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霍尔传感器

2018-1-2 16:28:03 4713 霍尔传感器

0 霍尔传感器的工作原理是基于霍尔效应。霍尔效应：如图４．４２所示，在半导体薄片上垂直加磁场Ｂ，并在半导体的两端（１，２）通以电流ＩＣ，此时移动着的载流子在磁场作用下将受到洛伦兹力ｆＢ的作用。洛伦兹力改变载流子的运动方向，使它们积聚在半导体两端面（３，４）形成静电场，这种静电场对载流子施加一电场力ｆＥ，当ｆＥ＝ｆＢ时，载流子的端面积聚达到动平衡，载流子的运动方向将不偏移，这时在两端面３和４之间建立了一个稳定的霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势ｕＨ，即式中ＲＨ ——— 霍尔系数； δ ——— 元件厚度。这一效应即称霍尔效应。利用霍尔效应，能很方便地测磁通密度Ｂ。只要输入控制电流ＩＣ，并保持电流为常值，通过测量霍尔电势的大小就可测定磁通密度Ｂ。由式（４．４１）可知，当控制电流ＩＣ反向时，霍尔电势的方向也随之变化。当磁场Ｂ方向变化时，输出电势也同时交换方向。因此，霍尔效应不但能测直流磁场，也能测交流磁场。实际上，当测量磁场时，不论测量的是交流磁场还是直流磁场，都希望输出信号是交流电势，这是由于交流电压易于放大和传递。因此在测量直流磁场时，往往不加直流ＩＣ，而是加交流ＩＣ，霍尔电势ｕＨ即为与ＩＣ同频率的交流电势，其幅值与直流磁场Ｂ的幅值成正比。当测量交变磁场时，则用直流控制电流ＩＣ，输出霍尔电势ｕＨ是与交变磁场同频率的交流电势，且其幅值和交变磁场的幅值成正比。２．霍尔元件的选用由于霍尔元件对磁场敏感，因此，可以隔离检测。此外它还具有结构简单、体积小、频响宽、动态范围大（输出电势的变化大）、无活动部件、使用寿命长等优点。在测量技术、自动化技术和信息处理等领域都广泛应用霍尔元件。在式（４．４１）中，３个参数ｕＨ，ＩＣ，Ｂ可任意保持一个参数不变，而将另两个参数分别作输入信号与输出信号；可以任取两个参数作输入变量，而以另一个作输出变量。因此，可灵活地制成各种类型的传感器和器件，供人们选用。（１）霍尔传感器应用最广的一个方面是测定磁感应强度Ｂ，目前霍尔高斯计已得到广泛应用。此外，凡是能改变Ｂ数值的物理量，也都能用霍尔传感器进行测量。如图４．４３所示，在极性相反、磁感应强度相同的２个磁钢的气隙中放置１块霍尔片，当控制电流ＩＣ不变时，霍尔电势ｕＨ与垂直霍尔元件的Ｂ成正比。因为Ｂ和位置ｘ有关，所以测定Ｂ就能确定ｘ。类似这种应用方法，霍尔传感器能广泛用于测量电流、电压、位移、角位移、速度、加速度、压力、流量、液位、转速、振动等参数。（２）利用霍尔电势ｕＨ正比于控制电流ＩＣ和磁感应强度Ｂ的乘积这一特点，在乘法器、函数发生器、功率计等方面也得到了广泛应用。目前，常用的霍尔元件的材料是锗（Ｇｅ）、硅（Ｓｉ）、锑化铟（ＩｎＳｂ）及砷化铟（ＩｎＡｓ）等。在电路中，霍尔片一般可用两种符号来表示，如图４．４４所示。国产霍尔元件用２个字母和１个数字来表示型号。例如：ＨＺ１表示锗材料制成的霍尔元件，它的第一个字母Ｈ代表霍尔元件；第二个字母代表材料（Ｚ代表锗，Ｔ代表锑化铟，Ｓ代表砷化铟）；最后一个数字表示产品序号。这几种材料特性各有不同，特别是温度特性相差较大，图４．４５是４种材料的温度特性。由图可见，锑化铟元件受温度影响最大，因此，这种材料制成的霍尔传感器往往作为敏感元件而不作为测量元件。硅、砷化铟、锗的温度系数都较小，但输出电势也比较小，其中以砷化铟比较好，具有受温度影响小和线性度好的特点，因此，常在测量指示仪表中应用。另外锗也有较好的性能。在不同的场合，要注意选用不同材料制成的霍尔传感器。３．使用时需注意的问题（１）温度补偿。温度对霍尔元件影响较大，它不但影响霍尔元件本身的内阻，也影响霍尔系数的大小。