霍尔效应原理图ppt课件

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霍尔式压力传感器
磁钢
霍尔元件
N S
S N 波登管 压力P
图9-9 霍尔压力传感器结构原理图
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霍尔式压力传感器由两部分组 成：一部分是弹性敏感元件的 波登管用以感受压力P，并将P 转换为弹性元件的位移量x， 即x＝KPP，其中系数KP为常数。 另一部分是霍尔元件和磁系统， 磁系统形成一个均匀梯度磁场， 如右图所示，在其工作范围内， B＝KBx，其中斜率KB为常数； 霍尔元件固定在弹性元件上， 因此霍尔元件在均匀梯度磁场 中的位移也是x。
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理想情况下，不等位电 势 UM=0 ，对应于电桥的平衡 状态，此时R1＝R2＝R3＝R4。 如果霍尔元件的 UM≠0 ， 则电桥就处于不平衡状态， 此时R1、R2、R3、R4的阻值有 差异， UM 就是电桥的不平衡 输出电压。 只要能使电桥达到平衡 的方法都可作为不等位电势 的补偿方法。
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（一）基本补偿电路
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合理选择负载电阻

如上图所示，若霍尔电势输出端接负载电阻RL， 则当温度为T时，RL上的电压可表示为： RL UL UH RL R0 式中 R0—霍尔元件的输出电阻。
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当温度由T变为T+ΔT时，则RL上的电压变为 RL U L U L U H (1 T ) RL R0 (1 T )
需施加极高的电压才能产生很小 的电流。因此霍尔元件一般采用N 型半导体材料
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2）霍尔电压UH与元件的尺寸有关。 高，所以霍尔元件的厚度都比较薄， 但d太小，会使元件的输入、输出电 阻增加。 霍尔电压UH与控制电流及磁场强 度成正比，当磁场改变方向时，也改 变方向。
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d 愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度愈
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图（a）是在输入回 路进行温度补偿电 路，当温度变化时， 用Rt的变化来抵消 霍尔元件的乘积灵 敏度KH和输入电阻 Ri变化对霍尔输出 电势UH的影响。
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图（b）则是在输 出回路进行温度补偿 的电路，当温度变化 时，用Rt的变化来抵 消霍尔电势UH和输出 电阻R0变化对负载电 阻RL上的电压UL的影 响。 在安装测量电路 时，应使热敏元件和 霍尔元件的温度一致。
B A C
I
θ
d
l
D
B
L
UH
A 、 B -霍尔电极 C 、D -控制电极
若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度 θ，则作用于霍尔元件的有效磁感应强 度为B cosθ，因此 UH=KHIBcosθ

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3）P型半导体，其多数载流子
是空穴，也存在霍尔效应，但 极性和N型半导体的相反。 4）霍尔电压UH与磁场B和电流I 成正比，只要测出UH ，那么B 或I的未知量均可利用霍尔元 件进行测量。

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3.最大磁感应强度BM

由霍尔效应可知，磁感应强度的增加将 使霍尔电势的输出增加。但磁感应强度 若超过一定的界限，霍尔电势的非线性 明显增加，故规定了BM来抑制非线性。
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5、不等位电势UM和不等位电阻RM 在额定控制电流 Ic 之下，不加磁 B ＝ 0 时，霍尔电极间的空载霍尔电势 UH≠0 ，称为不平衡 ( 不等位 ) 电势，单 位为 mV。一般要求霍尔元件的 UH<1mV ， 好的霍尔元件的UH可以小于0.1mV。 不等位电势和额定控制电流 Ic之比为不 等位电阻RM，即


霍尔元件的不等位电势补偿电路有多种形式，图9－7 为两种常见电路，其中RW是调节电阻。 基本补偿电路没有考虑温度变化的影响。当温度发生 变化，需要重新进行平衡调节。
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（二）具有温度补偿的补偿电路

