傳感器與檢測技術(shù)第二版陳潔黃鴻第九章霍爾傳感器

1、5.1磁電感應(yīng)式傳感器5.2霍爾式傳感器5.3磁敏式傳感器主要內(nèi)容 磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量（如：振動、位移、轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。常用的有磁電感應(yīng)式傳感器、霍爾式傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；霍爾式傳感器是載流半導(dǎo)體在磁場中有電磁效應(yīng)而輸出電動勢。是典型的有源傳感器。 概述 特點：輸出功率大，穩(wěn)定可靠，可簡化二次儀表，但頻率響應(yīng)低。通常在10100HZ適合作機械振動測量、轉(zhuǎn)速測量。傳感器尺寸大、重。磁電式傳感器機械能電 量概述 霍爾傳感器屬于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁電轉(zhuǎn)換原理，磁敏傳感器是把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電信號。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)

2、的發(fā)展，磁敏元件得到應(yīng)用和發(fā)展，廣泛用于自動控制、信息傳遞、電磁場、生物醫(yī)學(xué)等方面的電磁、壓力、加速度、振動測量。 特點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好、壽命長。磁敏傳感器磁學(xué)量電信號概述5.2 霍爾式傳感器磁敏傳感器是對磁場參量(B,等)敏感的元器件或裝置 ,具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號的功能，基于磁電轉(zhuǎn)換原理的傳感器。主要有磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏三極管和霍爾式磁敏傳感器隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，磁敏傳感器正向薄膜化， 微型化和集成化方向發(fā)展。5.2 霍爾式傳感器 5.2.1 霍爾效應(yīng) 霍爾傳感器就是基于霍爾效應(yīng)，把一個導(dǎo)體（半導(dǎo)體薄片）兩端通以控制電流I，在薄片垂直方向施加磁感強度B的磁場，

3、在薄片的另外兩側(cè)會產(chǎn)生一個與控制電流I和磁場強度B的乘積成比例的電動勢 。 通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）放在磁場中，電流I與磁場B方向垂直，在導(dǎo)體另外兩側(cè)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。 在磁場中導(dǎo)體自由電子在磁場的作用下做定向運動。 每個電子受洛侖茲力作用被推向?qū)w的另一側(cè)： 霍爾電場霍爾電場作用于電子的力5.2 霍爾式傳感器 5.2.1 霍爾效應(yīng) 當(dāng)兩作用力相等時電荷不再向兩邊積累，達到動態(tài)平衡：通過（半）導(dǎo)體薄片的電流I與載流子濃度n， 電子運動速度v，薄片橫截面積 b*d 有關(guān)： 霍爾電勢：5.2 霍爾式傳感器 5.2.1 霍爾效應(yīng)霍爾電勢： 霍爾常數(shù) 與材料有關(guān) 霍爾靈敏度 與薄片尺寸

4、有關(guān)討論：霍爾電勢與哪些因素有關(guān)？5.2 霍爾式傳感器 5.2.1 霍爾效應(yīng) 絕緣材料電阻率很大，電子遷移率很小，不適用； 金屬材料電子濃度很高，RH很小，UH很小。 討論： 任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不是都可以制造霍爾元件 半導(dǎo)體電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體（多電子）。 由上式可見，厚度d越小，霍爾靈敏度 KH 越大，所以霍爾元件做的較薄，通常近似1微米。5.2 霍爾式傳感器 5.2.1 霍爾效應(yīng)5.2 霍爾式傳感器 5.2.2 霍爾傳感器基本結(jié)構(gòu) 霍爾晶體外形矩形薄片有四根引線， 兩端加激勵兩端為輸出； 電源E，控制電流I； 負載RL，R可調(diào)保

5、證控制電流， B磁場與元件面垂直（向里）。 實測中可把I*B作輸入， 也可把I或B單獨做輸入。 通過霍爾電勢輸出測量結(jié)果。 輸出Uo與I或B成正比關(guān)系。1） 額定激勵電流和最大允許激勵電流 當(dāng)霍爾元件自身溫升10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(yīng)的激勵電流稱為最大允許激勵電流。 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?；魻栯姌O輸出電勢對外電路來說相當(dāng)于一個電壓源, 其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強度為零且環(huán)境溫度在205時確定的。 5.2 霍爾式傳感器 5.2.3 霍爾傳感器基本特性（了解）3） 不等位電勢和不等位電阻 當(dāng)霍爾元

6、件的激勵電流為I時, 若元件所處位置磁感應(yīng)強度為零, 則它的霍爾電勢應(yīng)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。 不等位電勢也可用不等位電阻表示 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, 還有一直流電勢, 稱寄生直流電勢。 5.2 霍爾式傳感器 5.2.3 霍爾傳感器基本特性 5） 霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強度和激勵電流下, 溫度每變化1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)。 5.2 霍爾式傳感器 5.2.3 霍爾傳感器基本特性5.2 霍爾式傳感器 5.2.3 不等位電勢補償不等電勢 當(dāng)霍爾元件通以激勵電流I時，若磁場B=0，理論上霍爾電勢UH=0,但實際UH不等于0，這時測得的空載電勢稱不等位電勢U0。 產(chǎn)生的原因：霍爾引出電極安裝不對稱半導(dǎo)體材料不均勻5.2 霍爾式傳感器 5.2.3 不等位電勢補償不等電勢5.2 霍爾式傳感器 5.2.4 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器位移測量原理 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)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連, 當(dāng)