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1、新 疆 农 业 大 学机 械 交 通 学 院 课 程 论 文课 程 名 称 ： 传 感 器 原 理 及 工 程 应 用论 文 题 目 ： 霍 尔 传 感 器 的 工 作 原 理 及实 际 应 用班 级 ： 电 气 102姓 名 ： 胡 强学 号 ： 103736209指 导 教 师 ： 艾 海 提霍 尔 传 感 器 的 工 作 原 理 及 实 际 运 用胡 强摘 要 ： 霍 尔 器 件 是 一 种 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 器 件 以 霍 尔 效 应 为 其 工 作 基 础

2、。 霍 尔 器 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 1 MHZ） ， 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 m 级 ） 。 取 用 了 各 种 补 偿 和 保 护 措 施的 霍 尔 器 件

3、的 工 作 温 度 范 围 宽 ， 可 达 5 5 1 5 0 。关 键 词 ： 霍 尔 器 件 ； 霍 尔 效 应 ； 检 测 ； 补 偿 ；前 言 因 为 霍 尔 器 件 的 应 用 原 理 简 单 ， 信 号 处 理 方 便 ， 器 件 本 身 又 具 有 一 系 列 的独 特 优 点 ， 使 其 应 用 组 合 千 变 万 化 。 作 为 一 种 磁 场 传 感 器 和 磁 电 转 换 的 基 础 器 件 ，随 着 人 们 对 它 的 熟 悉 和 了 解 ， 它 们 将 象 其 他 传 感 器 等 基 础 器 件 一 样 ， 在 各 种 信 息采 集 和 处 理 中 发 挥 越 来 越

4、 重 要 的 作 用 。 所 以 各 种 功 能 的 集 成 霍 尔 传 感 器 在 工 业 、交 通 、 通 讯 等 领 域 的 自 动 控 制 中 得 到 了 大 量 的 应 用 . 如 磁 感 应 强 度 的 测 量 、 角 度和 位 移 的 测 量 、 周 期 和 转 速 的 测 量 、 液 位 控 制 、 产 品 计 数 、 车 辆 行 程 计 量 等 。1 霍 尔 效 应 及 霍 尔 元 件如 图 1 所 示 ， 在 一 块 通 电 的 半 导 体 薄 片 上 ， 加 上 和 片 子 表 面 垂 直 的 磁 场 B，在 薄 片 的 横 向 两 侧 会 出 现 一 个 电 压 ， 如

5、 图 1 中 的 VH， 这 种 现 象 就 是 霍 尔 效 应 ，VH 称 为 霍 尔 电 压 。（ a） 霍 尔 效 应 和 霍 尔 元 件这 种 现 象 的 产 生 ， 是 因 为 通 电 半 导 体 片 中 的 载 流 子 在 磁 场 产 生 的 洛 仑 兹 力 的作 用 下 ， 分 别 向 片 子 横 向 两 侧 偏 转 和 积 聚 ， 因 而 形 成 一 个 电 场 ， 称 作 霍 尔 电 场 。霍 尔 电 场 产 生 的 电 场 力 和 洛 仑 兹 力 相 反 ， 它 阻 碍 载 流 子 继 续 堆 积 ， 直 到 霍 尔 电 场力 和 洛 仑 兹 力 相 等 。 这 时 ， 片

6、 子 两 侧 建 立 起 一 个 稳 定 的 电 压 ， 这 就 是 霍 尔 电 压 。在 片 子 上 作 四 个 电 极 ， 其 中 C1、 C2 间 通 以 工 作 电 流 I， C1、 C2 称 为 电 流 电 极 ，C3、 C4 间 取 出 霍 尔 电 压 VH， C3、 C4 称 为 敏 感 电 极 。 将 各 个 电 极 焊 上 引 线 ，并 将 片 子 用 塑 料 封 装 起 来 ， 就 形 成 了 一 个 完 整 的 霍 尔 元 件 （ 又 称 霍 尔 片 ） 。霍 尔 元 件 可 用 多 种 半 导 体 材 料 制 作 ， 如 Ge、 Si、 InSb、 GaAs、 InAs

7、、 InAsP以 及 多 层 半 导 体 异 质 结 构 量 子 阱 材 料 等 等 。InSb 和 GaAs 霍 尔 元 件 输 出 特 性 见 图 1(a)、 图 1(b).（ a） InSb 霍 尔 元 件 的 输 出 特 性(b)GaAs 霍 尔 元 件 的 输 出 特 性2 霍 尔 传 感 器 的 工 作 原 理按 照 霍 尔 器 件 的 功 能 可 将 它 们 分 为 :霍 尔 线 性 器 件 和 霍 尔 开 关 器 件 。 前 者 输出 模 拟 量 ， 后 者 输 出 数 字 量 。 按 被 检 测 的 对 象 的 性 质 可 将 它 们 的 应 用 分 为 :直 接应 用 和

