霍爾元件一般具有正溫度系數(shù)課件

1傳感器與檢測(cè)技術(shù)

同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系主講教師：蘇永清1傳感器與檢測(cè)技術(shù)同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程物理現(xiàn)象觀察霍爾效應(yīng)物理現(xiàn)象觀察霍爾效應(yīng)霍爾元件一般具有正溫度系數(shù)課件第8章霍爾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(méi)有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,開(kāi)始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件,由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。霍爾傳感器廣泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量?；魻栐且环N四端元件第8章霍爾傳感器霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳fLfEvEHdIbB定向運(yùn)動(dòng)的電子除受到洛侖茲力外，還受到霍爾電場(chǎng)的作用，當(dāng)fl=fE時(shí)，達(dá)到平衡，此時(shí)霍爾系數(shù)，材料確定后為常數(shù)靈敏度系數(shù)對(duì)于導(dǎo)體，霍爾系數(shù)一般較小，故霍耳元件一般用半導(dǎo)體制作，且愈?。ū。?，靈敏度愈高fLfEvEHdIbB定向運(yùn)動(dòng)的電子除受到洛侖茲力外，還受到

霍爾元件基本結(jié)構(gòu)由霍爾片、引線和殼體組成,如圖所示?；魻柶且粔K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(shù)脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號(hào)表示?；魻栐窘Y(jié)構(gòu)由霍爾片、引線和殼體組成,如基本電路RW調(diào)節(jié)控制電流的大小。RL為負(fù)載電阻，可以是放大器的內(nèi)阻或指示器內(nèi)阻?；魻栃?yīng)建立的時(shí)間極短（10-12～10-14S），I即可以是直流，也可以是交流。若被測(cè)物理量是I、B或者IB乘積的函數(shù)，通過(guò)測(cè)量霍爾電勢(shì)UH就可知道被測(cè)量的大小?；倦娐稲W調(diào)節(jié)控制電流的大小。二、元件特性及其補(bǔ)償（1）UH-I特性分析：UH-I特性曲線是線性的；kI-kH成正比∴kI∝1/d，∴kI大的元件，d小，不能通過(guò)較大電流，UH∝I不一定高，二、元件特性及其補(bǔ)償（1）UH-I特性分析：（2）UH-B特性

當(dāng)控制電流恒定時(shí)，霍爾元件的輸出隨B增加并不完全是線性關(guān)系，B＜0.5T時(shí)，UH-B才呈較好線性。其中Hz-4型元件線性度高。當(dāng)磁場(chǎng)為交變、電流是直流時(shí)，由于交變磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流而輸出附加霍爾電勢(shì)，因此霍爾元件只能在幾千Hz頻率的交變磁場(chǎng)內(nèi)工作。（2）UH-B特性

當(dāng)控制電流恒定時(shí)，霍爾元件的輸出隨B增加2、性能補(bǔ)償

（1）溫度補(bǔ)償霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的,因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí),霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化,從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。1）采用恒溫措施2、性能補(bǔ)償

（1）溫度補(bǔ)償霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的,2）UH=KHIB：采用恒流源供電,可以使霍爾電勢(shì)穩(wěn)定（減小由于輸入電阻R隨溫度t變化而引起的激勵(lì)電流I變化所帶來(lái)的影響。）2）UH=KHIB：采用恒流源供電,可以使霍爾電勢(shì)穩(wěn)定（減3）熱敏電阻補(bǔ)償霍爾元件一般具有正溫度系數(shù)，即輸出隨溫度升高而下降，若能使控制電流隨溫度升高而上升。輸入回路串熱敏電阻（當(dāng)溫度上升時(shí)其阻值下降，使控制電流上升。）輸出回路補(bǔ)償負(fù)載上得到的霍爾電勢(shì)隨溫度上升而下降被熱敏電阻阻值減小所補(bǔ)償。在使用時(shí)，熱敏電阻或電阻絲最好和霍爾元件封在一起或靠近，使它們溫度變化一致。3）熱敏電阻補(bǔ)償霍爾元件一般具有正溫度系數(shù)，即輸出隨溫度升高（2）不等位電勢(shì)補(bǔ)償當(dāng)霍爾元件B=0，I≠0，UH=U0≠0。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)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；兩電極電不在同一等電位面上等電位面歪斜（2）不等位電勢(shì)補(bǔ)償當(dāng)霍爾元件B=0，I≠0，UH=U0≠0不等位電勢(shì)補(bǔ)償?shù)姆椒ɡ硐肭闆r下,R1=R2=R3=R4,U0＝0由于不等位電阻的存在,說(shuō)明此四個(gè)電阻值不相等,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，或在兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻。不等位電勢(shì)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄋ?、霍爾傳感器的?yīng)用霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、

三個(gè)變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。四、霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾電勢(shì)是關(guān)于1、霍爾轉(zhuǎn)速表在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵1、霍爾轉(zhuǎn)速表在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過(guò)霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平?；魻栟D(zhuǎn)速表原理當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過(guò)霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用若汽車在剎車時(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用另一種轉(zhuǎn)速測(cè)量安裝方法磁性轉(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。另一種轉(zhuǎn)速測(cè)量安裝方法磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連,當(dāng)被5、霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置，其輸出信號(hào)經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無(wú)刷電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問(wèn)題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

