第五章+霍尔式传感器复习课程

整理得：RL
R0
（5-15）
对于一个霍尔元件， 、 和 R 0 的值容易获得，所以只
要使负载电阻RL满足（5-15），就可以实现在输出回路中对温度的 补偿。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、并联电路来调整RL的值。
（三）、采用热敏元件
对于由温度系数较大的半导体材料（锑化铟）制成的霍尔元件，常 采用下图的温度补偿电路，Rt –热敏元件（热电阻或热敏电阻）。
L L bd nebd
解得RH=μρ 从上式可知, 霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁 移率μ的乘积。若要霍尔效应强, 则RH值大, 因此要求霍尔 片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。
一般金属材料载流子迁移率很高, 但电阻率很小; 而绝缘 材料电阻率极高, 但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适 于制造霍尔片。目前常用的霍尔元件材料有: 锗、 硅、砷化 铟、 锑化铟等半导体材料。 其中N型锗容易加工制造, 其霍 尔系数、 温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好, 其 霍尔系数、 温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感, 尤 其在低温范围内温度系数大,
5.2霍尔式传感器的基本测量电路
霍尔元件的基本测量电路如右图： 控制电流I由电源E提供，R---调节电阻 用来根据需要改变I的大小。ＲL 可以 是放大器的输入电阻或表头内阻，所加 的外磁场B一般与霍尔元件的平面垂直。
在实际测量中可以把I或B或I*B作为 输入信号，通过霍尔电压输出得到测量 结果。
控制电流可以是交流量。由于建立霍尔效应所需的时间极短，
激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极 输出电势对外电路来说相当于一个电压源, 其电源内 阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零 且环境温度在20℃±5℃时确定的，温度对其有影 响。
3）
当霍尔元件的激励电流为I时, 若元件所处位置磁感应强度为 零, 则它的霍尔电势应该为零, 但实际不为零。 这时测得的空载霍 尔电势称不等位电势。 产生这一现象的原因有: ① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上; ② 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;
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称霍尔电势温度系数。它同时也 是霍尔系数的温度系数。
6）自激场零电动势
当霍尔元件通一输入电流时
该电流就会产生磁场，这个磁场
就称为自激场。见右图 ：
由于元件的左右两半场相等，故产生的电动势方向 相反而抵消。实际应用中由于输入电流引线也产生磁场， 使元件左右两半场不相等，因而有电压输出，该电压就 是自激场零电动势。克服其影响的方法就是在安装输入 电流引线时适当安排。
③ 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。 不等位电势也可用不等位电阻表示
4） 在外加磁场为零, 霍尔元件用交流激励时, 霍尔电极
输出除了交流不等位电势外, 还有一直流电势, 称寄生直 流电势。 其产生的原因有:
① 激励电极与霍尔电极接触不良, 形成非欧姆接触, 造 成整流效果;
② 两个霍尔电极大小不对称, 则两个电极点的热容不 同, 散热状态不同形成极向温差电势。寄生直流电势一般 在 1mV以下, 它是影响霍尔片温漂的原因之一。 5）
产生Um 的原因为等效电桥的四 个桥臂电阻不相等，所以任何能够使 电桥达到平衡的方法都可作为零位电 势的补偿方法。有基本和 温度补偿电路。
（一）基本补偿电路
霍尔元件的零位电动势补偿电路有多种，下图是两种常见电路， 其中Rp是调节电阻。（a ）是在造成电桥不平衡的电阻值较大的一 个桥臂上并联Rp ，通过调节Rp使电桥达到平衡状态，称为不对称 补偿电路。（b）相当于在两个电桥上并联调节电阻，称为对称补 偿电路。
则激励电流I=nevbd, 则
将式上代入式（ EH=vB ）得
IB
I v= b d n e
EH= b d n e
将上式代入式（
）得
IB
UH = ned
式中令RH =1/（ne）, 称之为霍尔常数, 其大小取决于导体
载流子密度，则
UH
=RH
IB d
K HIB
（5 - 1）
式中KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。由式（5 - 1）可见, 霍尔电 势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔常数RH成正比 而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度, 霍尔元件常制成薄片
但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小, 温 度系数也较小, 输出特性线性度好。 下表 为常用国产霍尔元 件的技术参数。
（二）. 霍尔元件基本结构
霍尔元件的结构很简单, 它由霍尔片、 引线和壳体组成, 如 下图 (a)所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四 个引线。1、1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、 2′引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。 霍尔元件壳体由非导 磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成如图（C）。 在电路中霍尔 元件可用三种符号表示，如图(b)所示。