8、间 接 应 用 。 前 者 是 直 接 检 测 出 受 检 测 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 ， 用 这 个 磁 场 来 作 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 力 、 力 矩 、 压 力 、 应 力 、 位 置 、 位 移 、 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 量来 进 行 检 测 和 控 制 。霍 尔 线 性 电 路 ,

9、 它 由 霍 尔 元 件 、 差 分 放 大 器 和 射 极 跟 随 器 组 成 。 其 输 出 电压 和 加 在 霍 尔 元 件 上 的 磁 感 强 度 B 成 比 例 ， 它 的 功 能 框 图 和 输 出 特 性 示 于 图 2和 图 3。图 2 霍 尔 线 性 电 路 的 功 能 框 图图 3 霍 尔 线 性 电 路 UG N3501 的 磁 电 转 换 特 性 曲 线差 动 霍 尔 电 路 (双 霍 尔 电 路 )， 它 的 霍 尔 电 压 发 生 器 由 一 对 相 距 2.5m m 的 霍尔 元 件 组 成 ， 其 功 能 框 图 见 图 6。图 6 差 动 霍 尔 电 路 的

10、工 作 原 理 图使 用 时 在 电 路 背 面 放 置 一 块 永 久 磁 体 ， 当 用 铁 磁 材 料 制 成 的 齿 轮 从 电 路 附近 转 过 时 ， 一 对 霍 尔 片 上 产 生 的 霍 尔 电 压 相 位 相 反 ， 经 差 分 放 大 后 ， 使 器 件 灵 敏度 大 为 提 高 。 用 这 种 电 路 制 成 的 汽 车 齿 轮 传 感 器 具 有 极 优 的 性 能 。霍 尔 开 关 电 路 又 称 霍 尔 数 字 电 路 ， 由 稳 压 器 、 霍 尔 片 、 差 分 放 大 器 ， 斯 密特 触 发 器 和 输 出 级 组 成 。 由 霍 尔 效 应 原 理 可 知

11、 , 当 霍 尔 片 处 于 磁 场 中 , 并 在 垂 直于 磁 场 的 方 向 上 通 以 电 流 时 , 霍 尔 片 上 与 电 流 和 磁 场 垂 直 的 方 向 上 将 会 有 霍 尔电 势 差 V H= K B I输 出 . 当 通 过 霍 尔 片 的 电 流 恒 定 不 变 时 , 改 变 磁 场 的 大 小 , 可 以改 变 霍 尔 电 势 差 V H.开 关 型 霍 尔 传 感 器 由 稳 压 器 A、 硅 霍 尔 片 B、 差 分 放 大 器 C、施 密 特 触 发 器 D和 OC门 输 出 E 五 部 分 组 成 , 如 图 1 所 示 . 从 输 入 端 1 输 入 电

12、 压VCC, 经 稳 压 器 A 稳 压 后 加 在 硅 霍 尔 片 B的 两 端 , 以 提 供 恒 定 不 变 的 工 作 电 流 .在 垂 直 于 霍 尔 片 的 感 应 面 方 向 施 加 磁 场 , 产 生 霍 尔 电 势 差 V H,该 V H信 号 经 差 分放 大 器 C放 大 后 送 至 施 密 特 触 发 器 D 整 形 . 当 磁 场 达 到 “ 工 作 点 ” ( 即 Bop) 时 ,触 发 器 D 输 出 高 电 压 ( 相 对 于 地 电 位 ) , 使 三 极 管 E导 通 , 输 出 端 V o输 出 低 电 位 ,此 状 态 称 为 “ 开 ” .图 1 开

13、关 型 霍 尔 传 感 器 构 成当 施 加 的 磁 场 达 到 “ 释 放 点 ” ( 即 Brp) 时 , 触 发 器 D 输 出 低 电 压 , 使 三极 管 E 截 止 , 输 出 端 V o 输 出 高 电 位 , 此 状 态 称 为 “ 关 ” .这 样 2 次 高 低 电 位 变换 , 使 霍 尔 传 感 器 完 成 了 1 次 开 关 动 作 . 如 图 2 所 示 . Bop- B rp 称 为 磁 滞 .在 此差 值 内 , 输 出 电 位 Vo 保 持 高 电 位 或 低 电 位 不 变 , 因 而 输 出 稳 定 可 靠 .图 2 开 关 型 霍 尔 传 感 器 输 出

