基于線性霍爾元件的位移傳感器設計作者：日期：22016年6月27日鄭州輕工業學院傳感器及應用系統課程設計說明書基于線性霍爾元件的位移傳感器姓名:吳富昌專業班級: 電子信息工程13—01學號：541301030139指導老師：陸立平時間：2016.6.27-2016.7.1鄭州輕工業學院課程設計任務書題目 基于線性霍爾元件的位移傳感器設計 專業、班級電子信息工程13-01學號39姓名吳富昌主要內容、基本要求、主要參考資料等：一、主要內容：利用線性霍爾元件設計一個位移傳感器。二、基本要求：(1)設計一個位移傳感器，并設計相關的信號處理電路。(2)為達到誤差控制要求，需要對霍爾元件的誤差進行補償校正 ，主要包含霍爾元件的零位誤差及補償和溫度誤差及補償。(3)完成系統框圖和電路原理圖的設計和繪制， 系統理論分析和設計詳細明確，有理有據。(4)信號處理電路應包含激勵信號電路、消除不等位電勢補償電路、放大電路、相敏檢波電路和低通濾波電路等。(5)利用軟件仿真，得出主要信號輸入輸出點的波形，根據仿真結果驗證設計功能的可行性、參數設計的合理性。(6)根據模擬結果計算位移傳感器的遲滯誤差、線性度和靈敏度等參數。(7)寫出3000~5000字的設計報告，主體文本字號為小四號，標題章節字號依照美觀合理原則選擇，并合理加黑，字體均為宋體。三、主要參考資料：(1)何金田，張斌主編，傳感器原理與應用課程設計指南。哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,2009.01.(2)周繼明，劉先任、江世明等，傳感器技術與應用實驗指導及實驗報告。長沙：中南大學出版社，2006.08.(3)陳育中，霍爾傳感器測速系統的設計，科學技術與工程，2010,10:7529-7532.完成期限：2016年6月27日-2016年7月1日指導教師簽章： 專業負責人簽章：

基于線性霍爾元件的位移傳感器設計摘要霍爾傳感器是基于霍效應而將被測量轉化成電動勢輸出的一種傳感器。 霍爾元件已發展成一個品種多樣的磁傳感器產品簇，并且得到廣泛的應用。霍爾器件是一種磁傳感器，用它可以檢測磁場及其變化，可以在各種與磁有關的場合中使用。霍爾期間以霍爾效應為其工作原理。當被測物體分別與恒定電流I和恒定磁場B垂直二當被測物體相對于原來位置有微小位移變化時， 會產生變化的磁通量會在導體垂直于磁場和電流的兩個端面之間產生電勢差，即UH（霍爾電壓）。本文主要研究微小位移與霍爾電壓的關系來設計霍爾位移傳感器。關鍵詞霍爾傳感器位移霍爾電壓55總結 10TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1霍爾元件及其工作原理 1\o"CurrentDocument"霍爾元件 1\o"CurrentDocument"霍爾元件工作原理 2\o"CurrentDocument"霍爾元件的主要特性及材料 3\o"CurrentDocument"霍爾元件的主要特性參數 3\o"CurrentDocument"霍爾元件的材料 4\o"CurrentDocument"霍爾傳感器簡介 4\o"CurrentDocument"霍爾傳感器的應用 4\o"CurrentDocument"2霍爾元件的誤差及補償 6\o"CurrentDocument"霍爾元件的零位誤差與補償 6\o"CurrentDocument"霍爾元件的溫度誤差及補償 6\o"CurrentDocument"溫度誤差產生原因 6\o"CurrentDocument"減小霍爾元件的溫度誤差的方法 6\o"CurrentDocument"3單元電路設計 7霍爾電壓的放大及霍爾元件的歸零校正 7恒流源構成溫度度補償電路 7霍爾位移傳感器的設計電路圖 7\o"CurrentDocument"4數據的采集和分析 8\o"CurrentDocument"數據的采集 8\o"CurrentDocument"數據處理 9\o"CurrentDocument"霍爾元件的技術參數 9

11參考文獻111霍爾元件及其工作原理1.1霍爾元件霍爾元件是半導體四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相對兩側對稱的焊上兩對電極引出線（一對稱激勵電流端，另一對稱霍爾電勢輸出端），如下圖所示。霍爾元件可用多種半導體材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAsInAs、InAsP以及多層半導體異質結構量子阱材料等等.霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化 ，可在各種與磁場有關的場合中使用。霍爾元件具有許多優點，它們的結構牢固,體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ）耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達pm級）。采用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬,可達—55c?150Co霍爾電位差UH的基本關系為：UH=RHIB/d（18）RH=1/nq（金屬） （19）式中RH——霍爾系數：n——單位體積內載流子或自由電子的個數