因此，要采取补偿措施。温度对内阻的影响：霍尔元件的输入电阻随温度的变化而变化。例如ＨＺ１型霍尔元件内阻的温度系数约为０．５％，若用恒压源供电，控制电流将随工作温度变化，给测量带来较大误差。消除这一误差的办法是采用恒流源供电。温度对霍尔系数的影响：霍尔系数ＲＨ也会随温度的变化而变化，图４．４５所示的霍尔电势随温度的变化实际上就是霍尔系数的变化引起的。锑化铟的温度系达１．５％，锗的温度系数较好，仅为０．０４％左右。为减小温度误差常用的办法有：① 选用温度系数小的霍尔元件；② 控制电流ＩＣ不要太大，以免霍尔元件发热；③ 采用恒温装置；④ 采用热敏电阻进行补偿，例如，对于锑化铟材料制造的元件，常采用热敏电阻进行补偿，其电路如图４．４６所示。图４．４６（ａ）为输入回路补偿，图中热敏电阻Ｒｔ为负温度系数热敏电阻，它随温度增加电阻相应减少，引起控制电流ＩＣ的增加，正好抵消由于霍尔电势减小而引起的控制电流ＩＣ的减小。图４．４６（ｂ）为输出回路补偿，它的原理和输入回路补偿相似。（２）不等位电势的补偿。当外磁场为零，通入控制电流ＩＣ时，霍尔元件的输出电势应为零。但由于制造工艺等原因，两个霍尔电势的输出极不可能绝对对称地焊接在霍尔片两侧（如图４．４７所示），因此，当控制电流ＩＣ流过霍尔片时，３和４两电极就不处于同一等位面上，这时虽无磁场，３和４间也存在电势差，称为不等位电势。控制电流为直流时的一种不等位电势补偿电路如图４．４８所示。调节电位器的位置，使补偿电压刚好与不等位电势相等且相反，达到无磁场时输出的霍尔电势为零。４．霍尔电流、电压传感器在工业测量中常用的电压、电流传感器大多用到霍尔元件，下面以瑞士莱姆（ＬＥＭ）公司生产的电压、电流传感器为例，对其工作原理作简要介绍。（１）直测式霍尔电流传感器。图４．４９（ａ）所示为直测式霍尔电流传感器原理图，原边电流ＩＰ产生的磁通量聚集在磁路中，由霍尔元件检测出霍尔电势信号，经过放大器放大，该电压信号可以精确地反映原边电流。（２）磁平衡霍尔电流传感器。图４．４９（ｂ）所示为磁平衡霍尔电流传感器原理图，原边电流ＩＰ与霍尔电压经放大产生的副边电流ＩＳ通过副边线圈所产生的磁通量相平衡。副边电流ＩＳ精确地反映原边电流。（３）磁平衡霍尔电压传感器。图４．４９（ｃ）所示为磁平衡霍尔电压传感器原理图，原边电压ＶＰ通过原边电阻Ｒ１转换为原边电流ＩＰ，ＩＰ产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流ＩＳ通过副边线圈所产生的磁通量相平衡。副边电流ＩＳ精确地反映原边电压。（４）霍尔电流、电压传感器的使用。使用电流、电压传感器时，要注意其动、静态性能指标。电压、电流传感器的性能指标同４．１节所述相同，其独特之处涉及部分阶段电参数，这里以ＬＥＭ公司生产的电压传感器ＬＶ２８Ｐ为例，其电参数有：原边额定有效电流ＩＰＮ、原边电流测量范围ＩＰ、测量电阻ＲＭ、副边额定有效电流ＩＳＮ、转换率ＫＮ、电源电压ＶＣ等。转换率ＫＮ可以理解为副边与原边电流之比。ＬＶ２８Ｐ的底板外形如图４．５０（ａ）所示，其连接如图４．５０（ｂ）所示。该传感器原边额定电流为１０ｍＡ，在原边额定电流上，传感器精度最佳，因此应适当选择原边电阻Ｒ１，以便测量与１０ｍＡ的原边电流相应的电压。例如被测电压ＶＰＮ＝２２０Ｖ，选Ｒ１＝２５ｋΩ，则ＩＰ＝８．８ｍＡ，该传感器的转换率ＫＮ为２５００∶１０００，因此副边电流ＩＳ＝２２ｍＡ，副边测量电阻ＲＭ使用手册推荐值为１００～３５０Ω，这里可选ＲＭ＝１５０Ω，则副边电压Ｖ２＝３．３Ｖ。电流传感器的使用与电压传感器类似，也要注意其电参数的范围。购线网 gooxian.com 专业定制各类测试线（同轴线、香蕉头测试线，低噪线等） 0
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