非線性誤差(精)

1、1. 非線性誤差磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是：由于傳感器線圈內(nèi)有電流I流過時(shí)，將產(chǎn)生一定的交變磁通I,此交變磁通疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化如圖7 - 3所示。當(dāng)傳感器線圈相對(duì)于永久磁鐵磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度增大時(shí)，將產(chǎn)生較大的感生電勢(shì)E和較大的電流I,由此而產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)方向與原工作磁場(chǎng)方向相反，減弱了工作磁場(chǎng)的作用，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測(cè)速度的增大而降低。當(dāng)線圈的運(yùn)動(dòng)速度與圖 7 - 3所示方向相反時(shí)，感生電勢(shì)E、線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn) 生的附加磁場(chǎng)方向與工作磁場(chǎng)同向，從而增大了傳感器的靈敏度。其結(jié)果是線圈運(yùn)動(dòng)速度方向不同時(shí)，傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值

2、，使傳感器輸出基波能量降低，諧波能量增加。即這種非線性特性同時(shí)伴隨著傳感器輸出的諧波失真。顯然，傳感器靈敏度越高，線圈中電流越大，這種非線性越嚴(yán)重。為補(bǔ)償上述附加磁場(chǎng)干擾，可在傳感器中加入補(bǔ)償線圈，如圖7 - 2 (a)所示。補(bǔ)償 線圈通以經(jīng)放大 K倍的電流，適當(dāng)選擇補(bǔ)償線圈參數(shù)，可使其產(chǎn)生的交變磁通與傳感線圈本 身所產(chǎn)生的交變磁通互相抵消，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?.2霍爾式傳感器霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到

3、應(yīng)用和發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。一、霍爾效應(yīng)及霍爾元件二、1.霍爾效應(yīng)置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體 ，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)。圖7 - 8所示，在垂直于外磁場(chǎng) B的方向上放置一導(dǎo)電板，導(dǎo)電板通以電流I，方向如圖所 示。導(dǎo)電板中的電流是金屬中自由電子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，每個(gè)電子受洛侖磁力fm的作用，fm大小為fm =eBv式中：e電子電荷；v電子運(yùn)動(dòng)平均速度：B 磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。fm的方向在圖7 - 8中是向上的，此時(shí)電子除了沿電流反方向作定向運(yùn)

4、動(dòng)外，還在fm的作用下向上漂移，結(jié)果使金屬導(dǎo)電板上底面積累電子，而下底面積累正電荷，從而形成了附加內(nèi)電場(chǎng)EH，稱霍爾電場(chǎng)，該電場(chǎng)強(qiáng)度為EH= Ub式中UH為電位差?；魻栯妶?chǎng)的出現(xiàn)，使定向運(yùn)動(dòng)的電子除了受洛侖磁力作用外，還受到霍爾電場(chǎng)的作用力，其大小為eEH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著上、下底面積累電荷的增加，霍爾電場(chǎng)增加，電子受到的電場(chǎng)力也增加，當(dāng)電子所受洛侖磁力與霍爾電場(chǎng)作用力大小 相等、 方向相反時(shí)，即eEH=evBEH=vB此時(shí)電荷不再向兩底面積累，達(dá)到平衡狀態(tài)若金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n，電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度為v，則激勵(lì)電流l=nevbd，則v=bdaeEHUH =IBbdaeIB

5、ned式中令RH =1/ ( ne),稱之為霍爾常數(shù),其大小取決于導(dǎo)體載流子密度，則UH =RH式中KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。由式(7 - 16)可見，霍爾電勢(shì)正比于激勵(lì)電流及磁感 應(yīng)強(qiáng)度，其靈敏度與霍爾常數(shù) RH成正比而與霍爾片厚度 d成反比。為了提高靈敏度，霍爾元 件常制成薄片形狀。對(duì)霍爾片材料的要求，希望有較大的霍爾常數(shù) RH,霍爾元件激勵(lì)極間電阻 R=p L/ ( bd),同 時(shí)R=UI/l=EIL/l=vL/ (卩nevbd ,其中UI為加在霍爾元件兩端的激勵(lì)電壓，EI為霍爾元件激勵(lì)極間內(nèi)電場(chǎng)，v為電子移動(dòng)的平均速度。則bdn ebd解得RH=p從式(7 - 18)可知，霍爾