14、 电 压 与 外 加 磁 感 应 强 度 关 系3 开 关 型 霍 尔 传 感 器 的 工 程 实 现开 关 型 霍 尔 传 感 器 的 设 计 方 案 很 多 , 这 里 提 供 一 种 工 程 上 实 用 的 实 施 方 案 .3 . 1 元 件 的 选 择 与 确 定硅 霍 尔 片 灵 敏 度 K = 2 1 . 7 mV/ ( mA T ) ,工 作 电 流 的 范 围 为 0 1 0 mA, 本 文将 工 作 电 流 定 为 4 mA.选 用 的 磁 钢 是 直 径 为 D-= 1 1 . 8 1 2 m m,厚 度 为 h-= 3 . 8 0 6 mm的 钕 铁 硼 .选 用 的

15、施 密 特 触 发 器 为 CD4 0 1 0 6 ( 六 反 相 器 ) . 当 电 源 电 压 为 VCC=1 5 V 时 , 触 发 器 正 触 发 的 阈 值 电 压 为 8 . 3 V, 负 触 发 的 阈 值 电 压 为 5 . 2 V( 实 测 ) .初 步 选 定 霍 尔 开 关 的 “ 工 作 点 ” 为 Bop=7 0 mT ,此 时 磁 钢 与 霍 尔 片 的距 离 为 r =4 . 2 m m. 根 据 霍 尔 效 应 原 理 , 当 Bop= 7 0 mT 时 ,霍 尔 电 势 差 为 VH=6 . 1 mV. 若 要 使 D 触 发 器 输 出 转 换 为 高 电

16、平 , 它 的 输 入 要 大 于 8 . 3 V,要 将 V H 放大 1 3 6 0 倍 以 上 . 由 此 增 益 推 出 , 若 要 使 D 触 发 器 输 出 转 换 为 低 电 平 , 它 的 输入 要 小 于 5 . 2 V, 对 应 的 VH 小 于 3 . 8 mV, “ 释 放 点 ” 为 B rp= 4 4 mT ,此 时 磁 钢 与霍 尔 片 的 距 离 为 r =5 . 4 m m.硅 霍 尔 片 提 供 的 差 模 直 流 信 号 V H放 大 后 要 用 单 端 方式 输 出 , 虽 然 它 的 差 模 信 号 只 有 几 m V, 但 是 共 模 噪 声 可 高

17、 达 几 V, 且 差 模 信 号的 放 大 倍 数 要 求 上 千 倍 之 高 , 因 此 放 大 器 减 小 输 入 漂 移 、 噪 声 的 能 力 和 抑 制 共 模信 号 的 能 力 等 因 素 对 总 的 精 度 至 关 重 要 . 考 虑 到 上 述 这 些 特 点 , 若 采 用 单 级 放 大 ,一 个 微 小 的 扰 动 都 会 使 输 出 达 到 饱 和 , 而 且 单 级 放 大 倍 数 过 大 容 易 引 起 线 路 自激 振 荡 , 同 时 降 低 频 带 宽 度 . 通 过 对 多 种 方 案 的 试 验 、 比 较 , 我 们 认 为 应 该 采 用多 级 放 大

18、 , 本 实 验 中 采 用 的 2 级 放 大 的 高 输 入 阻 抗 差 分 放 大 器 效 果 最 好 .所 设 计的 开 关 型 霍 尔 传 感 器 的 电 路 如 图 3 所 示 , 其 中 : A1 A4 运 算 放 大 器 全 部 采用 1 5 V电 源 .3 . 2 差 分 放 大 器 的 设 计 3 . 2 . 1 输 入 电 阻 仅 使 用 2 个 放 大 器 的 高输 入 阻 抗 放 大 电 路 如 图 3 中 的 虚 线 框 ( 1 ) 部 分 , 它 是 2 个 同 相 放 大 器 的 简 单 串联 组 合 , 差 动 输 入 信 号 从 2 个 放 大 器 的 同

19、相 端 送 入 , 从 而 获 得 很 高 的 输 入 电 阻 .根 据 运 算 放 大 器 的 理 论 知 识 , 由 图 3 不 难 看 出 , 差 动 输 入 电 阻 几 乎 就 是 2 个 运算 放 大 器 的 共 模 输 入 电 阻 之 和 . 当 A1 , A2 的 共 模 输 入 电 阻 rC 相 等 时 , 本 电 路的 差 动 输 入 电 阻 可 表 示 为 r id 2 rC ( 1 )共 模 输 入 电 阻 为 r iC 1 2 rC ( 2 )3 .2 差 分 放 大 电 路 的 增 益图 3 开 关 型 霍 尔 传 感 器 电 路 图设 V P = 0 ,图 3 中

20、的 A2 是 同 相 比 例 运 算 放 大 器 , 它 的 输 出 电 压 为(3 )A1 是 双 端 输 入 比 例 运 算 放 大 器 , 它 的 输 出 电 压 为因 为 在 实 际 应 用 中 , 输 入 端 除 了 差 动 输 入 电 压 VH 外 , 还 有 共 模 输 入 电 压 ViC, 因 此 输 入 端 的 信 号 可 以 表 示 为把 ( 5 ) 式 代 入 ( 4 ) 式 整 理 后 得为 了 使 共 模 增 益 为 零 , 显 然 , 电 路 的 外 部 回 路 电 阻 应 按 下 式 匹 配(7 )可 选 择 R 5 = R 6 , R 4 = R7 , R2 =

