《传感器及应用》霍尔式传感器的温度误差及补偿、集成霍尔元件和霍尔式传感器的应用（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《传感器及应用》霍尔式传感器的温度误差及补偿、集成霍尔元件和霍尔式传感器的应用-讲义 知识点一 温度误差及其补偿 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，导致霍尔式传感器产生温度误差。 霍尔元件的温度误差可以采用多种方法进行补偿，而采用温度补偿元件是一种最常见的补偿方法。图1所示为采用热敏电阻进行补偿的几种补偿方法。 图1-a 所示为输入回路补偿电路，锑化铟元件的霍尔输出随温度增高而减小的因素，被控制电流的增加（热敏电阻的阻值随温度增加而减小）所补偿。 图1-b 所示为输出回路补偿电路，负载上得到的霍尔电 势随温度增加而减小的因素，被热敏电阻阻值随温度增加而减小所补偿。 图1-c 所示为用正温度系数的热敏电阻进行补偿的电路。 在使用时，温度补偿元件最好和霍尔元件封在一起或靠近，使它们温度变化一致。 图1 采用热敏电阻温度补偿回路 霍尔式传感器产生温度误差的主要原因是（ ） A. 霍尔元件的电阻率随温度变化 B. 霍尔元件的几何尺寸随温度变化 C. 霍尔元件的载流子浓度随温度变化 D. 以上都是 【答案】D 【解析】霍尔元件的电阻率随温度变化会影响其导电性能；几何尺寸变化会影响霍尔元件的灵敏度等参数；载流子浓度变化会直接影响霍尔电势的大小。 1. 霍尔式传感器的温度误差会导致（ ） A. 测量结果偏高 B. 测量结果偏低 C. 测量结果不稳定 D. 以上都有可能 【答案】D 【解析】由于温度变化对霍尔元件的多种影响，可能使测量结果偏高，比如载流子浓度增加可能使霍尔电势增大导致测量值偏高；也可能使测量结果偏低，比如电阻率增大可能使霍尔电势减小导致测量值偏低；同时也会使测量结果不稳定，因为温度是不断变化的，会使传感器的输出不断波动。 2. 采用恒流源供电对霍尔式传感器进行温度补偿的原理是（ ） A. 保持霍尔元件的电流不变，减小电阻变化的影响 B. 保持霍尔元件的电压不变，减小电阻变化的影响 C. 保持霍尔元件的磁场不变，减小电阻变化的影响 D. 保持霍尔元件的霍尔电势不变，减小电阻变化的影响 【答案】A 【解析】霍尔元件的电阻会随温度变化，如果采用恒压源供电，电阻变化会导致电流变化，进而影响霍尔电势。而采用恒流源供电，能保持霍尔元件的电流不变，这样就可以减小因温度引起的电阻变化对霍尔电势的影响，达到温度补偿的目的。 3. 以下哪种不是常用的霍尔式传感器温度补偿电路（ ） A. 利用热敏电阻的补偿电路 B. 利用二极管的补偿电路 C. 利用电容的补偿电路 D. 利用三极管的补偿电路 【答案】C 【解析】利用热敏电阻的补偿电路可以根据温度变化改变电路电阻，从而补偿霍尔元件的温度误差；利用二极管的正向压降随温度变化的特性可以进行温度补偿；利用三极管的发射结电压随温度变化的特性也可以构成温度补偿电路。而一般较少使用利用电容的电路来进行霍尔式传感器的温度补偿。 1. 利用热敏电阻进行霍尔式传感器温度补偿时，热敏电阻通常与霍尔元件（ ） A. 串联 B. 并联 C. 根据具体情况选择串联或并联 D. 以上都不对 【答案】C 【解析】利用热敏电阻进行温度补偿时，热敏电阻与霍尔元件的连接方式要根据具体的电路设计和补偿要求来选择。如果希望通过改变总电阻来补偿温度引起的霍尔元件电阻变化，可能采用串联方式；如果希望通过分流等方式来补偿，可能采用并联方式。 2. 采用温度补偿电路后，霍尔式传感器的（ ）会得到改善（ ） A. 线性度 B. 重复性 C. 温度特性 D. 以上都是 【答案】C 【解析】温度补偿电路主要是针对温度对霍尔式传感器的影响进行补偿，所以采用温度补偿电路后，最直接的是改善了传感器的温度特性，使传感器在不同温度下能更稳定、准确地工作。对于线性度和重复性可能会有一定的间接影响，但不是温度补偿电路的主要作用。 3. 霍尔式传感器温度补偿中，采用恒温措施的缺点是（ ） A. 成本高 B. 体积大 C. 功耗大 D. 以上都是 【答案】D 【解析】采用恒温措施需要使用恒温设备，如恒温箱等，这会增加系统的成本；恒温设备通常体积较大，会使整个系统的体积增加；同时维持恒温需要消耗一定的能量，导致功耗增大。 · 霍尔元件性能参数随温度变化，导致霍尔电动势变化，合理选取负载电阻阻值以补偿温度误差。 · 选用温度系数小的元件，采用恒流源供电，输入回路并联电阻。 · 采用桥路补偿电路，对非零位电势进行补偿。 