右图是一种常见的具有温度 补偿的不等位电势补偿电路。 该补偿电路本身也接成桥式 电路，其工作电压有霍尔元 件的控制电压提供；其中一 个为热敏电阻Rt，并且于霍 尔元件的等效电阻的温度特温升ΔTm<80℃， 硅元件的ΔTm<175℃。当霍尔元件的温 升达到ΔTm时的电流就是最大控制电流 ICm 。
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2、乘积灵敏度KH 其定义
UH KH IB
霍尔元件的乘积灵敏度定义为在 单位控制电流和单位磁感应强度下， 霍尔电势输出端开路时的电势值，其 单位为V（AT），它反应了霍尔元件本 身所具有的磁电转换能力，一般希望 它越大越好。
式中 α—霍尔电势的温度系数； β—霍尔元件输出电阻的温度系数。 要使UL不受温度变化的影响，即ΔUL＝0，由 上两式可知，必须
RL RL UH U H (1 T ) RL R0 RL R0 (1 T )
对上式进行整理可得
RL R0
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RL R0
所以
B A I D B
FE
C l
FL
L
d
UH
A、B- 霍尔电极 C、D-控制电极
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设流过霍尔元件的 电流为 I 时，
A
B
I D
FE
C
FL
L
B
式中ld为与电流方 向垂直的截面积，n 为 单位体积内自由电子数 (载流子浓度)。则
d
l
UH
A、B- 霍尔电极 C、D-控制电极
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霍尔系数及灵敏度
令 则 RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。 由于金属导体内的载流子浓度大于半导 体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔 系数大于导体。
UM RM IC
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不平衡电势 UH 是主要的零位误差。因为在工 艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等 电位面上。如下图(a)所示。当控制电流 I流过时， 即使末加外磁场，A、B两电极此时仍存在电位差， 此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）UH。
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6、霍尔电势温度系数α 在一定的磁感应强度和控制电 流下，温度变化 1℃时，霍尔电势 变化的百分率称为霍尔电势温度 系数α，单位为1／℃。
I
A
z C y l
D
FL
L
B
d
x A 、 B -霍尔电极
UH
C 、D -控制电极
设图中的材料是Ｎ型半导体，导电的载流 子是电子。在ｚ轴方向的磁场作用下，电子将 受到一个沿ｙ轴负方向力的作用，这个力就是 洛仑兹力。它的大小为：FL=－evB
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电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电 场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力 方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为 式中EH为霍尔电场，e 为电子电量，UH为霍尔 电势。当FL = FE时，电 子的积累达到动平衡， 即
第六章 霍尔传感器
本章主要讲述内容：
1、霍尔传感器的工作原理
2、霍尔元件的基本结构和主要技术指标
3、霍尔元件的测量电路 4、霍尔传感器举例
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第一节 霍尔元件的基本工作原理
概述：
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器， 得到广泛的应用。可以检测磁场及其变化，可 在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以 霍尔效应为其工作基础。
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第二节
霍尔元件的基本结构和 主要技术指标
一、霍尔元件的基本结构组成 由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。
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国产霍尔元件型号的命名方法
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二、主要技术指标
1、额定控制电流IC和最大控制电流ICm 霍尔元件在空气中产生10℃的温升时所施加 的控制电流称为额定控制电流IC。在相同的 磁感应强度下，IC值较大则可获得较大的霍 尔输出。 霍尔元件限制IC的主要因素是散热条件。 随着激励电流的增大，霍尔元件的功耗也随 之增大，元件的温度升高，将引起霍尔电势 的温漂。因此对霍尔元件要规定最大激励电 流。
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连接方式 为了获得较大的霍尔输出电势，可以 采用几片叠加的连接方式。下图(a)为直流 供电，控制电流端并联输出串联。下图(b) 为交流供电，控制电流端串联变压器叠加 输出。
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二、温度误差及其补偿
由于载流子浓度等随温度变化而变化，因 此会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随温 度变化而变化。这种变化程度随不同半导体材 料有所不同。而且温度高到一定程度，产生的 变化相当大。温度误差是霍尔元件测量中不可 忽视的误差。 针对温度变化导致内阻(输入、输出电阻) 的变化，可以采用对输入或输出电路的电阻进 行补偿。
特点：
霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢 固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便， 功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、 水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
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霍尔效应原理图
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霍尔元件 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流 流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生 电动势，这种物理现象称为霍尔效应。
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B
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令 则 KH为霍尔元件的灵敏度。 由上述讨论可知，霍尔元件的灵敏度不仅 与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的 几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大 越好，霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件 的厚度d与KH成反比。
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通过以上分析可知：
1）霍尔电压UH与材料的性质有关 度愈低；
n 愈大，KH 愈小，霍尔灵敏 n 愈小，KH 愈大，但n太小，
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在该电桥的负载电阻RP2上 取出电桥的部分输出电压 （称为补偿电压），与霍尔 元件的输出电压反向串联。 在磁感应强度B为零时，调 节RP1和RP2，使补偿电压抵 消霍尔元件此时输出的不等 位电势，从而使B＝0时的总 输出电压为零。
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优点：采用桥式补偿电路，可以在霍
尔元件的整个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独 立地进行调节。所以，可达到相当高 的补偿精度。
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3、输入电阻Ri和输出电阻R0

