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1、传感与检测技术传感与检测技术传感与检测技术传感与检测技术武汉理工大学自动化学院武汉理工大学自动化学院Copyright 2004 WUT.All Rights Reserved.传感器与检测技术第七章第七章 霍尔传感器霍尔传感器第一节第一节 霍尔效应霍尔效应第二节第二节 霍尔元件的基本特性霍尔元件的基本特性第三节第三节 霍尔元件的误差及其补偿霍尔元件的误差及其补偿第四节第四节 测量电路测量电路第五节第五节 集成霍尔传感器集成霍尔传感器第六节第六节 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用传感器与检测技术第一节第一节 霍尔效应霍尔效应 1879 1879年美国物理学家霍尔发现霍尔效应。年美国物理学家霍尔
2、发现霍尔效应。年美国物理学家霍尔发现霍尔效应。年美国物理学家霍尔发现霍尔效应。金金金金属属属属或或或或半半半半导导导导体体体体薄薄薄薄片片片片置置置置于于于于磁磁磁磁场场场场中中中中，当当当当有有有有电电电电流流流流流流流流过过过过时时时时，在在在在垂垂垂垂直直直直于于于于电电电电流流流流和和和和磁磁磁磁场场场场的的的的方方方方向向向向上上上上将将将将产产产产生电动势，这种物理现象称为生电动势，这种物理现象称为生电动势，这种物理现象称为生电动势，这种物理现象称为霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应。传感器与检测技术半导体中的电子受洛伦兹力半导体中的电子受洛伦兹力F FL L的作用：的作用：电子又受
3、到电子又受到霍尔电场的作用力霍尔电场的作用力当达到动态平衡时当达到动态平衡时霍尔电场强度霍尔电场强度传感器与检测技术X为电荷的迁移率（为电荷的迁移率（m2 2/vs）电流密度电流密度电流密度电流密度电阻率电阻率电阻率电阻率霍尔电压为：霍尔电压为：令令则则传感器与检测技术 霍尔常数霍尔常数霍尔常数霍尔常数R R R RH H H H等于材料的电阻率与电子迁移率的乘积，等于材料的电阻率与电子迁移率的乘积，等于材料的电阻率与电子迁移率的乘积，等于材料的电阻率与电子迁移率的乘积，金属材料电子迁移率大，但电阻率很小；绝绝材料电阻金属材料电子迁移率大，但电阻率很小；绝绝材料电阻金属材料电子迁移率大，但电阻
4、率很小；绝绝材料电阻金属材料电子迁移率大，但电阻率很小；绝绝材料电阻率极高，但载流子迁移率极低；只有半导体材料适于作率极高，但载流子迁移率极低；只有半导体材料适于作率极高，但载流子迁移率极低；只有半导体材料适于作率极高，但载流子迁移率极低；只有半导体材料适于作霍尔元件，其电阻率和载流子的迁移率都比较大。霍尔元件，其电阻率和载流子的迁移率都比较大。霍尔元件，其电阻率和载流子的迁移率都比较大。霍尔元件，其电阻率和载流子的迁移率都比较大。目前常用的半导体材料有硅、锗、锑化铟和砷化铟目前常用的半导体材料有硅、锗、锑化铟和砷化铟目前常用的半导体材料有硅、锗、锑化铟和砷化铟目前常用的半导体材料有硅、锗、锑
5、化铟和砷化铟等，这些材料不但有较大的霍尔常数，而且有较好的线等，这些材料不但有较大的霍尔常数，而且有较好的线等，这些材料不但有较大的霍尔常数，而且有较好的线等，这些材料不但有较大的霍尔常数，而且有较好的线性度。其中性度。其中性度。其中性度。其中N N N N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。能和线性度都较好。能和线性度都较好。能和线性度都较好。N N N N型硅的线性度最好，其霍尔系数、型硅的线性度最好，其霍尔系数、型硅的线性度最好，其霍尔系数、型硅的线性度最好，其霍
6、尔系数、温度性能同温度性能同温度性能同温度性能同N N N N型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。性
7、度好。性度好。性度好。传感器与检测技术KH表示为一个霍尔元件在单位表示为一个霍尔元件在单位B和电位和电位I时输时输出霍尔出霍尔电压的大小。与霍尔常数电压的大小。与霍尔常数RH成正比，成正比，而与霍尔片厚度而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。霍尔元件常制成薄片形状。则则称之为霍尔元件灵敏度称之为霍尔元件灵敏度 令令传感器与检测技术第二节第二节 霍尔元件的基本特性霍尔元件的基本特性一、霍尔元件一、霍尔元件 传感器与检测技术二、霍尔元件的基本特性二、霍尔元件的基本特性 1.1.U UHHB B 特性特性特性特性 当当当当控控控控制制制制电电电电流流