知识点二 集成霍尔元件 集成霍尔元件有许多优点：如体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小、对电流稳定性要求低等。 集成霍尔元件可分为线性型和开关型两大类。 线性型集成霍尔元件是将霍尔元件和恒流源、线性放大器等做在一个芯片上，输出电压较高，使用非常方便，目前得到广泛的应用，较典型的线性霍尔器件有UGN3501等，如图2所示。 图2 线性型集成霍尔器件UGN3501 开关型霍尔器件是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门等电路做在同一块芯片上，当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高电阻状态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻状态，输出高电平。这类器件中较为典型的有UGN3020等，如图3所示。有一些开关型集成霍尔元件内部还包括双稳态电路，这种器件的特点是必须施加相反极性的磁场电路的输出才能翻转回到高电平，也就是说具有“锁键”功能。 图3 开关型集成霍尔器件UGN3020 图4、图5所示分别为其输出电压与磁场强度的关系曲线。 图4 线性型集成霍尔器件 UGN3501输出特性 图5 开关型集成霍尔器件 UGN3020输出特性 集成霍尔元件是基于（ ）效应制成的 A. 热电 B. 压电 C. 霍尔 D. 光电 【答案】C 【解析】集成霍尔元件是利用霍尔效应制成的，当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，在导体两端产生电势差，这就是霍尔效应。 1. 集成霍尔元件通常由以下哪几部分组成（ ） A. 霍尔片、放大器、稳压电源 B. 霍尔片、振荡器、滤波器 C. 霍尔片、继电器、电容 D. 霍尔片、电阻、电感 【答案】A 【解析】集成霍尔元件一般包含霍尔片用于产生霍尔电势，放大器用于放大霍尔电势，稳压电源为元件工作提供稳定电压。 2. 集成霍尔元件的输出信号一般为（ ） A. 模拟信号 B. 数字信号 C. 既可以是模拟信号也可以是数字信号 D. 脉冲信号 【答案】C 【解析】集成霍尔元件根据不同的应用需求和设计，输出信号既可以是模拟信号，直接反映磁场强度等信息的连续变化；也可以是经过处理后的数字信号，便于与数字电路接口和处理。 3. 以下哪种不是集成霍尔元件的应用场景（ ） A. 电机转速测量 B. 液位测量 C. 位置检测 D. 压力测量 【答案】D 【解析】 集成霍尔元件常用于电机转速测量，通过检测转子上的磁体来确定转速；可用于位置检测，判断物体是否到达特定位置；在液位测量中可通过浮子上的磁体与霍尔元件配合来测量液位。而压力测量一般不是集成霍尔元件的主要应用领域，通常用压力传感器来测量压力。 1. 当集成霍尔元件所处磁场强度增加时，其输出电压（ ） A. 不变 B. 减小 C. 增大 D. 先增大后减小 【答案】C 【解析】根据霍尔效应原理，霍尔元件的输出电压与磁场强度成正比，所以当磁场强度增加时，输出电压增大。 2. 集成霍尔元件在无磁场作用时，其输出电压理论上为（ ） A. 0V B. 电源电压 C. 一个固定的非零电压 D. 随机值 【答案】A 【解析】在理想情况下，当没有磁场作用于集成霍尔元件时，载流子不会发生偏转，不会产生霍尔电势，所以输出电压理论上为0V。 3. 集成霍尔元件的灵敏度是指（ ） A. 单位电流变化引起的输出电压变化量 B. 单位磁场强度变化引起的输出电压变化量 C. 单位温度变化引起的输出电压变化量 D. 单位时间内输出电压的变化量 【答案】B 【解析】集成霍尔元件的灵敏度定义为单位磁场强度变化所引起的输出电压变化量，灵敏度越高，对磁场的检测就越灵敏。 · 基于霍尔效应，当通电半导体薄片置于磁场中时，两侧会产生电位差，此电位差即为霍尔电势。 · 主要特性包括灵敏度、工作电压、输出状态、响应时间以及工作温度范围等。 · 可用于测量磁场强度、作为接近或触摸传感器或开关传感器等。 知识点三 霍尔式传感器的应用 1、 应用类型： 图3 霍尔元件的基本电路 霍尔式传感器是由霍尔元件与弹性敏感元件或永磁体结合而形成的，具有灵敏度高、体积小、重量轻、无触点、频响宽（由直流到微波）、动态特性好、可靠性高、寿命长、价格低等优点，因此在磁场、电流及各种非电量测量、信息处理、自动化技术等方面得到广泛的应用。 归纳起来，霍尔式传感器主要有下列三个方面的应用类型： （1）利用霍尔电势正比于磁感应强度的特性来测量磁场及与之有关的电量和非电量。