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霍尔传感器

发布日期:2017-12-08 09:47:29 【关闭】
摘要:霍尔传感器的工作原理是基于霍尔效应

   霍尔传感器的工作原理是基于霍尔效应。

gooxian-霍尔效应原理

   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

 

gooxian-霍尔传感器的公式

   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。

  

gooxian-霍尔式位移传感器原理图

   (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:HZ 1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。

  

gooxian-霍尔元件以及材料

   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 HZ 1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。

 

霍尔元件的温度补偿

  (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。

gooxian-霍尔元件1

   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。

gooxian-霍尔电流、电压传感器原理

   (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 LV28 P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。LV28 P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。

 

gooxian-LV28-P连接示意图

 

  

 

 

 

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