電子電量；I—通過的電流；霍爾元件———垂直于I的磁感應強度；d——導體的厚度。對于半導體和鐵磁金屬，霍爾系數表達式與式（19）不同，此處從略。由于通電導線周圍存在磁場，具大小與導線中的電流成正比，其優點是不與被測電路發生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。2霍爾元件工作原理霍爾元件應用霍爾效應的半導體。所謂霍爾效應，是指磁場作用于載流金屬導體、半導體中的載流子時，產生橫向電位差的物理現象。金屬的霍爾效應是189 9年被美國物理學家霍爾發現的。當電流通過金屬箔片時，若在垂直于電流的方向施加磁場，則金屬箔片兩側面會出現橫向電位差。半導體中的霍爾效應比金屬箔片中更為明顯 ，而鐵磁金屬在店里溫度以下將呈現極強的霍爾效應。？利用霍爾效應可以設計制成多種傳感器。霍爾電位差UH的基本關系為：UH=RHIB/d（l）RH=l/nq（金屬） （2）式中RH-―霍爾系數；n——單位體積內載流子或自由電子的個數；q——電子電量;I——通過的電流；B——垂直于I的磁感應強度；d——導體的厚度。對于半導體和鐵磁金屬，霍爾系數表達式和式（2）不同，此處從略。？由于通電導線周圍存在磁場，具大小和導線中的電流成正比 ，故可以利用霍爾元件測量出磁場，就可確定導線電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。具優點是不和被測電路發生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。若把霍爾元件置于電場強度為E、磁場弓S度為H的電磁場中，則在該元件中將產生電流I,元件上同時產生的霍爾電位差和電場強度E成正比，如果再測出該電磁場的磁場強度，則電磁場的功率密度瞬時值P可由P-田確定。圖圖1-2基本應用電路圖圖1-2基本應用電路利用這種方法可以構成霍爾功率傳感器。如果把霍爾元件集成的開關按預定位置有規律地布置在物體上，當裝在運動物體上的永磁體經過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據脈沖信號列可以傳感出該運動物體的位移。若測出單位時間內發出的脈沖數，則可以確定其運動速度。3霍爾元件的主要特性及材料霍爾元件的主要特性參數靈敏度KH:表示元件在單位的磁感應強度和單位控制電流所得到的開路霍爾電動勢霍爾輸入電阻：霍爾控制及間的電阻值霍爾最大允許激勵電流：以霍爾元件允許的最大溫度為限所對應的激勵電流不等位電勢：當霍爾元件的控制電流為額定值時，若元件所處位置的磁感應強度為零，測得的空載霍爾電勢。（不等位電勢是由霍爾電極2和之間的電阻決定的，r0稱不等位電阻）寄生直流電勢 （霍爾元件零位誤差的一部分）：當沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時，霍爾電極的輸出有一個直流電勢控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時 ，會產生整流效應。兩個霍爾電極焊點的不一致，引起兩電極溫度不同產生溫差電勢霍爾電勢溫度系數：在一定磁感應強度和控制電流下，溫度每變化1度時，霍爾電勢變化的百分率。霍爾元件的材料目前最常用的霍爾元件材料是錯(Ge)、硅(Si)、睇化鈿(InSb)、神化鈿(InAs)和不同比例亞種酸鈿和磷酸鈿組成的In(AsyR-y)型固熔體(其中y表示百分比)等半導體材料。其中N型錯容易加工制造，其霍爾系數、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好，其霍爾系數、溫度性能同N型錯，但其電子遷移率比較低，帶負載能力較差，通常不用作單個霍爾元件。睇化鈿對溫度最敏感，尤其在低溫范圍內溫度系數大，但在室溫時其霍爾系數較大。神化鈿的霍爾系數較小，溫度系數也較小，輸出特性線性度好。In(AsyPi-y)型固熔體的熱穩定性最好。4霍爾傳感器簡介霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金屬的導電機構時發現的。后來發現半導體、導電流體等也有這種效應 ，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移等重要參數。霍爾傳感器分為線型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。(1)開關型霍爾傳感器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。開關型霍爾傳感器還有一種特殊的形式 ，稱為鎖鍵型霍爾傳感器。(2)線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。線性霍爾傳感器又可分為開環式和閉環式。閉環式霍爾傳感器又稱零磁通霍爾傳感器。線性霍爾傳感器主要用于交直流電流和電壓測量。1.5霍爾傳感器的應用按被檢測對象的性質可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測受檢對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，

