第8章 磁电式传感器

补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电势不变，即 补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电势不变，
UH0 = UH
KH 0IH 0B = KH IH B
KH 0IH 0 = KH IH
IH = Rp I Ri + Rp = Rp0 [1 + β∆T ]I Rp0 [1 + β∆T ] + Ri0 [1 + δ∆T ]
半导体材料不均匀
不等位电势是由霍尔电极2和之间的电阻决定的,r0称不等位电阻 不等位电势是由霍尔电极2和之间的电阻决定的,r
第8章 磁电式传感器
8.1 霍尔传感器——4.霍尔元件误差及其补偿 霍尔元件误差及其补偿
两点误差： 两点误差：
2.寄生直流电势 2.寄生直流电势 原因:
(1)控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆 接触时,会产生整流效应。 (2)两个霍尔电极焊点的不一致,引起两电极温度不 同产生温差电势
U H = k H IB
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8.1 霍尔传感器——3.霍尔元件基本特性 霍尔元件基本特性
解:霍尔元件的等效电路如图所示,则流经霍尔元件的电流为 霍尔元件的等效电路如图所示,
U 5V I= = Ri 2000 = 2.5mA
霍尔电势为
U H = K H IB = 30V/A ⋅ T × 2.5 A × 0.4T = 30mV
ρ RH = µρ 与霍尔片电阻率和 电子迁移率 µ有关 1 RH = − 霍尔系数,材料确定后为常数 霍尔系数 材料确定后为常数 ne RH kH = 灵敏度系数 d
对于导体,霍尔系数一般较小, 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( ),灵敏度愈高 半导体制作,且愈小(薄),灵敏度愈高
r r FL = eV × B
UH FE = eEH = e ⋅ b
UH evB = e b
⇒ U H = bvB
I nebd
I = −nevbd ⇒ v = −
IB IB UH = − = RH ⋅ = k H IB ned d
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8.1 霍尔式传感器——1.霍尔效应 霍尔效应
IB IB UH = − = RH ⋅ = k H IB ned d
8.1 霍尔传感器——4.霍尔元件误差及其补偿 霍尔元件误差及其补偿
设计思路： 设计思路：不等位电势与不等位电阻具有线性关 所以从补偿电阻的角度。 系 所以从补偿电阻的角度 U 0 ,所以从补偿电阻的角度。 r0 = I
图8-4 不等位电势补偿电路
第8章 磁电式传感器
8.1 霍尔传感器——4.霍尔元件误差及其补偿 霍尔元件误差及其补偿
第8章 磁电式传感器
8.1 霍尔式传感器——1.霍尔效应 霍尔效应
1.霍尔效应：置于磁场中的导体(或半导体), ),当有 1.霍尔效应：置于磁场中的导体(或半导体),当有 霍尔效应 电流流过时, 电流流过时,在垂直于电流和磁场的方向会产生电 动势(霍尔电势),原因是电荷受到洛伦兹力的作用。 ),原因是电荷受到洛伦兹力的作用 动势(霍尔电势),原因是电荷受到洛伦兹力的作用。
寄生直流电势—— 7.寄生直流电势
当外加磁场为零,霍尔元件用交流激励时所产生的直流电势。 当外加磁场为零,霍尔元件用交流激励时所产生的直流电势。
霍尔电势温度系数—— 8.霍尔电势温度系数
在一定磁感应强度和激励电流下,温度每变化1 在一定磁感应强度和激励电流下,温度每变化1℃时,霍尔 电势变化的百分率。 电势变化的百分率。
负载电阻上的电压为
UL = UH ⋅ RL 27 000 = 30mV ⋅ = 27mV RL + Ro 27 000 + 3000
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8.1 霍尔传感器——4.霍尔元件误差及其补偿 霍尔元件误差及其补偿
两点误差： 两点误差：
1.不等位电势 1.不等位电势 原因： 原因：①电极引出时偏斜②半导体的电阻特性(等势 面倾斜)造成③激励电极接触不良。
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8.1 霍尔传感器——4.霍尔元件误差及其补偿 霍尔元件误差及其补偿
1.不等位电势补偿方法 不等位电势补偿方法 (1)制作工艺上保证电极对称 制作工艺上保证电极对称、 (1)制作工艺上保证电极对称、欧姆接触 (2)电 (2)电路补偿
所有能够使电桥达到平衡的方法均可用于 补偿不等位电势,使不等位电势为零 所以补偿方 补偿不等位电势 使不等位电势为零,所以补偿方 使不等位电势为零 法很多,各有特点。 法很多 各有特点。 各有特点
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8.1 霍尔传感器——2.霍尔元件基本结构 霍尔元件基本结构
图8-2 霍尔元件的基本结构
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ห้องสมุดไป่ตู้
8.1 霍尔传感器——3.霍尔元件基本特性 霍尔元件基本特性
基本概念： 基本概念：
1.额定激励电流 1.额定激励电流—— 额定激励电流
当霍尔元件自身温升10度时所流过的激励电流 当霍尔元件自身温升10度时所流过的激励电流 10
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8.1 霍尔传感器——4.霍尔元件误差及其补偿 霍尔元件误差及其补偿
