《霍尔传感器》PPT课件.ppt

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1、第7章霍尔传感器原理及其应用7.1概述7.2霍尔传感器的测量电路和误差分析7.3霍尔传感器的应用电路7.1概述霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应。随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器是基于霍尔效应将被测量（如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等）转换成电动势输出的传感器。霍尔式传感器结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、动态范围大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化。在测量

2、技术、自动化技术和信息处理得到了广泛的应用。7.1.1霍尔元件的结构目前最常用的霍尔元件材料是鍺（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等半导体材料。20世纪80年代末出现了一种新型霍尔元件——超晶格结构（砷化铝/砷化稼）的霍尔器件，它可以用来测微磁场。霍尔元件由霍尔片、4根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线。其焊接处称为控制电流极。要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触。在薄片的另两侧端

3、面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极，要求欧姆接触，且电宽度与基片长度之比小于0.1，否则影响输出。霍尔元件的壳体上是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。7.1.2霍尔传感器的工作原理半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。在垂直于外磁场B的方向上放置半导体薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场方向上将产生霍尔电势

4、EH。作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势EH也就越高。霍尔效应原理图7.1.3霍尔传感器的命名方法国产霍尔元件型号命名的方法如图所示。霍尔电势可用下式表示：EH=KHIBKH——霍尔器件的灵敏度，它表示霍尔器件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小。KH=1/ned当磁场和环境温度一定时，霍尔元件输出的霍尔电势EH与控制电流I成正比。当控制电流和环境温度一定时，霍尔元件的输出电势与磁感应强度B的乘积成正比。7.1.4霍尔传感器的特性参数1）额定控制电流与最大控制电流2）输入电阻和输出

5、电阻3）乘积灵敏度4）不等位电势和不等位电阻7.2霍尔传感器的测量电路和误差分析7.2.1霍尔传感器的测量电路霍尔元件的基本测量电路如图。控制电流I由电压源E供给，R是调节电阻，用以根据要求改变I的大小。所施加的外电场B一般与霍尔元件的平面垂直。控制电流也可以是交流电。霍尔元件的基本测量电路7.2.2霍尔传感器的误差分析霍尔元件对温度的变化很敏感，因此，霍尔元件的输入电阻、输出电阻、乘积灵敏度等将受到温度变化的影响，从而给测量带来较大的误差。为了减少测量中的温度误差，除了选用温度系数小的霍尔元件或采取一些

6、恒温措施外，也可使用以下的温度补偿方法。（1）恒流源供电恒流源温度补偿电路（2）采用热敏元件对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，可采用以下温度补偿电路。图a是在输入回路进行温度补偿；图b是在输出回路进行温度补偿。在安装测量电路时，热敏元件最好和霍尔元件封装在一起或尽量靠近，以使二者的温度变化一致。（a）在输入回路进行补偿（b）在输出回路进行补偿采用热敏元件的温度补偿电路（3）不等位电势的补偿不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势。实用中，若想消除不等位电势是极其困难的，因而只

7、有采用补偿的方法。不等位电势由不等位电阻产生，因此可以用分析电阻的方法找到一个不等位电势的补偿方法。霍尔元件的等效电路由于矩形霍尔片有两对电极，各个相邻电极之间有4个电阻R1，R2，R3，R4，因而可把霍尔元件视为一个4臂电阻电桥，这样不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于R1=R2=R3=R4，则所有能够使电桥达到平衡的方法均可用于补偿不等位电势，使不等位电势为零。（1）基本补偿电路霍尔元件的不等位电势补偿电路有很多形式。图a是在造成电桥不平衡的电阻值

8、较大的一个桥臂上并联RP，通过调节RP使电桥达到平衡状态，称为不对称补偿电路图b相当于在两个电桥臂上并联调用电阻，称为对称补偿电路。（a）不对称补偿（b）对称电路（2）具有温度补偿的补偿电路下图是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路。其中一个桥为热敏电阻Rt，并且Rt与霍尔元件的等效电路的温度特性相同。在磁感应强度B为零时调节RP1和RP2，使补偿电压抵消霍尔元件，此时输出不等位电势，从而使B=0时的总输出电压为零。不等