兹力解释。
图 5 – 1（a） 所示, 在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板, 导
电板通以电流I, 方向如图所示。导电板中的电流是金属中自由电
子在电场作用下的定向运动。此时, 每个电子受洛仑磁力fL的作用，
fL大小 ：
fL =eBv
式中: e——电子电荷;
v——电子运动平均速度, 电子定向运动平均速度为v,
保持霍尔元件上所施加的磁感应强度B恒定不变，就可以测量 控制电流I，以及可以转换为I的物理量，如电压等。
恒压驱动电路简单，但性能较差。随着磁感应强度增加，线 性变化坏，仅用于精度要求不太高的场合；
恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小。
三、将被测量转换为I与B 的乘积
种类应用可进行乘积运算，并可测量可以转换为乘积运算 的物理量。可测量单相负载上的无功功率，也可测量三相负载 上的有功功率（I*U*cosφ ）和无功功率（I*U*sinφ ）。
形状。 当I与B的不垂直时霍尔电压为 ： UHKHIBcos
对霍尔片材料的要求, 希望有较大的霍尔常数RH, 霍 尔元件激励极间电阻R=ρL/（bd）, 同时R=UI/I=EIL/I=vL/ （μnevbd）, 其中UI为加在霍尔元件两端的激励电压，EI 为霍尔元件激励极间内电场，v为电子移动的平均速度。 则
为了减小霍尔元件的温度误差, 除选用温度系数小的元件或采 用恒 温措施外, 采用恒流源供电是个有效措施, 可以使霍尔电势稳定。 但也只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流I变化所带 来的影响。也可以使用一些温度补偿的方法。 （一）、采用恒流源提供控制电流 采用恒流源提供恒定的控制电流可以减小温度误差，但元件的灵敏 度Kh 也是温度的系数，对于具有正温度系数的霍尔元件，可在元 件控制极并联分流电阻R来提 高Uh的温度稳定性，如图所示
所以控制电流的频率可高达
1H0z9以上。
一、将被测量转换为磁感应强度B（恒流源）
保持霍尔元件的控制电流I恒定不变，就可以测量磁感应强度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物理量，如振动、压力、速 度、加速度、转速等。
二、将被测量转换为控制电流I（恒压源）
第五章 霍尔式传感器
5.1霍尔式传感器的工作原理 5.2霍尔式传感器的基本测量电路 5.3霍尔式传感器的误差与补偿 5.4霍尔式传感器的应用
霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物 理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应, 但由于金属材料 的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展, 开始 用半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应用 和发展。 霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动 等方面的测量。
（一）. 霍尔效应
1879年美国物理学家霍尔发现：在通有电流的金属板上加一 个强磁场，当电路流方向与磁场方向垂直时，在与电流和磁场都
垂直的金属板的两表面之间出现电动势，这种现象就称为霍尔效
益，这个电动势差称为霍尔电动势。（置于磁场中的静止载流导 体, 当它的电流方向与磁场方向不一致时, 载流导体上平行于电流 和磁场方向上的两个面之间产生电动势, 这种现象称霍尔效应。该 电势称霍尔电势。） 其原理可用带电粒子在磁场中所受到的洛伦
它由恒流源、并联电阻和霍尔元件组成。
令在初始温 T0 时，元件灵敏度系数为 、输入电阻为 ，
当温度由 T0 变化到T ，即有
时，各参数变化为
式中， —霍尔元件输入电阻 的温度系数
—灵敏度 的温度系数
由于温度为T0 时有
在温度为T时有
要使霍尔电势不随温度而变化，必须保证在B 和 I 的值为常数，
温度为 T 和 T0 时有：
二、 霍尔元件的主要特性
1） 当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流
称为额定激励电流。 以元件允许最大温升为限制所
对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电 势随激励电流增加而增加, 所以, 使用中希望选用尽 可能大的激励电流, 因而需要知道元件的最大允许激 励电流, 改善霍尔元件的散热条件, 可以使激励电流 增加。 2）
即有：
那么：
整理得：
当霍尔元件选定以后， 、 、 为定值，其 值可在产品说明书中查到，选择适合的补偿分 流电阻 ，使由于温度引起的误差降至极小。
（二）、合理选择负载电阻
图5-7所示电路中，霍尔电压输出接负载电阻RL，则当温度为
T时RL上的电压表示为： UL
UH
RL RL R0
（5-13）
当温度由T变成 T+△T 时，则RL上的电压变为
5.3霍尔式传感器的误差与补偿
一、零位误差与补偿
在分析零位电动势时，可将霍尔元件等效为一个电桥，如图所 示。控制电极A、B和霍尔电极C、D可看做电桥的电阻连接点，R1、 R2、R3、R4构成四个桥臂，控制电压可看为电桥工作电压。理想 情况下：Um =0,电桥平衡，R1=R2=R3=R4；如霍尔元件的某种结 构原因造成Um ≠0，这时4个电阻的阻值有差异， Um 就是电桥的 不平衡输出电压。