壓電式傳感器和霍爾式傳感器

壓電式傳感器和霍爾式傳感器第1頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六5.2.1霍爾元件的基本工作原理霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁傳感器，得到廣泛的應用?？梢詸z測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用?；魻柶骷曰魻栃獮槠涔ぷ骰A。特點：霍爾器件具有許多優(yōu)點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。第2頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六1霍爾效應金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種物理現象稱為霍爾效應。第3頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六如圖所示，半導體材料的長、寬、厚分別為L、和d。在與x軸相垂直的兩個端面C和D上各裝一個金屬電極，稱為控制電極。在控制電極上外加電壓u，材料中便形成一個沿x方向流動的電流I，稱為控制電流。在ｚ軸方向的磁場作用下，電子將受到一個沿ｙ軸負方向力的作用，這個力就是洛侖茲力。它的大小為：FL=－qvBzxyIADBCBlLdUHA、B-霍爾電極C、D-控制電極第4頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六2霍爾電勢

電荷的聚積必將產生靜電場，即為霍爾電場，該靜電場對電子的作用力為FE與洛侖茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉，其大小為式中EH為霍爾電場，q為載流子電荷，UH為霍爾電勢。當FL=FE時，電子的積累達到動平衡，即所以5-1第5頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六由上式式可見，霍爾電壓的大小決定于載流體中電子的運動速度，它隨載流體材料的不同而不同。材料中電子在電場作用下運動速度的大小常用載流子遷移率來表征，所謂載流子遷移率是指在單位電場強度作用下，載流子的平均速度值。載流子遷移率用符號μ表示，μ=v/EI。其中EI是C、D兩端面之間的電場強度。它是由外加電壓U產生的，即

。因此可以把電子運動速度表示為。這時上式可改寫為當材料中的電子濃度為n時，有如下關系式:

I=nqbdv即(5-2)第6頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六將5-2代入5-1，得第7頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六令RH

則被定義為霍爾傳感器的霍爾系數。由于金屬導體內的載流子濃度大于半導體內的載流子濃度，所以，半導體霍爾系數大于導體。3霍爾系數及靈敏度則第8頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六KH

為霍爾元件的靈敏度。由上式看出：霍爾元件的靈敏度不僅與元件材料的霍爾系數有關，還與霍爾元件的幾何尺寸有關。一般要求霍爾元件靈敏度越大越好，霍爾元件靈敏度的公式可知，霍爾元件的厚度d與KH

成反比。令則第9頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六1）霍爾電壓UH與材料的性質有關

n愈大，KH愈小，霍爾靈敏度愈低；

n愈小，KH愈大，但n太小，需施加極高的電壓才能產生很小的電流。因此霍爾元件一般采用N型半導體材料通過以上分析可知：第10頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六2）霍爾電壓UH與元件的尺寸有關

d愈小，KH愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但d太小，會使元件的輸入、輸出電阻增加?；魻栯妷篣H與控制電流及磁場強度成正比，當磁場改變方向時，也改變方向。第11頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六3)霍爾電勢與磁感應強度的方向有關若磁場B和霍爾元件平面的法線成一角度θ，則作用于霍爾元件的有效磁感應強度為Bcosθ，因此

UH=KHIBcosθ第12頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4）P型半導體，其多數載流子是空穴，也存在霍爾效應，但極性和N型半導體的相反。5）霍爾電壓UH與磁場B和電流I成正比，只要測出UH

，那么B或I的未知量均可利用霍爾元件進行測量。第13頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4霍爾元件的基本結構及特性1)霍爾元件的基本結構組成由霍爾片、四根引線和殼體組成，如下圖示。第14頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六1，2—控制電流端3，4—霍爾電勢端第15頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六2)額定控制電流IC和最大控制電流ICm霍爾元件在空氣中產生10℃的溫升時所施加的控制電流稱為額定控制電流IC。在相同的磁感應強度下，IC值較大則可獲得較大的霍爾輸出。霍爾元件限制IC的主要因素是散熱條件。一般鍺元件的最大允許溫升ΔTm<80℃，硅元件的ΔTm<175℃。當霍爾元件的溫升達到ΔTm時的IC就是最大控制電流ICm

。第16頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六3)輸入電阻Ri和輸出電阻R0Ri

是流過控制電流的電極間的電阻值R0

是霍爾元件的霍爾電勢輸出電極間的電阻可以在無磁場即B＝0和室溫(20±5)℃時，用歐姆表等測量。第17頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