Ri是指流过控制电流的电极（简称控制 电极）间的电阻值，R0是指霍尔元件的 霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间 的电阻，单位为Ω。可以在无磁场即B ＝0和室温（20 5）℃时，用欧姆表等 测量。
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若温度变化，则引起输入电阻变化，从 而使输入电流发生改变，最终导致霍尔 电势变化。输出电阻也会随着环境温度 的变化而变化。 适当选择负载与之匹配，可以减小霍尔 电势的温度漂移。
•
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三、不等位电势的补偿 不等位电势是霍尔元件在加 控制电流而不加外磁场时，而出 现的霍尔电势称为零位误差。 在分析不等位电势时，可将 霍尔元件等效为一个电桥，如右 图所示。控制电极A、B和霍尔电 极C、D可看作电桥的电阻连接点。 它们之间分布电阻 R1 、 R2 、 R3 、 R4构成四个桥臂，控制电压可视 为电桥的工作电压。
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第四节 霍尔式传感器举例
一、将被测量转换为磁感应强度B 保持霍尔元件的控制电流I恒定不变，就 可测量磁感应强度B，以及位移、角度等 可直接转换为B的物理量，进一步还可以 测量先转换成位移或角度、然后间接转 换为B的物理量，如振动、压力、速度、 加速度、转速等等。 下面以霍尔式压力传感器为例进行说明。
这样，霍尔电势UH与被测压力P之间的关系就可表示为 UH＝KHIB＝KHIKBKPP＝KP 42 式中 KHIKBKP＝K—霍尔式压力传感器的输出灵敏度。
2检测铁磁物体
在霍尔线性电路背面偏置一个永磁体，如图所示。图（a） 表示检测铁磁物体的缺口，图（b）表示检测齿轮的齿。它 们的电路接法见图。用这种方法可以检测齿轮的转速。
对于一个确定的霍尔元件，可以方 便地获得α、β和R0的值，因此只要使 负载电阻RL满足上式，就可在输出回路 实现对温度误差的补偿了。虽然RL通常 是放大器的输入电阻或表头内阻，其值 是一定的，但可通过串、并联电阻来调 整RL的值。
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（三）采用热敏元件

对于由温度系数较 大的半导体材料 （如锑化铟）制成 的霍尔元件，常采 用右图所示的温度 补偿电路，图中Rt 是热敏元件（热电 阻或热敏电阻）。
用霍尔线性电路检测铁磁物体
用霍尔线性电路检测齿口的线路
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3 无损探伤
霍尔无损探伤已在炮膛探伤、管道探伤，海用缆绳探伤，船体探伤以及材 料检验等方面得到广泛应用。
铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高，磁阻小，磁力线都集中在材料 内部。若材料均匀，磁力线分布也均匀。如果材料中有缺陷，如小孔、裂 纹等，在缺陷处，磁力线会发生弯曲，使局部磁场发生畸变。用霍尔探头 检出这种畸变，经过数据处理，可辨别出缺陷的位置，性质（孔或裂纹） 和大小（如深度、宽度等），图示出两种用于无损探伤的探头结构。
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第三节
霍尔元件的测量电路
一、基本测量电路 控制电流 I 由电源 E 供给， 电位器 R 调节控制电流 I 的大小。 霍尔元件输出接负载电阻 RL ， RL 可以是放大器的输入电阻或 测量仪表的内阻。由于霍尔元 件必须在磁场与控制电流作用 下，才会产生霍尔电势 UH ，所 以在测量中，可以把 I 与 B 的乘积、或者 I，或者 B 作为输入情号，则霍 尔元件的输出电势分别正比于 IB 或 I 或 B。