第12章霍爾傳感器

第十二章霍爾式傳感器霍爾傳感器：基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器?；魻栃?yīng)：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)。霍爾傳感器應(yīng)用：廣泛用于電磁測(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)。霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)原理電子受洛侖茲力fL的作用，大小為

fL=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。霍爾電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度為：

電子除了受洛侖茲力作用外，還受到霍爾電場(chǎng)的作用力，其大小為

fH=eEH電子所受洛侖茲力與霍爾電場(chǎng)作用力大小相等、方向相反時(shí),即

eEH=eBvEH=Bv

此時(shí)電荷不再向兩側(cè)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I=nevbd，則可得令RH=1/ne為霍爾系數(shù)，則

＊霍爾片的靈敏度KH？和那些量有關(guān)（ｄ、ＲＨ）？如何提高靈敏度？霍爾片材料的要求：希望有較大的霍爾系數(shù)RH。霍爾元件激勵(lì)極間電阻：電子遷移率：

霍爾系數(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。→只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片

常用的霍爾元件材料：鍺、硅、砷化銦等半導(dǎo)體材料。

2.霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，由霍爾片、引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四根引線。1、1′兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極；2、2′兩根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(shù)脂封裝而成。

(a)外形結(jié)構(gòu)示意圖(b)圖形符號(hào)

霍耳元件霍耳元件的基本檢測(cè)電路

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)電流額定激勵(lì)電流：當(dāng)霍爾元件自身溫升10℃時(shí)所流過(guò)的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流。最大允許激勵(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。（2）輸入電阻和輸出電阻輸入電阻：激勵(lì)電極間的電阻值稱為輸入電阻。輸出電阻：輸出電勢(shì)（霍爾電勢(shì)）對(duì)外電路來(lái)說(shuō)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20℃±5℃時(shí)確定的。（3）不等位電勢(shì)和不等位電阻→霍爾元件不等位電勢(shì)補(bǔ)償。不等位電勢(shì)：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:①霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位面上；②半導(dǎo)體材料不均勻造成電阻率不均勻或幾何尺寸不均勻；③激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。不等位電勢(shì)也可用不等位電阻表示：（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，還有一直流電勢(shì)，稱寄生直流電勢(shì)。其產(chǎn)生的原因有：①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；②兩個(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)不同形成極間溫差電勢(shì)。（5）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)→霍爾元件的溫度補(bǔ)償在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下，溫度每變化1℃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(guò)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?。不等位電?shì)示意圖霍耳元件的等效電路不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路5.霍爾元件溫度補(bǔ)償霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)，而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。

霍爾元件的靈敏系數(shù)KH是溫度的函數(shù)，它隨溫度的變化引起霍爾電勢(shì)的變化。霍爾元件的靈敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成式中：KH0—溫度T0時(shí)的KH值；

ΔT—溫度變化量；

α—霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)。恒流溫度補(bǔ)償電路大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值，它們的霍爾電勢(shì)隨溫度升高而增加αΔT倍。如果，與此同時(shí)讓激勵(lì)電流I相應(yīng)地減小，并能保持KHIＨ乘積不變，也就抵消了溫度對(duì)靈敏系數(shù)KH增加的影響。溫度補(bǔ)償電路中，設(shè)初始溫度為T0，霍爾元件輸入電阻為Ri0，靈敏系數(shù)為KH0，分流電阻為Rp0，根據(jù)分流概念得當(dāng)溫度升至T時(shí)，電路中各參數(shù)變?yōu)槭街校害聻榉至麟娮铚囟认禂?shù)，δ為霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)。雖然溫度升高ΔT，為使霍爾電勢(shì)不變，補(bǔ)償電路必須滿足溫升前、后的霍爾電勢(shì)不變，即UH0=UHKH0IH0B=KHIHBKH0IH0=KHIH

經(jīng)整理并略去高次項(xiàng)后得

當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)δ及霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)α是確定值。可計(jì)算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)β值。二、霍爾式傳感器的應(yīng)用

1.霍爾式微位移傳感器霍爾式位移傳感器的工作原理圖。圖（a）是磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對(duì)地放置，霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0，因此霍爾元件輸出的霍爾電勢(shì)UH也等于零，此時(shí)位移Δx=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對(duì)位移，霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之改變，這時(shí)UH不為零，其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對(duì)位置的變化量，這種結(jié)構(gòu)的傳感器，其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)5mm，分辨率為0.001mm。

圖（b）所示是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的霍爾位移傳感器，由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器，在Δx=0時(shí)，霍爾電壓不等于零。圖（c）是一個(gè)由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器，為了獲得較好的線性分布，在磁極端面裝有極靴，霍爾元件調(diào)整好初始位置時(shí)，可以使霍爾電壓UH=0。這種傳感器靈敏度很高，它所能檢測(cè)的位移量較小，適合于微位移量及振動(dòng)的測(cè)量。(a)磁場(chǎng)強(qiáng)度相同傳感器(b)簡(jiǎn)單的位移傳感(c)結(jié)構(gòu)相同傳感器

霍爾式位移傳感器的工作原理圖2.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(guò)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。幾種霍耳式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)1－輸入軸；2－轉(zhuǎn)盤；3－小磁鐵；4－霍耳傳感器霍爾式接近開(kāi)關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示3.霍爾計(jì)數(shù)裝置

霍爾開(kāi)關(guān)傳感器SL3501是具有較高靈敏度的集成霍爾元件，能感受到很小的磁場(chǎng)變化，因而可對(duì)金屬零件進(jìn)行計(jì)數(shù)檢測(cè)。對(duì)鋼球進(jìn)行計(jì)數(shù)的工作示意圖和電路圖。當(dāng)鋼球通過(guò)