基于线性霍尔元件的位移传感器设计.docx
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基于线性霍尔元件的位移传感器设计
郑州轻工业学院
传感器及应用系统课程设计说明书
基于线性霍尔元件的位移传感器
姓名：
吴富昌
专业班级：
电子信息工程13-01
学号：
9
指导老师：
陆立平
时间：
2016.6.27－2016.7.1
郑州轻工业学院
课程设计任务书
题目基于线性霍尔元件的位移传感器设计
专业、班级电子信息工程13-01学号39姓名吴富昌
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
一、主要内容：
利用线性霍尔元件设计一个位移传感器。
二、基本要求：
（1）设计一个位移传感器，并设计相关的信号处理电路。
（2）为达到误差控制要求，需要对霍尔元件的误差进行补偿校正，主要包含霍尔元件的零位误差及补偿和温度误差及补偿。
（3）完成系统框图和电路原理图的设计和绘制，系统理论分析和设计详细明确，有理有据。
（4）信号处理电路应包含激励信号电路、消除不等位电势补偿电路、放大电路、相敏检波电路和低通滤波电路等。
（5）利用软件仿真，得出主要信号输入输出点的波形，根据仿真结果验证设计功能的可行性、参数设计的合理性。
（6）根据模拟结果计算位移传感器的迟滞误差、线性度和灵敏度等参数。
（7）写出3000～5000字的设计报告，主体文本字号为小四号，标题章节字号依照美观合理原则选择，并合理加黑，字体均为宋体。
三、主要参考资料：
（1）何金田，张斌主编，传感器原理与应用课程设计指南。
哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，2009.01.
（2）周继明，刘先任、江世明等，传感器技术与应用实验指导及实验报告。
长沙：
中南大学出版社，2006.08.
（3）陈育中，霍尔传感器测速系统的设计，科学技术与工程，2010,10：
7529-7532.
完成期限：
2016年6月27日－2016年7月1日
指导教师签章：
专业负责人签章：
2016年6月27日
基于线性霍尔元件的位移传感器设计
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。
霍尔期间以霍尔效应为其工作原理。
当被测物体分别与恒定电流I和恒定磁场B垂直二当被测物体相对于原来位置有微小位移变化时，会产生变化的磁通量，会在导体垂直于磁场和电流的两个端面之间产生电势差，即UH（霍尔电压）。
本文主要研究微小位移与霍尔电压的关系来设计霍尔位移传感器。
关键词霍尔传感器位移霍尔电压
1霍尔元件及其工作原理
1.1霍尔元件
霍尔元件是半导体四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相对两侧对称的焊上两对电极引出线（一对称激励电流端，另一对称霍尔电势输出端），如下图所示。
图1-1霍尔元件结构图
霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等等.
