霍尔效应原理图PPT文档格式.ppt
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它的大小为:
FL=evB,FL,2022/10/7,6,电荷的聚积必将产生静电场,即为霍尔电场,该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反,将阻止电子继续偏转,其大小为,式中EH为霍尔电场,e为电子电量,UH为霍尔电势。
当FL=FE时,电子的积累达到动平衡,即,所以,FL,FE,2022/10/7,7,设流过霍尔元件的电流为I时,,式中ld为与电流方向垂直的截面积,n为单位体积内自由电子数(载流子浓度)。
则,I,A,D,B,C,B,l,L,d,U,H,A、B-,霍尔电极,C、D-,控制电极,FL,FE,2022/10/7,8,令,RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。
由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度,所以,半导体霍尔系数大于导体。
霍尔系数及灵敏度,则,2022/10/7,9,KH为霍尔元件的灵敏度。
由上述讨论可知,霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关,还与霍尔元件的几何尺寸有关。
一般要求霍尔元件灵敏度越大越好,霍尔元件灵敏度的公式可知,霍尔元件的厚度d与KH成反比。
令则,2022/10/7,10,通过以上分析可知:
1)霍尔电压UH与材料的性质有关n愈大,KH愈小,霍尔灵敏度愈低;
n愈小,KH愈大,但n太小,需施加极高的电压才能产生很小的电流。
因此霍尔元件一般采用N型半导体材料,2022/10/7,11,2)霍尔电压UH与元件的尺寸有关。
d愈小,KH愈大,霍尔灵敏度愈高,所以霍尔元件的厚度都比较薄,但d太小,会使元件的输入、输出电阻增加。
霍尔电压UH与控制电流及磁场强度成正比,当磁场改变方向时,也改变方向。
2022/10/7,12,若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度,则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为Bcos,因此UH=KHIBcos,2022/10/7,13,3)P型半导体,其多数载流子是空穴,也存在霍尔效应,但极性和N型半导体的相反。
4)霍尔电压UH与磁场B和电流I成正比,只要测出UH,那么B或I的未知量均可利用霍尔元件进行测量。
2022/10/7,14,一、霍尔元件的基本结构组成由霍尔片、四根引线和壳体组成,如下图示。
第二节霍尔元件的基本结构和主要技术指标,2022/10/7,15,国产霍尔元件型号的命名方法,2022/10/7,16,二、主要技术指标,1、额定控制电流IC和最大控制电流ICm霍尔元件在空气中产生10的温升时所施加的控制电流称为额定控制电流IC。
在相同的磁感应强度下,IC值较大则可获得较大的霍尔输出。
霍尔元件限制IC的主要因素是散热条件。
随着激励电流的增大,霍尔元件的功耗也随之增大,元件的温度升高,将引起霍尔电势的温漂。
因此对霍尔元件要规定最大激励电流。
2022/10/7,17,一般锗元件的最大允许温升Tm80,硅元件的Tm175。
当霍尔元件的温升达到Tm时的电流就是最大控制电流ICm。
2022/10/7,18,霍尔元件的乘积灵敏度定义为在单位控制电流和单位磁感应强度下,霍尔电势输出端开路时的电势值,其单位为V(AT),它反应了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力,一般希望它越大越好。
2、乘积灵敏度KH,其定义,2022/10/7,19,3、输入电阻Ri和输出电阻R0,Ri是指流过控制电流的电极(简称控制电极)间的电阻值,R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极(简称霍尔电极)间的电阻,单位为。
可以在无磁场即B0和室温(205)时,用欧姆表等测量。
2022/10/7,20,若温度变化,则引起输入电阻变化,从而使输入电流发生改变,最终导致霍尔电势变化。
输出电阻也会随着环境温度的变化而变化。
适当选择负载与之匹配,可以减小霍尔电势的温度漂移。
2022/10/7,21,3.最大磁感应强度BM,由霍尔效应可知,磁感应强度的增加将使霍尔电势的输出增加。
但磁感应强度若超过一定的界限,霍尔电势的非线性明显增加,故规定了BM来抑制非线性。
2022/10/7,22,在额定控制电流Ic之下,不加磁B0时,霍尔电极间的空载霍尔电势UH0,称为不平衡(不等位)电势,单位为mV。
一般要求霍尔元件的UH1mV,好的霍尔元件的UH可以小于0.1mV。
不等位电势和额定控制电流Ic之比为不等位电阻RM,即,5、不等位电势UM和不等位电阻RM,2022/10/7,23,不平衡电势UH是主要的零位误差。
因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上。
如下图(a)所示。
当控制电流I流过时,即使末加外磁场,A、B两电极此时仍存在电位差,此电位差被称为不等位电势(不平衡电势)UH。
2022/10/7,24,在一定的磁感应强度和控制电流下,温度变化1时,霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数,单位为1。
6、霍尔电势温度系数,2022/10/7,25,一、基本测量电路控制电流I由电源E供给,电位器R调节控制电流I的大小。
霍尔元件输出接负载电阻RL,RL可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。
由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下,才会产生霍尔电势UH,所以在测量中,可以把I,第三节霍尔元件的测量电路,与B的乘积、或者I,或者B作为输入情号,则霍尔元件的输出电势分别正比于IB或I或B。