普通直流電動(dòng)機(jī)使用的電刷和換向器5、霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)取消了換向無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用電動(dòng)自行車可充電電池組無(wú)刷電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個(gè)霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個(gè)狀態(tài)編碼信號(hào)，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無(wú)火花、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用電動(dòng)自行車可充電電池組無(wú)刷電光驅(qū)用的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)光驅(qū)用的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)霍爾元件一般具有正溫度系數(shù)課件霍爾元件一般具有正溫度系數(shù)課件霍爾元件一般具有正溫度系數(shù)課件霍爾元件一般具有正溫度系數(shù)課件霍爾元件一般具有正溫度系數(shù)課件霍爾元件一般具有正溫度系數(shù)課件29傳感器與檢測(cè)技術(shù)

同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系主講教師：蘇永清1傳感器與檢測(cè)技術(shù)同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程物理現(xiàn)象觀察霍爾效應(yīng)物理現(xiàn)象觀察霍爾效應(yīng)霍爾元件一般具有正溫度系數(shù)課件第8章霍爾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(méi)有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,開(kāi)始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件,由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。霍爾傳感器廣泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量?；魻栐且环N四端元件第8章霍爾傳感器霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳fLfEvEHdIbB定向運(yùn)動(dòng)的電子除受到洛侖茲力外，還受到霍爾電場(chǎng)的作用，當(dāng)fl=fE時(shí)，達(dá)到平衡，此時(shí)霍爾系數(shù)，材料確定后為常數(shù)靈敏度系數(shù)對(duì)于導(dǎo)體，霍爾系數(shù)一般較小，故霍耳元件一般用半導(dǎo)體制作，且愈?。ū。?，靈敏度愈高fLfEvEHdIbB定向運(yùn)動(dòng)的電子除受到洛侖茲力外，還受到

霍爾元件基本結(jié)構(gòu)由霍爾片、引線和殼體組成,如圖所示?；魻柶且粔K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(shù)脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號(hào)表示?；魻栐窘Y(jié)構(gòu)由霍爾片、引線和殼體組成,如基本電路RW調(diào)節(jié)控制電流的大小。RL為負(fù)載電阻，可以是放大器的內(nèi)阻或指示器內(nèi)阻。霍爾效應(yīng)建立的時(shí)間極短（10-12～10-14S），I即可以是直流，也可以是交流。若被測(cè)物理量是I、B或者IB乘積的函數(shù)，通過(guò)測(cè)量霍爾電勢(shì)UH就可知道被測(cè)量的大小?；倦娐稲W調(diào)節(jié)控制電流的大小。二、元件特性及其補(bǔ)償（1）UH-I特性分析：UH-I特性曲線是線性的；kI-kH成正比∴kI∝1/d，∴kI大的元件，d小，不能通過(guò)較大電流，UH∝I不一定高，二、元件特性及其補(bǔ)償（1）UH-I特性分析：（2）UH-B特性

當(dāng)控制電流恒定時(shí)，霍爾元件的輸出隨B增加并不完全是線性關(guān)系，B＜0.5T時(shí)，UH-B才呈較好線性。其中Hz-4型元件線性度高。當(dāng)磁場(chǎng)為交變、電流是直流時(shí)，由于交變磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流而輸出附加霍爾電勢(shì)，因此霍爾元件只能在幾千Hz頻率的交變磁場(chǎng)內(nèi)工作。（2）UH-B特性

當(dāng)控制電流恒定時(shí)，霍爾元件的輸出隨B增加2、性能補(bǔ)償

（1）溫度補(bǔ)償霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的,因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí),霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化,從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。1）采用恒溫措施2、性能補(bǔ)償

（1）溫度補(bǔ)償霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的,2）UH=KHIB：采用恒流源供電,可以使霍爾電勢(shì)穩(wěn)定（減小由于輸入電阻R隨溫度t變化而引起的激勵(lì)電流I變化所帶來(lái)的影響。）2）UH=KHIB：采用恒流源供電,可以使霍爾電勢(shì)穩(wěn)定（減3）熱敏電阻補(bǔ)償霍爾元件一般具有正溫度系數(shù)，即輸出隨溫度升高而下降，若能使控制電流隨溫度升高而上升。輸入回路串熱敏電阻（當(dāng)溫度上升時(shí)其阻值下降，使控制電流上升。）輸出回路補(bǔ)償負(fù)載上得到的霍爾電勢(shì)隨溫度上升而下降被熱敏電阻阻值減小所補(bǔ)償。在使用時(shí)，熱敏電阻或電阻絲最好和霍爾元件封在一起或靠近，使它們溫度變化一致。3）熱敏電阻補(bǔ)償霍爾元件一般具有正溫度系數(shù)，即輸出隨溫度升高（2）不等位電勢(shì)補(bǔ)償當(dāng)霍爾元件B=0，I≠0，UH=U0≠0。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)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；兩電極電不在同一等電位面上等電位面歪斜（2）不等位電勢(shì)補(bǔ)償當(dāng)霍爾元件B=0，I≠0，UH=U0≠0不等位電勢(shì)補(bǔ)償?shù)姆椒ɡ硐肭闆r下,R1=R2=R3=R4,U0＝0由于不等位電阻的存在,說(shuō)明此四個(gè)電阻值不相等,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，或在兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻。不等位電勢(shì)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄋ?、霍爾傳感器的?yīng)用霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、

三個(gè)變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。四、霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾電勢(shì)是關(guān)于1、霍爾轉(zhuǎn)速表在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵1、霍爾轉(zhuǎn)速表在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過(guò)霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平?；魻栟D(zhuǎn)速表原理當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過(guò)霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用若汽車在剎車時(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用另一種轉(zhuǎn)速測(cè)量安裝方法磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連,當(dāng)