在額定控制電流Ic

之下，不加磁場即B＝0時，霍爾電極間的空載霍爾電勢UH≠0，稱為不平衡(不等位)電勢，單位為mV。一般要求霍爾元件的UH<1mV，好的霍爾元件的UH小于0.1mV。不等位電勢和額定控制電流Ic之比為不等位電阻RM，即

4)不等位電勢UM和不等位電阻RM第18頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

不平衡電勢UH是主要的零位誤差。因為在工藝上難以保證霍爾元件兩側的電極焊接在同一等電位面上。如下圖(a)所示。當控制電流I流過時，即使未加磁場，A、B兩電極此時仍存在電位差，此電位差被稱為不等位電勢（不平衡電勢）UH。第19頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六5集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器是利用集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的一種傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，正越來越愛到眾的重視。集成霍爾傳感器的輸出是經過處理的霍爾輸出信號。按照輸出信號的形式，可以分為開關型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。第20頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六(一)開關型集成霍爾傳感器第21頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六開關型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經過處理后輸出一個高電平或低電平的數字信號。電路的工作原理是：第22頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六1)圖中的霍爾元件是在N型硅外延層上制作的，N型硅的各項參數很適合做霍爾元件。2)由于在制造工藝中采用了光刻技術，電極的對稱性好，零位誤差大大減小。3)由于厚度d很小，提高了霍爾元件的靈敏度。4)在0.1T磁場作用下，元件開路時可輸出20mV左右的霍爾電壓。5)霍爾輸出經前置放大的后送到史密特觸發(fā)器，通過整形成為矩形脈沖輸出。6)當B為0時，UH=0。第23頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六第24頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

1)集成霍爾傳感器的導通磁感應強度和截止磁感應強度之間存在滯后效應。其回差寬度ΔB為ΔB=B(H→L)-B(L→H)2)開關型集成霍爾傳感器的這一特性，正是我們所需要的，它大大增強了開關電路的抗干擾能力，保證開關動作穩(wěn)定，不產生振蕩現象。第25頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六(二)線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。其輸出信號與磁感應強度成比例。通常由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成，其典型線路如下圖所示。全電路的增益可設置到1000倍左右，與分立元件霍爾傳感器相比，靈敏度大為提高。第26頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六第27頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六6測量電路1)基本測量電路激勵電流由電壓源E供給，其大小由可變電阻來調節(jié)。RL為輸出霍爾電勢UH的負載電阻，通常為顯示儀表或放大器的輸入阻抗。由于霍爾電動勢隨激勵電流增大而增大，故在應用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電動勢的溫漂增大，因此每種型號的元件均規(guī)定了相應的最大激勵電流，它的數值從幾毫安至幾十毫安不等。第28頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

為了獲得較大的霍爾輸出電勢，可以采用幾片疊加的連接方式。下圖(a)為直流供電，控制電流端并聯輸出串聯。下圖(b)為交流供電，控制電流端串聯變壓器疊加輸出。2)連接方式第29頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六3)差分放大電路霍爾元件的輸出電壓一般較小，需要用放大電路放大其輸出電壓。為了獲得較好的放大效果，需采用差分放大電路。第30頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4)儀用放大電路使用一個運算放大器時，霍爾元件的輸出電阻可能會大于運算放大器的輸入電阻，從而產生誤差，采用下圖所示的電路，則不存在這個問題。第31頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

不等位電勢是霍爾元件在加控制電流而不加外磁場時，而出現的霍爾電勢稱為零位誤差。在分析不等位電勢時，可將霍爾元件等效為一個電橋，如右圖所示?？刂齐姌OA、B和霍爾電極C、D可看作電橋的電阻連接點。它們之間分布電阻R1、R2、R3、R4構成四個橋臂，控制電壓可視為電橋的工作電壓。6)不等位電勢的補償第32頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

理想情況下，不等位電勢UM=0，對應于電橋的平衡狀態(tài)，此時R1＝R2＝R3＝R4。如果霍爾元件的UM≠0，則電橋就處于不平衡狀態(tài)，此時R1、R2、R3、R4的阻值有差異，UM就是電橋的不平衡輸出電壓。只要能使電橋達到平衡的方法都可作為不等位電勢的補償方法。第33頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六基本補償電路