8、流流不不不不变变变变时时时时，霍霍霍霍尔尔尔尔电电电电压压压压与与与与磁磁磁磁场场场场具具具具有有有有单单单单值值值值关关关关系系系系，在在在在磁磁磁磁不不不不饱饱饱饱和和和和时时时时，U UHH与与与与B B具具具具有有有有线线线线性性性性关关关关系系系系。如如如如使使使使传传传传感感感感器器器器处处处处于于于于非非非非均均均均匀匀匀匀磁磁磁磁场场场场中中中中，传传传传感感感感器器器器的的的的输输输输出出出出正正正正比比比比于于于于磁磁磁磁感感感感应应应应强强强强度度度度，因因因因此此此此，对对对对凡凡凡凡是是是是能能能能转转转转换换换换为为为为磁磁磁磁感感感感应应应应强强强强度度度度变变变
9、变化化化化的的的的量量量量都都都都能能能能进进进进行行行行测测测测量量量量，如如如如位位位位移移移移、角角角角度度度度、转转转转速速速速和和和和加加加加速度等。速度等。速度等。速度等。传感器与检测技术二、霍尔元件的基本特性二、霍尔元件的基本特性 2.2.U UH H I I 特性特性特性特性 特特特特性性性性磁磁磁磁场场场场不不不不变变变变，传传传传感感感感器器器器输输输输出出出出值值值值正正正正比比比比于于于于控控控控制制制制电电电电流流流流值值值值，因因因因此此此此，凡凡凡凡能能能能转转转转换换换换为为为为电电电电流流流流变变变变化化化化的量，均能进行测量。的量，均能进行测量。的量，均能进
10、行测量。的量，均能进行测量。3.3.U UHHIB IB IB IB 特性特性特性特性 传传传传感感感感器器器器输输输输出出出出值值值值正正正正比比比比于于于于磁磁磁磁感感感感应应应应强强强强度度度度和和和和控控控控制制制制电电电电流流流流之之之之积积积积，因因因因此此此此，它它它它可可可可以以以以用用用用于于于于乘乘乘乘法法法法、功率等方面的计算与测量。功率等方面的计算与测量。功率等方面的计算与测量。功率等方面的计算与测量。传感器与检测技术霍尔元件主要特性参数：霍尔元件主要特性参数：1.1.输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 霍尔元件工作时需要加控制电流
11、，这就需要知道霍尔元件工作时需要加控制电流，这就需要知道霍尔元件工作时需要加控制电流，这就需要知道霍尔元件工作时需要加控制电流，这就需要知道控制电极间的电阻，称输入电阻。霍尔电极输出控制电极间的电阻，称输入电阻。霍尔电极输出控制电极间的电阻，称输入电阻。霍尔电极输出控制电极间的电阻，称输入电阻。霍尔电极输出霍尔电势对外电路来说相当于一个电压源，其电霍尔电势对外电路来说相当于一个电压源，其电霍尔电势对外电路来说相当于一个电压源，其电霍尔电势对外电路来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应
12、强源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在度为零且环境温度在度为零且环境温度在度为零且环境温度在20205 5时确定的。时确定的。时确定的。时确定的。2.2.2.2.额定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流和最大允许控制电流 当霍尔元件自身温升当霍尔元件自身温升当霍尔元件自身温升当霍尔元件自身温升10101010时所流过的控制电流时所流过的控制电流时所流过的控制电流时所流过的控制电流称为额定控制电流。以元件允许的最大温升为限称为额定控制电流。以元件允许的最大温升为限称为额定控制电流。以元件允许的最大温升为限称为额
13、定控制电流。以元件允许的最大温升为限制所对应的控制电流称为最大允许控制电流。制所对应的控制电流称为最大允许控制电流。制所对应的控制电流称为最大允许控制电流。制所对应的控制电流称为最大允许控制电流。传感器与检测技术3.3.不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的控制电流为当霍尔元件的控制电流为IN时，若元件所处时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称不等但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。位电势。产生这一现象的原因有：产生这一现象的原因有：（1）霍尔电极安装位置不对
