任务7 霍尔式传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（重庆大学版）

任务7 霍尔式传感器 任务导航 霍尔式传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。本章在介绍霍尔元件的基本工作原理、结构和主要技术指标的基础上，讨论测量电路及温度补偿方法；最后介绍霍尔传感器的应用。 学习目标 1.知识目标 （1）知道霍尔元件工作原理； （2）了解霍尔元件的基本结构和主要特性参数； （3）掌握霍尔元件的测量电路及补偿； （4）理解霍尔集成电路及应用； 2.能力目标 （1）会正确操作传感器与检测技术综合实验台； （2）会对实验数据进行分析； （3）按操作规程进行操作，具有安全操作意识； （4）会计算传感器的非线性误差及灵敏度； （5）能够正确按照电路要求对霍尔式传感器模块等进行正确接线，并调试； （6）完成实验报告。 7.1 霍尔元件工作原理 霍尔元件是霍尔传感器的敏感元件和转换元件，它是利用某些半导体材料的霍尔效应原理制成的。所谓霍尔效应是指置于磁场中的导体或半导体中通入电流时，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上出现一个电势差。 图7.1 霍尔效应原理图 一般来说，都是选择半导体材料来做霍尔元件。此外，对厚度 d 选择得越小，KH越高；但霍尔元件的机械强度下降，且输入、输出电阻增加。因此，霍尔元件不能做得太薄。 7.2 霍尔元件的基本结构和主要特性参数 7.2.1 基本结构 用于制造霍尔元件的材料主要有Ge（锗）、Si（硅）、InAs（砷化铟）和InSb（锑化铟）等。 1、2—控制电流引线端；3、4—霍尔电势输出端 图7.2 霍尔元件结构图 7.2.2 主要特性参数 1．输入电阻Ri和输出电阻Ro 霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻Ri，两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻Ro。 2．额定激励电流I和最大激励电流IM 霍尔元件在空气中产生10℃的温升时所施加的激励电流值称为额定电流I。每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安到几十毫安。 3．乘积灵敏度KH KH反映了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希望它越大越好。 4．不等位电势UM 在额定激励电流下，当外加磁场为零时，即当而B=0时，UH=0；但由于4个电极的几何尺寸不对称，引起了且B=0时，。为此引入UM来表征霍尔元件输出端之间的开路电压，即不等位电势。 5．霍尔电势温度系数a 在一定磁感应强度和激励电流的作用下，温度每变化1℃时霍尔电势变化的百分数称为霍尔电势温度系数a。 7.3 霍尔元件的测量电路及补偿 7.3.1 基本测量电路 7.3.2 温度误差的补偿 图7.4 内阻与温度关系曲线 图7.5 输出电势与温度关系曲线 图7.3 霍尔元件的基本测量电路 1．恒流源补偿法 温度的变化会引起内阻的变化，而内阻的变化又使激励电流发生变化以致影响到霍尔电势的输出，采用恒流源可以补偿这种影响，其电路如图7.6所示。 2．选择合理的负载电阻进行补偿 对一个确定的霍尔元件，可查表得到 a、b 和 Ro 值，再求得 RL 值，这样就可在输出回路实现对温度误差的补偿了。 图7.6 恒流源补偿电路 3．利用霍尔元件输入回路的串联电阻或并联电阻进行补偿的方法 4．热敏电阻补偿法 在使用热敏电阻进行温度补偿时，要求热敏电阻和霍尔元件封装在一起，或者使两者之间的位置靠得很近，这样才能使补偿效果显著。 图7.8 并联输入电阻补偿原理 图7.9 热敏电阻温度补偿电路 图7.7 串联输入电阻补偿原理 7.3.3 不等位电势的补偿 在无磁场的情况下，当霍尔元件通过一定的控制电流I时，在两输出端产生的电压称为不等位电势，用UM表示。 采用桥式补偿电路，可以在霍尔元件的整个工作温度范围内对不等位电势进行良好的补偿，并且对不等位电势的恒定部分和变化部分的补偿可相互独立地进行调节，所以可达到相当高的补偿精度。 图7.10 不等位电势的桥式补偿电路 7.4 霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为线性和开关型两大类。 线性霍尔集成电路将霍尔元件和恒流源、线性放大器等集成在一个芯片上。例如，UGN3501。 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门等电路集成在同一个