霍爾傳感器在測量系統中的應用

摘要：根據霍爾元件的工作原理,設計出利用霍爾元件在測量系統中的應用,根據霍爾元件傳感器設計原理和性能指標,設計出所要利用的霍爾元件的材料、尺寸,預測其能達到的效果;確定產生使霍爾元件工作的測試系統,并指出霍爾元件可能產生的誤差及所進行補償措施。

一 概述

1 傳感器

1.1.1傳感器簡介

傳感器傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。這一概念包含下面四個方面的含義：

①傳感器是測量裝置，能完成信號獲取任務。

②它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等。

③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量。

④輸出輸入有對應關系，而且有一定的精確程度。

1.1.2傳感器的組成

傳感器的功用是一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。傳感器一般由敏感元件、轉換元件、轉換電路三部分組成。如圖1-1所示

①敏感元件

它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。

②轉換元件

敏感元件的輸出就是它的輸入，它輸入轉換成電路參數量。

③轉換電路

上述電路參數接入轉換電路，便可以轉換成電路參數量。

實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復雜，也有些是帶反饋的閉環系統。最簡單的傳感器由一個敏感元件組成，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成，沒有轉換電路，如壓電式加速度傳感器，其中質量塊是敏感元件，壓電片是轉換元件。有些傳感器轉換元件不只一個，要經過若干次轉換。

由于傳感器空間限制風其他原因，轉換電路常裝入電箱中。然而，因為不少傳感器要在通過轉換電路之后才能輸出電量信號，從而決定了轉換電路是傳感器的組成部分之一。

1.2霍爾傳感器介紹

集成霍爾傳感器分為線性型、開關型和鎖鍵型等多種,其主要元件均是利用霍爾效應原理制成的.所謂霍爾效應,指的是這樣一種物理現象:如果把通有電流I的導體放在垂直于它的磁場中,則在導體的兩側P1、P2會產生一電勢差UH,它與電流I及磁感應強度B成正比,與導體厚度d成反比,即:UH=K(IB/d),式中K為霍爾系數.霍爾系數越大,表明霍爾效應越顯著。人們常利用某些半導體材料(如鍺、銻化銦)顯著的霍爾效應來制成直流和低頻磁場/電壓變換器。

由穩壓器、霍爾電勢發生器H和信號放大器組成.傳感器的輸出電壓隨外加磁場B的垂直分量大小成線性比例變化,可廣泛應用于位置、厚度、重量、速度及電流等檢測或控制。開關型霍爾傳感器如圖1-2、圖1-3

圖1-2 開關型霍爾傳感器電路圖 圖1-3開關型霍爾傳感器原理圖

霍爾傳工作原理

在磁場作用下，通有電流的金屬片上產生一橫向電位差,這個電壓和磁場及控制電流成正比： VH＝K╳｜H╳IC｜ 。式中VH為霍爾電壓，H為磁場，IC為控制電流，K為霍爾系數。 在半導體中霍爾效應比金屬中顯著，故一般霍爾器件是采用半導體材料制作的。 用霍爾器件，可以進行非接觸式電流測量，眾所周知，當電流通過一根長的直導線時，在導線周圍產生磁場，磁場的大小與流過導線的電流成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測，由于磁場與霍爾器件的輸出有良好的線性關系，因此可利用霍爾器件測得的訊號大小，直接反應出電流的大小，即：I∞B∞VH 。其中I為通過導線的電流，B為導線通電流后產生的磁場，VH為霍爾器件在磁場B中產生的霍爾電壓、當選用適當比例系數時，可以表示為等式?；魻杺鞲衅骶褪歉鶕@種工作原理制成的。