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器。
用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。
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。
霍尔线性器件的精度高、线性度好；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（可达μm级）。
采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。
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——单位体积内载流子或自由电子的个数
q——电子电量；
I——通过的电流；
霍尔元件
B——垂直于I的磁感应强度；
d——导体的厚度。
对于半导体和铁磁金属，霍尔系数表达式与式（19）不同，此处从略。
由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。
1.2霍尔元件工作原理
霍尔元件应用霍尔效应的半导体。
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
（1）RH=1/nq（金属）
（2）式中RH――霍尔系数；n――单位体积内载流子或自由电子的个数；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。
对于半导体和铁磁金属，霍尔系数表达式和式
（2）不同，此处从略。
由于通电导线周围存在磁场，其大小和导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。
利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。
其优点是不和被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。
若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差和电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。
利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。
如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。
根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。
若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。
1.3霍尔元件的主要特性及材料
1.3.1霍尔元件的主要特性参数
灵敏度KH：
表示元件在单位的磁感应强度和单位控制电流所得到的开路霍尔电动势
霍尔输入电阻：
霍尔控制及间的电阻值
霍尔最大允许激励电流：
以霍尔元件允许的最大温度为限所对应的激励电流
不等位电势：
当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。
（不等位电势是由霍尔电极2和之间的电阻决定的，r0称不等位电阻）
寄生直流电势（霍尔元件零位误差的一部分）：
当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势
控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。
两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势
霍尔电势温度系数：
在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1度时，霍尔电势变化的百分率。
图1-2基本应用电路
1.3.2霍尔元件的材料
目前最常用的霍尔元件材料是锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）和不同比例亚砷酸铟和磷酸铟组成的In（AsyP1-y）型固熔体（其中y表示百分比）等半导体材料。
其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。
N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗，但其电子迁移率比较低，带负载能力较差，通常不用作单个霍尔元件。
锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。
砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。
In（AsyP1-y）型固熔体的热稳定性最好。
1.4霍尔传感器简介
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。
霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。
后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。
霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。
通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移等重要参数。
霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。
（1）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。
开关型霍尔传感器还有一种特殊的形式，称为锁键型霍尔传感器。
（2）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。
线性霍尔传感器又可分为开环式和闭环式。
闭环式霍尔传感器又称零磁通霍尔传感器。
线性霍尔传感器主要用于交直流电流和电压测量。
1.5霍尔传感器的应用
按被检测对象的性质可将它们的应用分为：
直接应用和间接应用。
前者是直接检测受检对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，这个磁场是被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电学量来进行检测和控制
但是本次课程设计是基于线性霍尔元件的位移传感器设计。
所以是霍尔传感器的位移测量。
如图所示，两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。
