3.3.1霍尔传感器测量转速原理（课件）-《传感器检测技术》同步教学（人民邮电版）

● 项目——速度检测 ●任务—— 霍尔传感器汽车车速测量 霍尔传感器转速测量 ► 任务导入 在汽车用速度及里程仪表中速度传感器是十分重要的部件。 车速传感器 控制器 脉冲信号 霍尔式接近开关传感器 汽车行驶过程中的实时速度采集器 ► 霍尔传感器 霍尔传感器转速测量 ● 定义：霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种非接触式传感器 特点 多种非电量测量 制作高斯计、电流表、接近开关等 结构简单 体积小 动态特性好 寿命长 √ 直接测量磁场及微小位移量 √ 间接测量液位、压力等工业生产过程参数，特别是在检测微位移、大电流、微弱磁场等方面得到了广泛应用 霍尔 效应 霍尔 传感器 霍尔效应是磁电效应的一种 这一现象是美国物理学家霍尔(A.H.Hall)1879年在研究金属的导电机构时发现的。 后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这一现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。 ► 霍尔传感器工作原理 ● 置于磁场中的导体或半导体内通入电流，如电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象称为霍尔效应。 霍 尔 效 应 霍尔传感器转速测量 1. 霍尔效应 ► 霍尔传感器工作原理——霍尔效应 N型半导体薄片 ● 在垂直于该半导体薄片平面的方向上，施加磁感应强度为B的磁场，在薄片左右两端通以控制电流I，N型半导体的导电机制是自由电子沿着与电流I相反的方向运动，受力方向可由左手定则判定，即使磁力线穿过左手掌心，四指指向电流方向，则拇指就指向多数载流子所受洛伦兹力FL的方向。 霍尔传感器转速测量 N型半导体薄片 ● 由于洛仑兹力FL的作用，自由电子会向一侧发生偏转（如图中虚线所示），结果在半导体的前端面上电子积累带负电，而后端面缺少电子带正电，在前后断面间形成电场。该电场产生的电场力FE阻止电子继续偏转。当FE和FL相等时，电子积累达到动态平衡。这时在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和磁场方向)建立电场，称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。 ► 霍尔传感器工作原理——霍尔效应 霍尔传感器转速测量 N型半导体薄片 霍尔系数，材料确定后为常数 灵敏度系数 对于导体，霍尔系数一般较小，故霍尔元件一般用半导体制作，且愈小（薄），灵敏度愈高。 ► 霍尔传感器工作原理——霍尔效应 霍尔传感器转速测量 ► 霍尔传感器工作原理——霍尔元件 霍尔传感器转速测量 ● 定义：基于霍尔效应制成半导体元件称为霍尔元件。 1. 霍尔元件结构 由霍尔片、引线和壳体组成 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。 √ a、b两根引线加激励电压或电流，称为激励电极； √ c、d引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。 （a） （b） ► 霍尔传感器工作原理——霍尔元件 霍尔传感器转速测量 ● 定义：基于霍尔效应制成半导体元件称为霍尔元件。 1. 霍尔元件结构 霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成 （c） ► 霍尔传感器工作原理——霍尔元件 霍尔传感器转速测量 ● 定义：基于霍尔效应制成半导体元件称为霍尔元件。 2. 霍尔元件主要特性参数 霍尔灵敏系数 输入电阻、输出电阻 等位电势和不等位电阻 寄生直流电势 霍尔电势温度系数 额定激励电流和最大允许激励电流 基本电路 控制电流由电源E供给，RP为调节电阻，调节控制电流的大小。霍尔输出端接负载Rf，Rf可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示器内阻。在磁场与控制电流的作用下，负载上就有电压输出。在实际使用时，I或B或两者同时作为信号输入，而输出信号则正比于I或B或两者的乘积。 ► 霍尔传感器测量电路——基本电路及原理 霍尔传感器转速测量 ► 霍尔传感器测量电路——温度误差及补偿 温度误差 霍尔元件测量的关键是霍尔效应，而霍尔元件是由半导体制成的，因半导体对温度很敏感，霍尔元件的载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都随温度而变化，因而使霍尔元件的特性参数（如霍尔电势和输入、输出电阻等）成为温度的函数，导致霍尔传感器产生温度误差。 为减小霍尔元件温度误差，需要对基本测量电路进行温度补偿的改进，可以采用的补偿方法有许多种，常用的有以下方法：采用恒流源提供控制电流，选择合理的负载电阻进行补偿，利用霍尔元件回路的串联或并联电阻进行补偿，也可以在输入回路或输出回路中加入热敏电阻进行温度误差的补偿。 温度误差的补偿 霍尔传感器转速测量 ► 霍尔传感器工作原理——不等位电势及补偿 霍尔传感器转速测量 ● 当控制磁感应强度为零，控制电流为额定值IH时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势。 1. 不等位电势 霍尔电极安装位置不正确 （不对称或不在同一等电位面上） 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀 控