(2)电路补偿 (2)电 可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥 不等位 可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥,不等位 四臂电阻电桥 电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压 电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。
第8章 磁电式传感器
第8章 磁电式传感器
8.1 霍尔传感器——3.霍尔元件基本特性 霍尔元件基本特性
V/(A·T), T),输 例8-1 已知霍尔元件的灵敏度系数KH=30 V/(A T),输 =2000Ω,输出电阻 =3000Ω,采用恒压源供电 采用恒压源供电, 入电阻Ri=2000Ω,输出电阻Ro=3000Ω,采用恒压源供电, 恒压源电压为5V,不考虑恒压源的输出电阻, 恒压源电压为5V,不考虑恒压源的输出电阻,当霍尔元件 5V,不考虑恒压源的输出电阻 置于B=0.4T的磁场中时,如输出接负载电阻RL=27000 Ω, =0.4T的磁场中时 的磁场中时, 求负载上的电压。 求负载上的电压。
优点: 优点:
第8章 磁电式传感器 章
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8 磁电式传感器
磁电式传感器——是利用电磁感应原理将被测量 是利用电磁感应原理将被测量 磁电式传感器 是利用电磁感应原理 (如振动、位移、转速、压力等)转换成电信号的一 如振动、位移、转速、压力等) 种传感器。 种传感器。 一般分为两种： 一般分为两种： 1.霍尔传感器 霍尔传感器 2.磁电感应式传感器 磁电感应式传感器
当温度升至T 时,电路中各参数变为
式中: 式中: δ为霍尔元件输入电阻的温度 系数；β为分流电阻的温度系数，则 系数； 为分流电阻的温度系数，
IH =
Rp I Ri + Rp
=
Rp0 [1 + β∆T ]I Rp0 [1 + β∆T ] + Ri0 [1 + δ∆T ]
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8.1 霍尔传感器——5.霍尔元件的温度补偿 霍尔元件的温度补偿
第8章 磁电式传感器
具体补偿方法(补充) 具体补偿方法(补充) 在霍尔元件上并联一Rp分流， Rp分流 在霍尔元件上并联一Rp分流， 增大时—U 当T增大时 UH 增大 —Ip增大 Ip增大 Ip
—Ri增大 H 减小 增大—I 减小—UH 下降
自动加强分流， Rp 自动加强分流，使Ip 增大 —IH 下降 UH下降,补偿电阻 I 下降—U 下降, Rp可选择负温度系数 可选择负温度系数. Rp可选择负温度系数.
不等位电势的补偿电路 对称电路
当温度变化时， 当温度变化时，补偿的稳定性要好些
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8.1 霍尔传感器——5.霍尔元件的温度补偿 霍尔元件的温度补偿
2.温度误差及其补偿 2.温度误差及其补偿 产生原因： 产生原因：
(1)霍尔元件的基片是半导体材料,因而对温度的变 化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻 率和霍尔系数都是温度的函数。 (2)当温度变化时,霍尔元件的一些特性参数,如霍尔 电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化,从而 使霍尔式传感器产生温度误差。
恒流源温度补偿
霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数,它随温度 霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数 它随温度 的变化引起霍尔电势的变化,霍尔元件的灵敏系 的变化引起霍尔电势的变化 霍尔元件的灵敏系 数与温度的关系
K H = K H 0 (1 + α∆T )
为温度T 时的K KH0 为温度T0时的KH值； 为温度变化量； ∆T 为温度变化量； 为霍尔电势的温度系数。 α 为霍尔电势的温度系数。
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8.1 霍尔传感器——5.霍尔元件的温度补偿 霍尔元件的温度补偿
初始状态： 初始状态：KH0,Ri0,I H0 =
Rp0 I Ri0 + Rp0
Ri = Ri 0 (1 + δ∆T ) R p = R p 0 (1 + β ∆T ) K H = K H 0 (1 + α∆T )
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8.1 霍尔传感器——5.霍尔元件的温度补偿 霍尔元件的温度补偿
减小霍尔元件的温度误差措施
1.选用温度系数小的元件 选用温度系数小的元件 2.采用恒温措施 采用恒温措施 3.采用恒流源供电 采用恒流源供电
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8.1 霍尔传感器——5.霍尔元件的温度补偿 霍尔元件的温度补偿
B fL b fE d
v I EH
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8.1 霍尔式传感器——1.霍尔效应 霍尔效应
B b fE d fL v I E
H
定向运动的电子除受到洛仑兹力外,还受 定向运动的电子除受到洛仑兹力外, 到霍尔电场的作用, 达到平衡, 到霍尔电场的作用,当fl=fE时,达到平衡, 此时