霍尔式加速度传感器

湖南科技大学

课程设计

题目霍尔式加速度传感器

作者伍文斌

学院机电工程学院

专业测控技术与仪器

学号1403030104

指导教师杨淑仪、凌启辉

二零一七年六月二十日

目录

摘要 (3)

第一章霍尔传感器基本原理 (4)

1.1霍尔效应 (4)

1.2霍尔元件 (4)

第二章加速度传感器设计方案 (5)

2.1设计理念 (5)

2.2设计电路图 (6)

2.3电路图解析 (6)

第三章传感器结构参数 (9)

第四章参考文献

摘要

霍尔传感器是基于霍效应而将被测量转化成电动势输出的一种传感器。霍尔元件已发展成一个品种多样的磁传感器产品簇，并且得到广泛的应用。霍尔器件是一种磁传感器，用它可以检测磁场及其变化，可以在各种与磁有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作原理。本文的加速度传感器属于霍尔开关器件，当物体移动时，若使其表面带上一定磁场，当其接近传感器时，会输出高电平，通过计算一定时间内的转的圈数（如汽车轮胎的转动圈数），可以得到物体运动的加速度（如汽车行驶的加速度）。霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽等特点，因此应用广泛。

关键字：霍尔效应；霍尔开关器件；转动；加速度

第一章霍尔传感器基本原理

1.1霍尔效应

所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。

利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为

UH=RHIB/d （18）

RH=1/nq（金属）（19）

式中RH——霍尔系数：

n——载流子浓度或自由电子浓度；

q——电子电量；

I——通过的电流；

B——垂直于I的磁感应强度；

d——导体的厚度。

应该指出：霍尔效应对于一切导电体（导体、金属半导体）都成立。

图1 霍尔效应原理图

1.2霍尔元件

霍尔元件是应用霍尔效应的半导体。一般用于电机中测定转子转速,如录象机的磁鼓,

电脑中的散热风扇等;是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。霍尔元件具有许多优点，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（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

图2 霍尔元件示意图

1.3霍尔元件基本电路

第二章加速度传感器设计方案

2.1设计理念

当有磁场靠近霍尔元件时，霍尔元件将产生电压，撤去磁场，又将恢复低电平。当汽车在马路上行驶时，其轮胎会一起转动，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，

粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。轮胎转动时，霍尔元件将产生脉冲，由此可得到固定时间内汽车轮胎的转动次数N 和转速n,汽车行驶速度nr r v πω2==，以及汽车加速度t v a ∆∆=/。为提高测量的灵敏度，在轮胎上等距离的安装多个永久磁铁。

2.2设计电路图

其中霍尔元件用其等效电路代替（其原理见2.3）

图3 电路图 2.3电路图解析

a 霍尔元件的零位误差补偿电路

所谓零位误差,就是指在无外加磁场或无控制电流的情况下,霍尔元件产生输出电压并由此而产生的误差称为零位误差。它主要表现为以下几种具体形式:(1)不等位电动势(2)寄生直流电势（3)感应零电势（4)自激场零电势。

在实验中发现,对于霍尔元件来说,不等位电动势与不等位电阻是一致的,因此,可以将霍尔元件等效为一个电桥,并通过调整其电阻的方法来进行补偿图4为霍尔元件的结构,其中A 、B 为控制电极,C 、D 为霍尔电极,在极间分布的电阻用R1、R2、R3、R4表示,等效电路如图5所示。

在理想情况下,R1=R2=R3=R4,即可取得零位电动势为零(或零位电阻为零),从而消除不等位电动势。实际上,若存在零位电动势,则说明此4个电阻不完全相等即电桥不平衡。为使其达到平衡,可在阻值较大的桥臂上并联可调电阻RP或在两个臂上同时并联电阻RP和R。理论上可采用三种调整方案,第一种方案为单桥臂挂可调电阻,如图6所示;第二和第三种方案为双桥臂挂可调电阻,如图7、图8所示。

本次设计以图8所示电路作为霍尔元件的补偿电路,不但电路简单,而且测量精度高、容易操作,可作为霍尔元件补偿电路的首选。

b霍尔元件的温度补偿电路

霍尔元件受温度的影响较大，必须进行温度补偿，常见的温度补偿有（1）采用恒流源供

R的阻值（3）采用恒压源和输入回路串联电和输入回路并联电阻（2）合理选取负载电阻L

电阻（4）采用温度补偿元件（5）桥路补偿电路。

本次设计采用恒流源供电和输入回路并联电阻进行温度补偿。

图9 补偿电路

C放大电路

本次设计使用UA741集成放大器进行放大。

图10 放大电路第三章传感器结构参数

图11

第四章参考文献

[1] 唐文彦.传感器.第5版[M] .北京:机械工业出版社. 2014,1:83-87

[2] 李醒飞.测控电路.第5版[M].北京:机械工业出版社.2006,1.

[3] 徐恕宏.传感器原理及其设计基础[M].北京:机械工业出版社.1989.

[4] 李科杰.新编传感器技术手册[M].国防工业出版社.2002,1.

[5] 刘迎春,叶湘滨.传感器原理设计与应用[M].国防科技大学出版社.2004.

[6]丁镇生.传感器及传感器技术应用[M].电子工业出版社.1997,10.