14、称或不在同一等电位面上；）霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；（2）半半导导体体材材料料不不均均匀匀造造成成了了电电阻阻率率不不均均匀匀或或是是几几何何尺尺寸不均匀。寸不均匀。（3）控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。）控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。传感器与检测技术不等位电势是由霍尔电势不等位电势是由霍尔电势c和和d之间的电阻之间的电阻ro决定的，称为决定的，称为不等位电阻不等位电阻 传感器与检测技术4.寄生直流电势寄生直流电势 其产生的原因有：其产生的原因有：（1）控控制制电电极极和和霍霍尔尔电电极极与与基基片片的的连连接接属属于于金金属属与与半半导导体体的的连连接
15、接，这这种种连连接接是是非非完全欧姆接触时。会产生整流效应；完全欧姆接触时。会产生整流效应；（2）控控制制电电流流和和霍霍尔尔电电势势都都是是交交流流时时，经经整整流流效效应应，它它们们各各自自都都在在霍霍尔尔电电极极之之间间建立直流电势。建立直流电势。（3）两两个个霍霍尔尔电电极极焊焊点点的的不不一一致致，造造成成两两焊焊点点热热容容量量、散散热热状状态态的的不不一一致致，因因而而引引起起两两电电极极温温度度不不同同产产生生温温差差电电势势，也也是寄生直流电势的一部分。是寄生直流电势的一部分。传感器与检测技术5.寄生感应电势寄生感应电势 当控制电流当控制电流I为交变电流时，此电流形成为交变电
16、流时，此电流形成的交变磁场在电极引线上要产生寄生感的交变磁场在电极引线上要产生寄生感应电势。为了减小寄生感应电势，要求应电势。为了减小寄生感应电势，要求各电极引线尽可能短，且布线合理以减各电极引线尽可能短，且布线合理以减少磁交链。少磁交链。6.6.霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和控制电流下，温度每在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化变化11时，霍尔电势变化的百分率称霍尔时，霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数。电势温度系数。传感器与检测技术三、误差及其补偿三、误差及其补偿 1、零位误差及其补偿 霍尔元件在控制电流I=0或磁场B=0时出现的霍尔电压UH，称之为零位误差。
17、（1）直流寄生电势）直流寄生电势 霍尔元件控制电流或霍尔电压两引线电极焊点大霍尔元件控制电流或霍尔电压两引线电极焊点大小不等、热容量不同，或接触不良、欧姆电阻大小小不等、热容量不同，或接触不良、欧姆电阻大小不等，因而引起温差电势。提高电极焊点结构上的不等，因而引起温差电势。提高电极焊点结构上的对称性，保持电极引线接触良好，且散热条件相同，对称性，保持电极引线接触良好，且散热条件相同，可以减小这种直流寄生电势。可以减小这种直流寄生电势。传感器与检测技术（2）寄生感应电势）寄生感应电势 当控制电流当控制电流I I为交变电流时，此电流形成的为交变电流时，此电流形成的交变磁场在电极引线上要产生寄生感应
18、电势。交变磁场在电极引线上要产生寄生感应电势。为了减小寄生感应电势，要求各电极引线尽为了减小寄生感应电势，要求各电极引线尽可能短，且布线合理以减少磁交键。可能短，且布线合理以减少磁交键。（3）不等位电势）不等位电势 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，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，若想消有时甚至超过霍尔电势。实用中，若想消除不等位电势极其困难的，因而只有采用除不等位电势极其困难的，因而只有采用补偿的方法。由于不等位电势由不等位电补偿的方法。由于不等位电势由不等位电阻产生，因而可以用分析电阻的方法找到阻产生，因而可以用分析电阻的方法找到一个不等位电势的补偿
