(5-5)(5-4)当霍尔元件接有负载

6、RL（如放大器的输入电阻）时，在RL上的电压为合理选取负载电阻RL的阻值式中Ro——霍尔元件的输出电阻Ro0——温度为t0时的输出电阻为使负载上的电压不随温度而变化，应使即得可采用串、并联电阻的方法使上式成立来补偿温度误差。但霍尔元件的灵敏度将会降低。采用恒压源和输入回路串联电阻采用温度补偿元件霍尔元件不等位电势U0的温度补偿根据霍尔电势的表达式，其应用可用于下述三个方面：控制电流I不变，传感器处于非均匀磁场中，UHB。可进行磁场、位移、角度、转速、加速度等测量。磁场不变，即B不变，UHI。故凡能转换成电流变化的各量均能测量。I、B均变化，UHI·B。可用

7、于乘法、功率等方面的计算与测量。五、霍尔式传感器的应用(a)曲线对应(a)图的磁路结构，其线性范围窄，而且在位移z=0时，UH0。(b)曲线对应(b)图，当z=0时，B=0，故UH=0。当z0时，UH0，其值决定于B的大小。这种结构UH与B具有良好线性，且分辨力较高，可达10-6m；另外两块磁钢越短，磁场梯度越大，灵敏度越高。(c)曲线对应(c)图，磁场梯度很大，所以它的灵敏度很高，但它的测量位移量很小，一般z0.5mm，所以它特别适合于测量微位移以及机械振动的振幅等。（一）、微位移测量产生梯度磁场的磁系统及它们各自的静态特性：霍尔式微压、压力传感器U

8、H=UH1-UH2讨论：