位移是与物体的位置在运动过程中的移动有关的量，目前测量位移的方法相当多，小位移通常使用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔等位移传感器器来测量，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等位移传感器来测量。
位移式传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。
线性霍尔元件位移传感器，因其结构简单、测量线性范围大、测量电路可靠、具有较高的分辨力和灵敏度以及价格低廉等优点，在许多行业的位移测量系统中得以广泛应用。
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。
霍尔器件以霍尔效应为其工作原理。
被测物体分别与恒定电流I和恒定磁场B垂直。
当被测物体相对于原来位置有微小位移变化时，会产生变化的磁通量，会在导体垂直于磁场和电流的两个端面之间产生电势差，即UH（霍尔电压）。
2霍尔元件的误差及补偿
2.1霍尔元件的零位误差与补偿
霍尔元件的零位误差是指无外加磁场或无控制电流情况下霍尔元件产生输出电压并由此产生误差。
它主要表现有以下几种形式：
1）不等位电动势
它是零位误差中最重要的一种，他是当霍尔元件在额定控制电流下，不外加磁场时，霍尔输出端之间的空载电动势。
2）寄生直流电势
再无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不等位电压以外的直流分量
3）感应零电动势
感应零电动势是在未通电流情况下，由于脉动或交变磁场作用在输出端产生的电动势。
4）自激场零电动势
霍尔元件控制电流产生自激场
2.2霍尔元件的温度误差及补偿
2.2.1温度误差产生原因
霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。
其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。
当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。
2.2.2减小霍尔元件的温度误差的方法
选用温度系数小的元件、采用恒温措施、采用恒流源供电、采用适当的补偿电路
图2-1温度补偿电路
3单元电路设计
3.1霍尔电压的放大及霍尔元件的归零校正
图3-1霍尔电压放大及霍尔归零校正
3.2恒流源构成温度度补偿电路
图3-2温度补偿电路
3.3霍尔位移传感器的设计电路图
图3-3霍尔位移传感器设计电路图
4数据的采集和分析
4.1数据的采集
位移X（mm）
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
霍尔电压UH（mv）
0
0.023
0.046
0.069
0.092
0.115
0.139
0.162
0.185
0.208
0.231
表4-1数据采集
4.2数据处理
图4-1位移电压分析
4.3霍尔元件的技术参数
1）测量范围：
由于没弄实物，无法得知该电路的实际测量范围。
但通过查资料可知霍尔式传感器的测量范围一般大约在1到2mm之间
2）输出电压：
如图所示的电路图，应该在0到0.231mV之间（通过电路仿真知道的）。
3）迟滞误差：
因为电路仿真无迟滞误差，所以不确定。
但由于电路有滑动变阻器可以调节，弄实物时迟滞误差应该不会太大。
4）电压灵敏度：
在这里的电压灵敏度为最后电压输出差值与位移差值的比值乘%。
5）精度：
因为电路仿真的精度为百分之百，只有弄出实物才能知道该设计电路的灵敏度。
5总结
通过这次课程设计让我对线性霍尔位移传感器有了更加深刻的认识，同时也是意识到了自己的深刻不足，眼高手低坏毛病。
在这段时间内，我去过图书馆翻阅书籍，也重新研读了教材上的理论知识。
古语云：
“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。
”真的感触颇深，学习时，总感觉听懂了，也就满足了，进而就顺其自然地掩卷不思了，哪里想到学的东西如何运用到生产实践中。
可通过课设，我才恍然大悟，原来真没那么简单，任何东西只要与生产生活相挂钩，那就一定有东西可以挖掘，也就一定有很多知识解决不了现实问题。
如此，我才慢慢开始溯本求源，开始从细微之处肯透知识点，本次课设何不是如此呢？
！
通过霍尔元件的电流应该多大才合适，应<=5mA,（大于5mA后有些霍尔元件的霍尔电压不会随着物体位移的变化而变化，而是为一个定值）这要是在生活中谁会去在意呢但是到了设计中，我们就不得不考虑其四两拨千斤般的作用了，我想也正是通过这些细微末节处，才让我们真切认识到知识是多么神圣与重要，我们要有所成就
就必须认真细心，多学多思，多把理论知识与实践生活联系起来。
此外，通过这次课设，我进一步体会到了工具的重要性，这包括软件操作
工具书等方面。
因为我们不可能学富五车，因而就有必要翻阅文献资料，如设计用到的相关书籍，标准手册等等。
同时，具备较好的计算机水平也会给我们带来巨大的益处，比如数学公式的编辑，图形的绘制等等。
但反过来说，通过这样的课程设计，也会加深我们对工具的了解和形成对其客观的认识，我想这对我们以后在工作和生活中有比较好的视野和思维是有巨大帮扶作用的。
总之，本次课设不仅加强了我对霍尔传感器的认识，更重要的是，它让我掌握了做设计应有的环节与步骤，也使我懂得了如何去结合理论知识分析解决现实问题，同时也让我学到了很多以前没有接触到的知识和相关计算机方面的操作。
参考文献
（1）何金田，张斌主编，传感器原理与应用课程设计指南。
哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，2009.01.
（2）周继明，刘先任、江世明等，传感器技术与应用实验指导及实验报告。
长沙：
中南大学出版社，2006.08.
（3）陈育中，霍尔传感器测速系统的设计，科学技术与工程，2010,10：
7529-7532.
（4）胡向东，传感器与测试技术，机械工业出版社，2015,8.
（5）康华光，电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社，2010,12：
2.
（6）何小艇，电子系统设计。
浙江大学出版社，2008,1.
课程设计成绩评定表
评定项目
内容
满分
评分
总分
学习态度
学习认真，态度端正，遵守纪律。
10
答疑和设计情况
认真查阅资料，勤学好问，提出的问题有一定的深度，分析解决问题的能力较强。
40
说明书质量
设计方案正确、表达清楚；设计思路、实验（论证）方法科学合理；达到课程设计任务书规定的要求；图、表、文字表达准确规范，上交及时。
40
回答问题情况
回答问题准确，基本概念清楚，有理有据，有一定深度。
10
总成绩
采用五级分制：
优、良、中、及格、不及格
指导教师评语：
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