霍爾元件的不等位電勢補償電路有多種形式，下圖為兩種常見電路，其中RW是調節(jié)電阻。基本補償電路沒有考慮溫度變化的影響。當溫度發(fā)生變化，需要重新進行平衡調節(jié)。第34頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六7應用實例霍爾元件具有結構簡單、工藝成熟、體積小和頻帶寬等特點，因此得到廣泛的應用。保持霍爾元件的控制電流恒定不變，就可測量磁感應強度B，以及位移、角度等可直接轉換為B的物理量，進一步還可以測量先轉換成位移或角度，然后間接轉換為B的物理量，如振動、壓力、速度、加速度、轉速等。此外，任何非電量只要能轉化為位移的變化，均可利用霍爾式位移傳感器的原理變換成霍爾電動勢，從而實現這樣的非電量的測量。霍爾電勢是關于I、B、

三個變量的函數，即UH=KHIBcos

。利用這個關系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。第35頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六1)霍爾式壓力傳感器第36頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六霍爾式壓力傳感器由兩部分組成：一部分是彈性敏感元件的波登管用以感受壓力P，并將P轉換為彈性元件的位移量x，即x＝KPP，其中系數KP為常數。另一部分是霍爾元件和磁系統(tǒng)，磁系統(tǒng)形成一個均勻梯度磁場，如右圖所示，在其工作范圍內，B＝KBx，其中斜率KB為常數；霍爾元件固定在彈性元件上，因此霍爾元件在均勻梯度磁場中的位移也是x。這樣，霍爾電勢UH與被測壓力P之間的關系就可表示為UH＝KHIB＝KHIKBKPP＝KP式中KHIKBKP＝K—霍爾式壓力傳感器的輸出靈敏度。第37頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六2)將被測量轉換為I與B的乘積右圖為霍爾式單相交流功率計的基本電路。設輸入電壓BiRuicUHZL經過降壓電阻R得到霍爾元件的控制電流負載ZL上的電流流過鐵心線圈，產生垂直于霍爾平面的交變磁感應強度B，且B正比于i，即第38頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六霍爾輸出電勢uH＝KHiCB將前兩式代入上式可得式中K=KHK1K2—常系數若求uH的平均值，則上式中cos（2ωt＋φ）為零，因此通過測出平均霍爾電勢，即可求出負載ZL上的有功功率。第39頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六將圖中的電阻改用電容C代替，則使iC產生90o相移，同理可得

可見利用霍爾元件也可測量單相負載上的無功功率。

若使用三個串聯的霍爾元件和適當的電路，則可測量三相負載上的有功功率和無功功率。第40頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六3)霍爾特斯拉計（高斯計）

第41頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六高斯計：接受所測物體的電磁波頻率，然后轉換成參數量顯示出來。主要用來測試高電壓環(huán)境電磁波特斯拉計：主要是檢測磁體單位面積磁通量的多少，也就是檢測磁感應強度。第42頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六霍爾高斯計（特斯拉計）的使用

霍爾元件磁鐵第43頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4)霍爾傳感器用于測量磁場強度

霍爾元件測量鐵心氣隙的B值第44頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六5)霍爾轉速表

在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉動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經隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。SN線性霍爾磁鐵第45頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六霍爾轉速表原理

當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。第46頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六6)霍爾轉速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應用

若汽車在剎車時車輪被抱死，將產生危險。用霍爾轉速傳感器來檢測車輪的轉動狀態(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霍爾第47頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六7)霍爾轉速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉體的表面存在缺口或突起，就可產生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產生轉速信號。霍爾元件磁鐵第48頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六8)霍爾式無刷電動機

霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉子和定子之間的相對位置，其輸出信號經放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉。由于無刷電動機不產生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機、CD唱機、光驅等家用電器中得到越來越廣泛的應用。普通直流電動機使用的電刷和換向器第49頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六光驅用的無刷電動機內部結構第50頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六1．由于無電刷，沒有磨損問題，壽命長、可靠性高。2．具有良好的旋轉特性，可以取得很寬的轉速特性、噪音低、起動轉矩為額定轉矩的2～3倍、穩(wěn)定性好。第51頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六無刷電動機在電動自行車上的應用

電動自行車可充電電池組無刷電動機第52頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六9)霍爾式接近開關

當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關動作?；魻柦咏_關