6、常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積。若要霍爾效應(yīng)強(qiáng)，則RH值大，因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。一般金屬材料載流子遷移率很高 ，但電阻率很??；而絕緣材料電阻率極高，但載流子遷移率 極低。故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有：鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。 其中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、 溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、 溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對(duì)溫度最敏感 ，尤其 在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時(shí)其霍爾系數(shù)較大。 砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度 好。表7 - 1為常用國(guó)產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)

7、參數(shù)。2. 霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，它由霍爾片、弓I線和殼體組成，如圖7 - 9(a)所示。霍爾片是一塊 矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)引線。1、1兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極；2、2引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極?；魻栐んw由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂圭寸裝而成。 在電路中霍爾兀件可用兩種符號(hào)表示，如圖7- 9（b）所示。3. 霍爾元件基本特性1）額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流當(dāng)霍爾元件自身溫升 10 C時(shí)所流過的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流。以元件允許最大溫升為限制所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流稱為最大允許激勵(lì)電流。因霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增加而性增加，所以,使用中希望選用盡可能大的激

8、勵(lì)電流，因而需要知道元件的最大允許激勵(lì)電流，改善霍爾元件的散熱條件，可以使激勵(lì)電流增加。2）輸入電阻和輸出電阻激勵(lì)電極間的電阻值稱為輸入電阻。霍爾電極輸出電勢(shì)對(duì)外電路來說相當(dāng)于一個(gè)電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。 以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零且環(huán)境溫度在20C ±5C時(shí)確定的。3）不等位電勢(shì)和不等位電阻當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為I時(shí)，若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，則它的霍爾電勢(shì)應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零。這時(shí)測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)稱不等位電勢(shì)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有： 霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位面上； 半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻； 激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流

9、不均勻分布等。不等位電勢(shì)也可用0 =U。不等位電阻表示Ih式中：U0 不等位電勢(shì)r0-不等位電阻；IH激勵(lì)電流。由上式（7 - 19）可以看出，不等位電勢(shì)就是激勵(lì)電流流經(jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓。4）寄生直流電勢(shì)在外加磁場(chǎng)為零#，霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí)，霍爾電極輸出除了交流不等位電勢(shì)外，還有直流電勢(shì)，稱寄生直流電勢(shì)。其產(chǎn)生的原因有： 激勵(lì)電極與霍爾電極接觸不良，形成非歐姆接觸，造成整流效果； 兩個(gè)霍爾電極大小不對(duì)稱，則兩個(gè)電極點(diǎn)的熱容不同，散熱狀態(tài)不同形成極向溫差電勢(shì)。 寄生直流電勢(shì)一般在 1mV以下，它是影響霍爾片溫漂的原因之一。5）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下 ，溫度每變化

10、1C時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率稱霍爾電勢(shì) 溫度系數(shù)。它同時(shí)也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。4. 霍爾元件不等位電勢(shì)補(bǔ)償不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí)，有時(shí)甚至超過霍爾電勢(shì)，而實(shí)用中要消除不等位電勢(shì)是極其困難的，因而必須采用補(bǔ)償?shù)姆椒?。由于不等位電?shì)與不等位電阻是一致的，可以采用分析電阻的方法來找到不等位電勢(shì)的補(bǔ)償方法。如圖7 -10所示，其中A、B為激勵(lì)電極，C、D為霍爾電極，極分布電阻分別用R1、 R2、 R3、 R4表示。理想情況下，R1=R2=R3=R4，即可取得零位電勢(shì)為零（或零位電阻為零）。實(shí)際上，由于不等位電阻的存在，說明此四個(gè)電阻值不相等，可將其視為電橋的四個(gè)橋臂，則電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻(如圖 7 - 10 (a)所示)，或在兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián) 電阻(如圖7 -10(b)所示)。二、霍爾式傳感器的應(yīng)用2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器圖7-13是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁 鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖 ，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤上小 磁鐵數(shù)目的多少?zèng)Q定了傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。2Cd>1輯入2轉(zhuǎn)盤卡3小硏4霍爾谿圖7-13 幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)3.霍爾計(jì)數(shù)裝置霍爾開關(guān)傳感器 SL3501是具有較高