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1、 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng), 但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, 開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。 霍爾傳感器廣泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。 1. 霍爾效應(yīng) 置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體, 當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí), 載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì), 這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)。 任何帶電質(zhì)點(diǎn)在磁場(chǎng)中沿著和磁力線垂直的方向運(yùn)動(dòng)，都要受到磁場(chǎng)力fm 的作用（洛侖磁力），其值大?。?Fm =e B v
2、e電子電荷; v電荷運(yùn)動(dòng)平均速度; B磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 方向左手定則 d B + + + + + + + + + a i b - - - - - - - - - - - - - c P 型 (空穴) 空穴收力F的方向是向上的, 此時(shí)空穴除了沿電流方向作定向運(yùn)動(dòng)外, 還在F的作用下向上漂移, 結(jié)果使金屬導(dǎo)電板上底面積累空穴, 而下底面積累負(fù)電荷, 從而形成了附加內(nèi)電場(chǎng)EH, 稱霍爾電場(chǎng), 該電場(chǎng)強(qiáng)度為 EH= 式中UH為電位差,b為上、下 極板距離?；魻栯妶?chǎng)的出現(xiàn), 使定向運(yùn)動(dòng)的電子除了受洛侖磁力作用外, 還受到霍爾電場(chǎng)的作用力, 其大小為e EH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。 隨著上、下底面積累電荷
3、的增加, 霍爾電場(chǎng)增加, 電子受到的電場(chǎng)力也增加, 當(dāng)電子所受洛侖磁力與霍爾電場(chǎng)作用力大小相等、 方向相反時(shí), 即bUH （霍爾電場(chǎng)力） e EH = e v B（洛侖磁力） 則 EH= v BEH霍爾電場(chǎng)強(qiáng)度； v電荷運(yùn)動(dòng)平均速度； B磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 在磁場(chǎng)和電流方向相同的情況下，所產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)與P型相反。實(shí)驗(yàn)證明，霍爾電勢(shì)UH的大小和控制電流i及磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。即： UH=k i B sin k 霍爾系數(shù)，取決于溫度、材質(zhì)和尺寸； 為電流和磁場(chǎng)方向的夾角 改變 i和B或兩者都改變，霍爾電勢(shì)發(fā)生變化。 霍爾元件由霍爾片、 引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片， 引出四個(gè)引線
4、。1、1兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極；2、2引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極。 霍爾元件殼體由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。 在電路中霍爾元件可用兩種符號(hào)表示，如圖(b)所示。 1） 額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流 當(dāng)霍爾元件自身溫升10時(shí)所流過的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流。 以元件允許最大溫升為限制所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流稱為最大允許激勵(lì)電流。因霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增加而增加, 所以, 使用中希望選用盡可能大的激勵(lì)電流, 因而需要知道元件的最大允許激勵(lì)電流, 改善霍爾元件的散熱條件, 可以使激勵(lì)電流增加。 2） 輸入電阻和輸出電阻 激勵(lì)電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢(shì)對(duì)外電路
5、來說相當(dāng)于一個(gè)電壓源, 其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零且環(huán)境溫度在205時(shí)確定的。 3） 不等位電勢(shì) 當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為 I 時(shí), 若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零, 則它的霍爾電勢(shì)應(yīng)該為零, 但實(shí)際不為零。 這時(shí)測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)稱不等位電勢(shì)。 產(chǎn)生的原因有: 霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位面上; 半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻; 激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布。 不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí), 有時(shí)甚至超過霍爾電勢(shì), 而實(shí)用中要消除不等位電勢(shì)是極其困難的, 因而必須采用在電路中補(bǔ)償?shù)姆椒ā?4） 霍爾電勢(shì)溫度系數(shù) 在一定磁
6、感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下, 溫度每變化1時(shí), 霍爾電勢(shì)變化的百分率稱霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)。它同時(shí)也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。必須在電路上對(duì)霍爾元件溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償 1. 霍爾式微位移傳感器 霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn), 它不僅用于磁感應(yīng)強(qiáng)度, 有功功率及電能參數(shù)的測(cè)量, 也廣泛應(yīng)用在位移測(cè)量。 圖給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖。 圖（a）是磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵, 同極性相對(duì)地放置, 霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0, 因此霍爾元件輸出的霍爾電勢(shì)UH也等于零, 此時(shí)位移x=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對(duì)位移, 霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也
7、隨之改變, 這時(shí)UH不為零, 其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對(duì)位置的變化量, 這種結(jié)構(gòu)的傳感器, 其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá) 5 mm, 分辨率為 0.001mm。 l圖（b）所示是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的霍爾位移傳感器, 由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器, 在x=0 時(shí), 霍爾電壓不等于零。 l圖（c）是一個(gè)由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器, 為了獲得較好的線性分布, 在磁極端面裝有極靴, 霍爾元件調(diào)整好初始位置時(shí), 可以使霍爾電壓UH=0 。 這種傳感器靈敏度很高, 但它所能檢測(cè)的位移量較小, 適合于微位移量及振動(dòng)的測(cè)量 。 圖是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。 磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連, 當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng), 固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖, 檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù), 便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少?zèng)Q定了傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。
霍爾效應(yīng)傳感器變換原理