21、 R3 .这 样 理 想 的 差 分 放 大 电 路 增 益 为在 实 验 过 程 中 发 现 , 各 类 差 动 放 大 电 路 都 有 零 位 输 出 , 且 很 难 通 过 运 放 本身 调 零 , 这 就 影 响 了 实 验 的 准 确 性 . 因 此 为 第 1 级 放 大 电 路 设 计 了 外 部 调 零 线路 , 如 图 3 的 虚 线 框 ( 2 ) 部 分 .在 进 行 外 部 调 零 时 , Vi1 , V i2 均 为 零 . 当 电 位 计 P1的 中 点 滑 到 A 点 时 , 有滑 到 B 点 时 , 有设 计 要 求 R 8 = R1 0 , R9 = R1 1

22、 ,则 V B = - V A .这 样 电 位 计 P1 上 的 电 压 V P 可 在V B 与 V A 之 间 调 节 . 当 输 入 V i1 , V i2 为 零 时 , 通 过 调 节 P 1 ,使 得 V o1 = 0 .甚 至 如果 只 要 求 输 入 为 零 时 , 使 V o4 = 0 也 可 以 达 到 .电 路 中 运 放 采 用 的 是 双 电 源 制 , 这 样 , 对 钕 铁 硼 的 极 性 不 做 要 求 时 , 对 应 的差 动 放 大 器 的 输 出 就 可 以 为 正 或 负 . 因 此 , 第 2 级 放 大 采 用 的 是 绝 对 值 电 路 ,如 图

23、 3 的 虚 线 框 ( 3 ) 部 分 , 设 计 要 求 R 1 2 = R 1 3 = R1 4 = 2 R 1 6 = R .当 V o1 0 时 ,D2导 通 , 有 这 样 , 无 论 钕 铁 硼 的 N 极 还 是 S 极 与 霍 尔 片 相 对 , 第 2 级 运 放 均 输出 正 电 压 , 以 便 控 制 D 触 发 器 和 OC 门 的 正 常 工 作 . 其 增 益 为 A 2 =R /1 7 R.4 结 果 与 分 析通 过 选 配 电 阻 , 再 经 过 外 部 调 零 , 使 得 第 1 级 的 放 大 倍 数 为 A 1 = 3 4 2 ,第 2级 的 放 大

24、倍 数 为 A 2 = 4 ,总 的 放 大 倍 数 为 A = A 1 *A 2 = 1 3 6 8 .在 不 同 外 部 条 件 下 进行 测 量 , 其 稳 定 性 高 , 与 理 论 值 符 合 性 好 , 输 出 的 高 、 低 电 位 转 换 点 可 靠 , 稳 定 。该 设 计 线 路 的 优 越 性 在 于 :1 ) 由 2 个 运 放 组 成 的 差 动 放 大 电 路 的 精 度 高 , 且 与 由 3 个 运 放 组 成 的 差动 放 大 电 路 相 比 ,性 价 比 较 好 ;2 ) 可 靠 的 外 部 调 零 线 路 保 证 了 输 出 的 准 确 性 ;3 ) 绝

25、对 值 放 大 电 路 使 得 测 量 时 不 需 要 进 行 磁 极 判 断 .通 过 本 实 验 的 设 计 与完 成 , 使 学 生 进 一 步 了 解 了 物 理 原 理 在 其 他 领 域 的 应 用 , 同 时 也 看 到 将 理 论 应 用到 工 程 实 践 中 去 , 还 需 要 具 备 很 多 其 他 学 科 的 知 识 , 还 需 要 在 工 程 实 践 中 不 断 总结 经 验 .参 考 文 献 : 1 何 希 才 . 传 感 器 及 其 应 用 电 路 M . 北 京 : 电 子 工 业 出版 社 , 2 0 0 1 . 1 0 0 1 0 8 . 2 焦 丽 凤 . 集 成 开 关 型 霍 尔 传 感 器 在 测 量 物 体 转 动 惯量 中 的 应 用 J. 实 验 室 探 索 与 研 究 , 2 0 0 0 ( 5 ) :5 7 . 3 焦 丽 凤 . 用 集 成 开 关 型 霍尔 传 感 器 测 定 弹 簧 的 劲 度 系 数 J . 物 理 实 验 , 2 0 0 0 , 2 0 (1 1 ): 4 5 4 6 . 4 荣 格W G . 集 成 运 算 放 大 器 应 用 手 册 M . 张 熠 中 , 姚 朝 亮 译 . 北 京 : 世 界 图 书 出 版公 司 , 1 9 9 0 .