2022/10/7,26,为了获得较大的霍尔输出电势,可以采用几片叠加的连接方式。
下图(a)为直流供电,控制电流端并联输出串联。
下图(b)为交流供电,控制电流端串联变压器叠加输出。
连接方式,2022/10/7,27,由于载流子浓度等随温度变化而变化,因此会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随温度变化而变化。
这种变化程度随不同半导体材料有所不同。
而且温度高到一定程度,产生的变化相当大。
温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。
针对温度变化导致内阻(输入、输出电阻)的变化,可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。
二、温度误差及其补偿,2022/10/7,28,合理选择负载电阻,如上图所示,若霍尔电势输出端接负载电阻RL,则当温度为T时,RL上的电压可表示为:
式中R0霍尔元件的输出电阻。
2022/10/7,29,当温度由T变为T+T时,则RL上的电压变为,式中霍尔电势的温度系数;
霍尔元件输出电阻的温度系数。
要使UL不受温度变化的影响,即UL0,由上两式可知,必须,对上式进行整理可得,2022/10/7,30,对于一个确定的霍尔元件,可以方便地获得、和R0的值,因此只要使负载电阻RL满足上式,就可在输出回路实现对温度误差的补偿了。
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、并联电阻来调整RL的值。
2022/10/7,31,(三)采用热敏元件,对于由温度系数较大的半导体材料(如锑化铟)制成的霍尔元件,常采用右图所示的温度补偿电路,图中Rt是热敏元件(热电阻或热敏电阻)。
2022/10/7,32,图(a)是在输入回路进行温度补偿电路,当温度变化时,用Rt的变化来抵消霍尔元件的乘积灵敏度KH和输入电阻Ri变化对霍尔输出电势UH的影响。
2022/10/7,33,图(b)则是在输出回路进行温度补偿的电路,当温度变化时,用Rt的变化来抵消霍尔电势UH和输出电阻R0变化对负载电阻RL上的电压UL的影响。
在安装测量电路时,应使热敏元件和霍尔元件的温度一致。
2022/10/7,34,不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时,而出现的霍尔电势称为零位误差。
在分析不等位电势时,可将霍尔元件等效为一个电桥,如右图所示。
控制电极A、B和霍尔电极C、D可看作电桥的电阻连接点。
它们之间分布电阻R1、R2、R3、R4构成四个桥臂,控制电压可视为电桥的工作电压。
三、不等位电势的补偿,2022/10/7,35,理想情况下,不等位电势UM=0,对应于电桥的平衡状态,此时R1R2R3R4。
如果霍尔元件的UM0,则电桥就处于不平衡状态,此时R1、R2、R3、R4的阻值有差异,UM就是电桥的不平衡输出电压。
只要能使电桥达到平衡的方法都可作为不等位电势的补偿方法。
2022/10/7,36,
(一)基本补偿电路,霍尔元件的不等位电势补偿电路有多种形式,图97为两种常见电路,其中RW是调节电阻。
基本补偿电路没有考虑温度变化的影响。
当温度发生变化,需要重新进行平衡调节。
2022/10/7,37,
(二)具有温度补偿的补偿电路,右图是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路。
该补偿电路本身也接成桥式电路,其工作电压有霍尔元件的控制电压提供;
其中一个为热敏电阻Rt,并且于霍尔元件的等效电阻的温度特性相同。
2022/10/7,38,在该电桥的负载电阻RP2上取出电桥的部分输出电压(称为补偿电压),与霍尔元件的输出电压反向串联。
在磁感应强度B为零时,调节RP1和RP2,使补偿电压抵消霍尔元件此时输出的不等位电势,从而使B0时的总输出电压为零。
2022/10/7,39,优点:
采用桥式补偿电路,可以在霍尔元件的整个温度范围内对不等位电势进行良好的补偿,并且对不等位电势的恒定部分和变化部分的补偿可独立地进行调节。
所以,可达到相当高的补偿精度。
2022/10/7,40,第四节霍尔式传感器举例,一、将被测量转换为磁感应强度B保持霍尔元件的控制电流I恒定不变,就可测量磁感应强度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的物理量,如振动、压力、速度、加速度、转速等等。
下面以霍尔式压力传感器为例进行说明。
2022/10/7,41,图9-9霍尔压力传感器结构原理图,霍尔式压力传感器,2022/10/7,42,霍尔式压力传感器由两部分组成:
一部分是弹性敏感元件的波登管用以感受压力P,并将P转换为弹性元件的位移量x,即xKPP,其中系数KP为常数。
另一部分是霍尔元件和磁系统,磁系统形成一个均匀梯度磁场,如右图所示,在其工作范围内,BKBx,其中斜率KB为常数;
霍尔元件固定在弹性元件上,因此霍尔元件在均匀梯度磁场中的位移也是x。
这样,霍尔电势UH与被测压力P之间的关系就可表示为UHKHIBKHIKBKPPKP式中KHIKBKPK霍尔式压力传感器的输出灵敏度。
2022/10/7,43,2检测铁磁物体在霍尔线性电路背面偏置一个永磁体,如图所示。
图(a)表示检测铁磁物体的缺口,图(b)表示检测齿轮的齿。
它们的电路接法见图。
用这种方法可以检测齿轮的转速。
用霍尔线性电路检测铁磁物体用霍尔线性电路检测齿口的线路,2022/10/7,44,3无损探伤霍尔无损探伤已在炮膛探伤、管道探伤,海用缆绳探伤,船体探伤以及材料检验等方面得到广泛应用。
铁磁材料受到磁场激励时,因其导磁率高,磁阻小,磁力线都集中在材料内部。
若材料均匀,磁力线分布也均匀。
如果材料中有缺陷,如小孔、裂纹等,在缺陷处,磁力线会发生弯曲,使局部磁场发生畸变。
用霍尔探头检出这种畸变,经过数据处理,可辨别出缺陷的位置,性质(孔或裂纹)和大小(如深度、宽度等),图示出两种用于无损探伤的探头结构。
(a)无损探伤的探头结构(b)检测板