如磁场计、方位计、电流计、微小位移计、角度计、转速计、加速度计、磁读头、函数发生器、同步传动装置、无刷直流电机、非接触开关等。 （2）利用霍尔电势正比于激励电流的特性可制作回转器、隔离器、电流控制装置等 （3）利用霍尔电势正比于激励电流与磁感应强度乘积的规律制成乘法器、除法器、乘方器、开方器、功率计等，也可以作混频、调制、斩波、解调等用途。 2、 应用举例： （1）角位移测量仪： 角位移测量仪结构如图6所示。霍尔元件与被测物联动，而霍尔元件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电势EH就反映了转角的变化。不过，这个变化是非线性的 （EH正比于），如要求EH与成线性关系必须采用特定形状的磁极。 图6 角位移测量仪结构示意图 （2）霍尔转速表： 图7是霍尔转速表示意图。在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将霍尔元件及磁路系统靠近齿盘，随着齿盘的转动，磁路的磁阻也周期性地变化，测量霍尔元件输出的脉冲频率就可以确定被测物的转速。 图7 霍尔转速表 （2）霍尔式微压力传感器： 霍尔式微压力传感器的原理如图8所示。被测压力p使波纹膜盒膨胀，带动杠杆向上移动，从而使霍尔元件在磁路系统中运动，改变了霍尔元件所感受的磁场强度大小及方向，引起霍尔电势的大小和极性的变化。由于波纹膜盒及霍尔元件的灵敏度很高，所以可用于测量微小压力的变化。 图8 霍尔式微压力传感器原理示意图 霍尔式传感器在汽车点火系统中的主要作用是（ ） A. 控制喷油嘴喷油 B. 检测发动机转速 C. 调节进气量 D. 检测尾气排放 【答案】 【解析】 在汽车点火系统中，霍尔式传感器常被用于检测发动机曲轴或凸轮轴的位置变化，从而精确测量发动机转速，为点火时刻的控制提供重要依据。 1. 霍尔式传感器可用于测量以下哪种物理量来实现液位检测（ ） A. 液体的压力 B. 液体的温度 C. 浮子的磁场变化 D. 液体的导电性 【答案】C 【解析】在液位检测中，通常利用浮子随液位升降，浮子上安装有磁体，霍尔式传感器通过检测浮子磁体的磁场变化来确定液位的高低。 2. 在电梯的平层检测中，霍尔式传感器主要检测的是（ ） A. 电梯轿厢的重量 B. 电梯电机的电流 C. 平层感应板的磁场 D. 电梯导轨的位置 【答案】C 【解析】电梯平层时，轿厢上的霍尔式传感器会靠近安装在楼层的平层感应板，感应板上有磁性材料，霍尔式传感器通过检测感应板的磁场来判断是否到达平层位置。 3. 霍尔式传感器在直流无刷电机中的作用是（ ） A. 产生磁场 B. 检测电机温度 C. 控制电机转速 D. 检测转子位置 【答案】D 【解析】在直流无刷电机中，霍尔式传感器用于检测转子的位置，为电机的电子换向器提供信号，从而控制电机绕组的通电顺序，使电机正常运转。 1. 下列哪项不是霍尔式传感器在速度测量方面的应用（ ） A. 自行车速度计 B. 汽车车速表 C. 风速仪 D. 血压计 【答案】D 【解析】自行车速度计、汽车车速表可以通过霍尔式传感器检测车轮转动的频率来计算速度，风速仪也可以利用霍尔式传感器检测风车叶片的转动来测量风速。而血压计通常利用压力传感器来测量血压，不是霍尔式传感器的应用领域。 2. 霍尔式传感器在电子秤中的应用是基于（ ）原理来间接测量重量的 A. 压力与磁场的转换 B. 重力与电流的关系 C. 位移与磁场的变化 D. 质量与电压的关系 【答案】C 【解析】电子秤中，当物体放在秤台上，秤台的形变会导致与秤台相连的磁体位置发生位移，霍尔式传感器检测到磁场的变化，进而转换为电信号来间接测量物体的重量。 3. 霍尔式传感器在角度测量中，通常是通过测量（ ）来确定角度的 A. 磁场强度的变化 B. 磁体的旋转圈数 C. 霍尔电势的相位 D. 霍尔电势的大小 【答案】D 【解析】在角度测量应用中，霍尔式传感器一般安装在旋转轴附近，当轴旋转时，磁体与霍尔式传感器的相对位置发生变化，导致霍尔电势的大小发生改变，通过测量霍尔电势的大小来确定旋转角度。 · 用于速度测量、位置检测、防锁制动系统、点火系统、燃油喷射系统等关键环节，确保高效运行。 · 在医疗设备用于磁共振成像、血糖检测仪等，提供准确的诊断数据。 · 在航空航天方面用于导航系统的磁场定向和卫星姿态控制。 · 在消费电子方面用于键盘、触摸屏、电流传感器等，提高设备性能。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$