基于霍尔元件的电磁场检测

摘要:介绍了霍尔元件的基本原理及电磁检测的基本方法,采用恒流源输入作为激励电流,使传感器的输出只由磁场的强度来决定。通过检测电路的原理总结与扩展,更全面的认识霍尔元件的检测性能,包括了霍尔元件的原理介绍,测量方法与电路,补偿电路。通过补偿电路来减小外界条件对测量的影响,保证测量的线性度,使得到的结果更准确一些。

关键词:霍尔元件补偿电路磁场

中图分类号:TM15文献标识码:A文章编号:1007-3973(2010) 08-112-01

1霍尔元件的组成与原理

霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。置于磁场中的静止载流导体,当它的电流方向与磁场方向不一致时,载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势,这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。霍尔电势的大小为 ,霍尔传感器的霍尔常数是 ,霍尔常数与半导体材质有关,是由霍尔片的电阻率与电子迁移率决定的,所以最佳的材料是由半导体来制成,由直流电流激励,霍尔片的灵敏度KH=R/d,根据霍尔效应得到霍尔电势。

霍尔元件的结构很简单,是由霍尔片、四根引线和壳体组成的,霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片,在长度方向焊有两根控制电流端引线作为激励电极,在另外的两个面的中央以点的形式对称的焊有两个引线作为霍尔电极。霍尔元件壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装成。

霍尔元件分为线性特性和开关特性两种,磁通计中的传感器大多采用具有线性特性的霍尔元件,开关特性随磁体本身的材料及形状不同而异,低磁场时磁通饱和,直流无刷电动机的控制一般采用具有开关元件的霍尔传感器。它还会产生不等位电势,相应的也会有不等位电阻,原因是:霍尔电极安装不对称或不在同一等电位上;半导体材料不均匀;激励电极接触不良造成激励电流不均匀。霍尔元件还存在负载特性,当霍尔电极间串联有负载时,由于要流过霍尔电流,故在其内阻上产生压降,实际的霍尔电势比理论值略低。

2测量方法与电路

霍尔传感器的基本测量电路,电源E提供激励电流,可变电阻RP用于调节激励电流I的大小,RL为输出霍尔电势uH的负载电阻,一般用于表征显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。

3霍尔元件不等位电势补偿

不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级,有时甚至超过霍尔电势,而实用中要消除不等位电势是极其困难的,因而必须采用补偿办法。分析不等位电势时,可以把霍尔元件等效为一个电桥,用分析电桥平衡来补偿不等位电势。

当电桥平衡时,不等位电势为零。实际上,由于激励电极不在同一等位面上,此四个电阻阻值不相等,电桥不平衡,不等位电势不为零,可以根据两电极电位的高低,判断应在某一桥壁上并联一定的电阻,使电桥达到平衡,不等位电势为零。

4恒流源供电

根据霍尔效应的原理,在电磁检测时当输入电流恒定,霍尔传感器输出的霍尔电势仅由外界磁场的磁感应强度唯一决定,因而宜采用恒电流源作为其工作输入电源。

霍尔传感器的工作电流通常在2~5mA,一般采用LM334Z作为恒流源输入。LM334Z是一种3端可调恒流源,输出电流还有由外部电阻调节。但半导体材料对温度变化比较敏感,因此通过一个二极管和电阻进行温度补偿,消除温度对其输出的影响。

电流I等于三路电流总和,根据给定温度对电压漂移的影响系数227uV/℃,二极管的温度系数为2.5mV/℃。经过基本电路分析计算可得

I=0.134U/Rp

其中U为LM334Z上的电压。因此可以通过调节Rp的阻值来控制恒流源的输出。

5霍尔传感器的应用

根据式U=KHIB,霍尔传感器的应用可以分为下述三个方面:

(1)当输入电流恒定不变时,传感器的输出正比于磁感应强度。因此,凡是能转换为磁感应强度B变化的物理量均可进行测量,如位移、角度、转速和加速度等。

(2)当磁感应强度B保持恒定时,传感器的输出正比于控制电流I的变化。因此,凡是能转换为电流变化的物理量均可进行测量和控制。

(3)由于霍尔电压正比于控制电流I和磁感应强度B,所以凡是可以转换成为乘法的物理量(如功率)都可以进行测量。

根据霍尔元件的原理可以做成位移传感器、霍尔式汽车点火器和转速器等。

在电磁场检测方面,可以分别应用开关型霍尔和线性霍尔,不同的特性应用区别很大。线性霍尔元件可以根据实际的磁场强度来选择相应的芯片来制作电磁传感装置,只是在传感器的输出时要加入调理电路,将信号变送为需要的电压信号,具体的外部变送电路根据芯片资料提供的设计基本可以完成检测要求。开关特性霍尔元件,应用范围很广,主要用于检测脉冲信号或者计数的传感器的设计。汽车电子的应用中很多,例如在汽车助力转向装置中用于检测转动方向与角度的转角传感器中,用开关型霍尔元件设计的用于计数的检测,将计数结果交给单片机处理,根据每个脉冲所经过的角度计算出转向跟转过的角度,输出一个力矩给执行装置,达到助力转向的目的。

在第五届全国飞思卡尔杯智能车制作大赛中,基于电磁检测的智能寻迹小车,对起跑线的检测,可用开关型霍尔元件,其的电路很简单,例如3144E,直接接入单片机I/O口就可以检测的到信号,或者可以上拉到5V,检测的效果不很明显,最大高度也很低,可能会影响到车子的整体性能。干簧管检测就很灵敏,而其检测的最大高度较霍尔能好一些。

参考文献:

[1]郁有文,常健,程继红.传感器原理及工程应用[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,2005.

[2]胡向东,刘京诚,余成波. 传感器与检测技术[M]. 北京:机械工业出版社,2009.