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：由于傳感器線圈內有電流I流過時，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。當傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場的運動速度增大時，將產(chǎn)生較大的感生電勢E和較大的電流I,由此而產(chǎn)生的附加磁場方向與原工作磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。當線圈的運動速度與圖 7 - 3所示方向相反時，感生電勢E、線圈感應電流反向，所產(chǎn) 生的附加磁場方向與工作磁場同向，從而增大了傳感器的靈敏度。其結果是線圈運動速度方向不同時，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，這種非線性越嚴重。為補償上述附加磁場干擾，可在傳感器中加入補償線圈，如圖7 - 2 (a)所示。補償 線圈通以經(jīng)放大 K倍的電流，適當選擇補償線圈參數(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，從而達到補償?shù)哪康摹?.2霍爾式傳感器霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應，但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。隨著半導體技術的發(fā)展，開始用半導體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應顯著而得到

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

4、動外，還在fm的作用下向上漂移，結果使金屬導電板上底面積累電子，而下底面積累正電荷，從而形成了附加內電場EH，稱霍爾電場，該電場強度為EH= Ub式中UH為電位差。霍爾電場的出現(xiàn)，使定向運動的電子除了受洛侖磁力作用外，還受到霍爾電場的作用力，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，霍爾電場增加，電子受到的電場力也增加，當電子所受洛侖磁力與霍爾電場作用力大小 相等、 方向相反時，即eEH=evBEH=vB此時電荷不再向兩底面積累，達到平衡狀態(tài)若金屬導電板單位體積內電子數(shù)為n，電子定向運動平均速度為v，則激勵電流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，霍爾電勢正比于激勵電流及磁感 應強度，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,霍爾元件激勵極間電阻 R=p L/ ( bd),同 時R=UI/l=EIL/l=vL/ (卩nevbd ,其中UI為加在霍爾元件兩端的激勵電壓，EI為霍爾元件激勵極間內電場，v為電子移動的平均速度。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。若要霍爾效應強，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。銻化銦對溫度最敏感 ，尤其 在低溫范圍內溫度系數(shù)大，但在室溫時其霍爾系數(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為常用國產(chǎn)霍爾元件的技術

7、參數(shù)。2. 霍爾元件基本結構霍爾元件的結構很簡單，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 矩形半導體單晶薄片，引出四個引線。1、1兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；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表示，如圖7- 9（b）所示。3. 霍爾元件基本特性1）額定激勵電流和最大允許激勵電流當霍爾元件自身溫升 10 C時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而性增加，所以,使用中希望選用盡可能大的激

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

9、不均勻分布等。不等位電勢也可用0 =U。不等位電阻表示Ih式中：U0 不等位電勢r0-不等位電阻；IH激勵電流。由上式（7 - 19）可以看出，不等位電勢就是激勵電流流經(jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓。4）寄生直流電勢在外加磁場為零#，霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極輸出除了交流不等位電勢外，還有直流電勢，稱寄生直流電勢。其產(chǎn)生的原因有： 激勵電極與霍爾電極接觸不良，形成非歐姆接觸，造成整流效果； 兩個霍爾電極大小不對稱，則兩個電極點的熱容不同，散熱狀態(tài)不同形成極向溫差電勢。 寄生直流電勢一般在 1mV以下，它是影響霍爾片溫漂的原因之一。5）霍爾電勢溫度系數(shù)在一定磁感應強度和激勵電流下 ，溫度每變化

10、1C時，霍爾電勢變化的百分率稱霍爾電勢 溫度系數(shù)。它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。4. 霍爾元件不等位電勢補償不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超過霍爾電勢，而實用中要消除不等位電勢是極其困難的，因而必須采用補償?shù)姆椒?。由于不等位電勢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的補償方法。如圖7 -10所示，其中A、B為激勵電極，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，即可取得零位電勢為零（或零位電阻為零）。實際上，由于不等位電阻的存在，說明此四個電阻值不相等，可將其視為電橋的四個橋臂，則電橋不平衡。為使其達到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻(如圖 7 - 10 (a)所示)，或在兩個橋臂上同時并聯(lián) 電阻(如圖7 -10(b)所示)。二、霍爾式傳感器的應用2.霍爾式轉速傳感器圖7-13是幾種不同結構的霍爾式轉速傳感器。磁性轉盤的輸入軸與被測轉軸相連，當被測轉軸轉動時，磁性轉盤隨之轉動，固定在磁性轉盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁 鐵通過時產(chǎn)生一個相應的脈沖 ，檢測出單位時間的脈沖數(shù)，便可知被測轉速。磁性轉盤上小 磁鐵數(shù)目的多少決定了傳感器測量轉速的分辨率。2Cd>1輯入2轉盤卡3小硏4霍爾谿圖7-13 幾種霍爾式轉速傳感器的結構3.霍爾計數(shù)裝置霍爾開關傳感器 SL3501是具有較高