压电式传感器与霍尔磁敏传感器原理及应用(2)

2.霍尔磁敏传感器工作原理

设霍尔片的长度为l，宽度为w，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力

fL evB

e—电子电量(1.62×10-19C)； v—电于运动速度。

同时，作用于电子的电场力

fE eEH eVH/w

当达到动态平衡时

电流密度

evB eVH/wI jw d nevw d

v I/new dVH IB/ned霍尔电势VH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成：

RH —霍尔系数，由载流材料物理性质决定。ρ—材料电阻率

μ—载流子迁移率,μ=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。

金属材料，电子μ很高但ρ很小，绝缘材料，ρ很高但μ很小。故为获得较强霍尔效应，霍尔片全部采用半导体材料制成。

设 KH=RH / d VH＝ KH I B

KH—霍尔器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍尔电势的大小。 若磁感应强度B的方向与霍尔器件的平面法线夹角为θ时，霍尔电势应为：

VH＝ KH I B cosθ

注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势并不改变方向。

三．霍尔磁敏传感器（霍尔器件）

器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。

电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。 霍尔输出端的端子C、D相应地称为霍尔端或输出端。

若霍尔端子间连接负载,称为霍尔负载电阻或霍尔负载。

电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。

霍尔端子间的电阻，称为输出电阻或霍尔侧内部电阻。

图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍尔输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍尔器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。

实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B, 或者正比于其乘积IB。

实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,

同样，关系式

上两式是霍尔器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍尔输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。

四．基本特性

1、直线性：指霍尔器件的输出电势VH分别和基本参数I、V、B之间呈线性关系。

2、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：VH=KHBI

KB——磁场灵敏度， 若磁场值固定，则：VH＝KII

KI——电流灵敏度，电流灵敏度等于霍尔元件在单位磁感应强度下电流对应的霍尔电势值。

3、额定电流

4、最大输出功率。5、最大效率 霍尔器件的输出与输入功率之比，称为效率，和最大输出对应的效率，称为最大效率

6、负载特性

当霍尔电极间串接有负载时，因为流过霍尔电流，在其内阻上将产生压降，故实际霍尔电势比理论值小。由于霍尔电极间内阻和磁阻效应的影响，霍尔电势和磁感应强度间便失去了线性关系。如上图所示

7、温度特性：指霍尔电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍尔系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。

五．应用举例

利用霍尔效应制作的霍尔器件，不仅在磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用。 利用霍尔电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。 利用霍尔传感器制作的仪器优点：

(1) 体积小，结构简单、坚固耐用。

(2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。

(3)装置性能稳定，寿命长，可靠性高。

(4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。

(5)霍尔器件载流子惯性小，装置动态特性好。

霍尔器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。 霍尔位移传感器

将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从 a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1—VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。

小结

随着自动检测控制和信息技术的发展，对传感器的性能要求越来越高，一方面要求尽可能精确，可靠性要求高；另一方面要求价格尽可能廉价。压电式传感器和霍尔传感器是一种理想器件。

压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等等。由于它的一系列突出优点，在工业生产和自动化控制中得到广泛应用。近年来由于电子技术的发展，随着配套的二次仪表，及低噪音、小电容、高绝缘电阻电缆的出现使压电传感器使用更方便，集成化、智能化的新型压电传感器正被开发出来。

目前，人类社会正逐渐由工业化时代向信息化时代迈进。作为感知、采集、转换、传输和处理各种信息必不可少的功能器件之传感器，已成为与微机同等重要的技术工具。特别是霍尔效应磁敏传感器一问世，就因它的高可靠性、高灵敏度和好的温度稳定性。在工业、军事和科学技术各领域得到广泛的应用， 显示了其强大的生命力。随着谢量技术和自动控制等技术的发展，其研制、生产和应用已进入了一个新的发展阶段。