19、方法。一个不等位电势的补偿方法。传感器与检测技术霍尔元件不等位电势原理图霍尔元件不等位电势原理图（a）不对称电极）不对称电极（b）电极等效电桥）电极等效电桥 传感器与检测技术不等位电势补偿电路不等位电势补偿电路（a）是电阻值较大的桥臂上并联电阻）是电阻值较大的桥臂上并联电阻（b）是在两相邻桥臂上并联电阻，以增加）是在两相邻桥臂上并联电阻，以增加电极等效电桥的对称性。电极等效电桥的对称性。传感器与检测技术 2、温度误差及其补偿、温度误差及其补偿 电路中用一个分流电阻电路中用一个分流电阻rT与霍尔元件的控制电极与霍尔元件的控制电极相并联。当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加相并联。当霍尔元件的输入
20、电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动加强分流，减小了霍尔元件时，旁路分流电阻自动加强分流，减小了霍尔元件的控制电流的控制电流I，从而达到补偿的目的。，从而达到补偿的目的。选择温度系数小的选择温度系数小的霍尔元件霍尔元件；采取恒温措施；采取恒温措施；采用恒流源供电采用恒流源供电 。传感器与检测技术四、测量电路四、测量电路 1.线性型测量电路线性型测量电路 U0正比于磁感应强度，输出电压与正比于磁感应强度，输出电压与外加磁感应强度呈线性关系。外加磁感应强度呈线性关系。传感器与检测技术2.开关型测量电路开关型测量电路 U0为开关量，差动放大器工作在开环状态。为开关量，差动放大器工作在开环状态。传
21、感器与检测技术第三节第三节 集成霍尔传感器及应用集成霍尔传感器及应用 把霍尔元件和测量电路集成在一起组成集成把霍尔元件和测量电路集成在一起组成集成把霍尔元件和测量电路集成在一起组成集成把霍尔元件和测量电路集成在一起组成集成霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器.这类传感器具有工作频带宽、响应快、灵敏这类传感器具有工作频带宽、响应快、灵敏这类传感器具有工作频带宽、响应快、灵敏这类传感器具有工作频带宽、响应快、灵敏度高、无触点、体积小等优点。按其功能不同可度高、无触点、体积小等优点。按其功能不同可度高、无触点、体积小等优点。按其功能不同可度高、无触点、体积小等优点。按其功能不同可分为两大类：开关
22、型集成霍尔传感器和线性型集分为两大类：开关型集成霍尔传感器和线性型集分为两大类：开关型集成霍尔传感器和线性型集分为两大类：开关型集成霍尔传感器和线性型集成霍尔传感器。成霍尔传感器。成霍尔传感器。成霍尔传感器。传感器与检测技术一、开关型霍尔传感器的组成一、开关型霍尔传感器的组成传感器与检测技术输出电平与磁感应强度输出电平与磁感应强度 之间的关系之间的关系开关型集成霍尔传感开关型集成霍尔传感器输出电平具有迟滞器输出电平具有迟滞现象，其回差宽度现象，其回差宽度B=BHBL。B越小，越小，电平转移灵敏度就越电平转移灵敏度就越高；反之，高；反之，B越大，越大，输出电平抗干扰能力输出电平抗干扰能力越强。越
23、强。传感器与检测技术二、应用二、应用 1.1.国产国产CS835 霍尔无触点开关霍尔无触点开关 B00，V VT T导通，导通，V V0 0=0=0B=0，V VT T截止，截止，V V0 0=1=1可作安保设备用。集成器可作安保设备用。集成器件装在门框上，永磁体装件装在门框上，永磁体装门上。门打开时，开关输门上。门打开时，开关输出高电平，门铃响。出高电平，门铃响。传感器与检测技术2.2.国产国产CS3120CS3120高温霍尔传感器的外型结构高温霍尔传感器的外型结构面对面对磁场磁场传感器与检测技术第三节第三节 集成霍尔传感器及应用集成霍尔传感器及应用霍尔式汽车点火器霍尔式汽车点火器霍尔式汽车
24、点火器霍尔式汽车点火器传感器与检测技术思考题：思考题：用开关型霍尔传感器测量电动用开关型霍尔传感器测量电动小汽车的路程和速度。小汽车的路程和速度。传感器与检测技术 妈妈新开了个淘宝店，欢迎前来捧场妈妈新开了个淘宝店，欢迎前来捧场妈妈的淘宝点开了快半年了，主要卖的是毛绒玩具、坐垫、抱枕之类的，妈妈的淘宝点开了快半年了，主要卖的是毛绒玩具、坐垫、抱枕之类的，但生意一直不是很好，感觉妈妈还是很用心的，花了不少功夫，但是就是没但生意一直不是很好，感觉妈妈还是很用心的，花了不少功夫，但是就是没有人气，所以我也来出自己的一份力，帮忙宣传一下。有人气，所以我也来出自己的一份力，帮忙宣传一下。并且妈妈总是去五亭龙挑最好的玩具整理、发货，质量绝对有保证。并且妈妈总是去五亭龙挑最好的玩具整理、发货，质量绝对有保证。另外我家就在扬州五亭龙玩具城旁边，货源丰富，质量可靠，价格便宜。另外我家就在扬州五亭龙玩具城旁边，货源丰富，质量可靠，价格便宜。欢迎大家来逛逛欢迎大家来逛逛【扬州五亭龙玩具总动员扬州五亭龙玩具总动员】个人小广告：个人小广告：