這個磁場是被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量 ，例如速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電學量來進行檢測和控制但是本次課程設計是基于線性霍爾元件的位移傳感器設計。 所以是霍爾傳感器的位移測量。如圖所示，兩塊永久磁鐵同極性相對放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應強度為零，這個點可作為位移的零點，當霍爾傳感器在Z軸上作4Z位移時，傳感器有一個電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。位移是與物體的位置在運動過程中的移動有關的量， 目前測量位移的方法相當多，小位移通常使用應變式、電感式、差動變壓器式、渦流式、霍爾等位移傳感器器來測量，大的位移常用感應同步器、光柵、容柵、磁柵等位移傳感器來測量。位移式傳感器主要應用在自動化裝備生產線對模擬量的智能控制。線性霍爾元件位移傳感器，因其結構簡單、測量線性范圍大、測量電路可靠、具有較高的分辨力和靈敏度以及價格低廉等優點，在許多行業的位移測量系統中得以廣泛應用。霍爾傳感器是基于霍效應而將被測量轉化成電動勢輸出的一種傳感器。 霍爾元件已發展成一個品種多樣的磁傳感器產品簇，并且得到廣泛的應用。霍爾器件是一種磁傳感器，用它可以檢測磁場及其變化，可以在各種與磁有關的場合中使用。霍爾器件以霍爾效應為其工作原理。被測物體分別與恒定電流I和恒定磁場B垂直。當被測物體相對于原來位置有微小位移變化時 ，會產生變化的磁通量，會在導體垂直于磁場和電流的兩個端面之間產生電勢差，即 UH（霍爾電壓）。2霍爾元件的誤差及補償2.1霍爾元件的零位誤差與補償霍爾元件的零位誤差是指無外加磁場或無控制電流情況下霍爾元件產生輸出電壓并由此產生誤差。它主要表現有以下幾種形式：1）不等位電動勢它是零位誤差中最重要的一種，他是當霍爾元件在額定控制電流下 ，不外加磁場時，霍爾輸出端之間的空載電動勢。2）寄生直流電勢再無磁場的情況下，元件通入交流電流，輸出端除交流不等位電壓以外的直流分量3）感應零電動勢感應零電動勢是在未通電流情況下，由于脈動或交變磁場作用在輸出端產生的電動勢。4）自激場零電動勢霍爾元件控制電流產生自激場2.2霍爾元件的溫度誤差及補償溫度誤差產生原因霍爾元件的基片是半導體材料，因而對溫度的變化很敏感。其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數都是溫度的函數。當溫度變化時，霍爾元件的一些特性參數，如霍爾電勢、輸入電阻和輸出電阻等都要發生變化，從而使霍爾式傳感器產生溫度誤差。2.2.2減小霍爾元件的溫度誤差的方法選用溫度系數小的元件、采用恒溫措施、采用恒流源供電、采用適當的補償電路ft-o圖2—1溫度補償電路3單元電路設計3.1霍爾電壓的放大及霍爾元件的歸零校正toonIL-WV-圖3-1霍爾電壓放大及霍爾歸零校正3.2恒流源構成溫度度補償電路圖3-2 溫度補償電路3.3霍爾位移傳感器的設計電路圖

圖3-3 霍爾位移傳感器設計電路圖4數據的采集和分析數據的采集位移Xmm)0霍爾電壓UH(mv)00.0230.0460.0690.0920.1150.1390.1620.1850.2080.231表4—1數據采集

數據處理圖4一1位移電壓分析霍爾元件的技術參數1）測量范圍：由于沒弄實物，無法得知該電路的實際測量范圍。但通過查資料可知霍爾式傳感器的測量范圍一般大約在1到2mmi問2）輸出電壓：如圖所示的電路圖，應該在0到0.231mV之間（通過電路仿真知道的）。3）遲滯誤差：因為電路仿真無遲滯誤差，所以不確定。但由于電路有滑動變阻器可以調節，棄實物時遲滯誤差應該不會太大。4）電壓靈敏度：在這里的電壓靈敏度為最后電壓輸出差值與位移差值的比值乘 ％5）精度：因為電路仿真的精度為百分之百，只有弄出實物才能知道該設計電路的靈敏度。5總結通過這次課程設計讓我對線性霍爾位移傳感器有了更加深刻的認識 ，同時也是意識到了自己的深刻不足，眼高手低壞毛病。在這段時間內，我去過圖書館翻閱書籍，也重新研讀了教材上的理論知識。古語云：“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。”真的感觸頗深，學習時，總感覺聽懂了，也就滿足了，進而就順其自然地掩卷不思了，哪里想到學的東西如何運用到生產實踐中。可通過課設，我才恍然大悟，原來真沒那么簡單，任何東西只要與生產生活相掛鉤，那就一定有東西可以挖掘，也就一定有很多知識解決不了現實問題。如此，我才慢慢開始溯本求源，開始從細微之處肯透知識點，本次課設何不是如此呢？！通過霍爾元件的電流應該多大才合適，應＜=5mA,（大于5mA后有些霍爾元件的霍爾電壓不會隨著物體位移的變化而變化，而是為一個定值 ）這要是在生活中誰會去在意呢但是到了設計中，我們就不得不考慮其四兩撥千斤股的

作用了，我想也正是通過這些細微末節處，才讓我們真切認識到知識是多么神圣與重要，我們要有所成就就必須認真細心，多學多思，多把理論知識與實踐生活聯系起來。止匕外，通過這次課設，我進一步體會到了工具的重要性，這包括軟件操作工具書等方面。因為我們不可能學富