霍爾傳感器的應用探討

摘要：簡要介紹了霍爾元件的基本應用，對霍爾元件的選用原則進行了探討，對霍爾元件實際應用過程所用到的典型放大電路進行了較為詳盡的描述；還探討了霍爾元件技術指標不等位電勢的測量方法，並對霍爾元件直流激勵情況下位移測量的方法進行了討論，以霍爾元件實際應用的個例擴展到霍爾元件的廣泛應用。
關鍵詞：霍爾傳感器；不等位電勢；位移測量

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/162704.htm

O 引言
霍爾元件是一種基於霍爾效應的磁傳感器，已發展成一個品種多樣的磁傳感器產品族，並已得到廣泛的應用。霍爾器件具有許多優點，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1 MHz)，耐震動，不怕灰塵、油汙、水汽及鹽霧等的汙染或腐蝕。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、位置重複精度高(可達μm級)。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度範圍寬，可達-55℃～150℃。霍爾元件應用非常廣泛，例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、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，轉變成電量來進行檢測和控制。本文主要對翟爾元件測量位移的諸多問題進行了研究試驗及探討。

1 霍爾元件的選用原則
現代傳感器在原理與結構上千差萬別，如何根據具體的測量目的、測量對象以及測量環境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之後，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結果的成敗，在很大程度上取決於傳感器的選用是否合理。
1．1 根據測量對象與測量環境確定傳感器的類型
要進行—個具體的測量工作，首先要考慮採用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之後才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適。則需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大小；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產還是進口，價格能否承受，還是自行研製。在考慮上述問題之後就能確定選用何種類型的傳感器，然後再考慮傳感器的具體性能指標。
1．2 靈敏度的選擇
通常，在傳感器的線性範圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利於信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混人，也會被放大系統放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，儘量減少從外界引入的幹擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向
性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。
1．3 頻率響應特性的選擇
傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率範圍，必須在允許頻率範圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有—定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率範圍就寬，而由於受到結構特性的影響，機械系統的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態測量中，應根據信號的特點(穩態、瞬態、隨機等)響應特性，以免產生過火的誤差。
1．4 線性範圈的選擇
傳感器的線性範圍是指輸出與輸入成正比的範圍。從理論上講，在此範圍內，靈敏度保持定值。傳感器的線性範圍越寬，則其量程越大，並且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以後首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的範圍內，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，
這會給測量帶來極大的方便。
1．5 穩定性的選擇
傳感器使用一段時間後，其性能保持不變化的能力稱為穩定性。影響傳感器長期穩定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環境。因此，要使傳感器具有良好的穩定性，傳感器必須要有較強的環境適應能力。在選擇傳感器之前，應對其使用環境進行調查，並根據具體的使用環境選擇合適的傳感器，或採取適當的措施，減小環境的影響。傳感器的穩定性有定量指標，在超過使用期後，在使用前應重新進行標定，以確定傳感器的性能是否發生變化。在某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標定的場合，所選用的傳感器穩定性要求更嚴格，要能夠經受住長時間的考驗。
1．6 精度的選擇
精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關係到整個測量系統測量精度的一個重要環節。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重複精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設計製造傳感器。自製傳感器的性能應滿足使用要求。

2 霍爾元件研究(不等位電勢及其補償)
根據霍爾效應，人們稱用半導體材料製成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。
在實際使用中，存在著各種影響霍爾元件精度的因素，即在霍爾電動勢中疊加著各種誤差電勢，這些誤差電勢產生的主要原因有兩類：一類是由於製造工藝的缺陷；另一類是由於半導體本身固有的特性。不等位電勢和溫度是影響霍爾元件主要誤差的兩個因素。當霍爾元件的控制電流為IA時，若元件所處位置磁感應強度為零，則它的霍爾電勢應該為零，但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數量級，有時甚至超過霍爾電勢。實用中，想消除不等位電勢極其困難，因而只有採用補償的方法。一個矩形霍爾片由兩對電極，各個相鄰電極之間有4個電阻R1、R2、R3、R4，因而可以把霍爾元件視為一個4臂電阻電橋，不等位電勢就相當於電橋的初始不平衡輸出電壓，如圖1所示。理想情況下，不等位電勢為零，即電橋平衡。若兩個霍爾電極不在同一等位面上時，電橋不平衡，不等位電勢不等於零，此時必須採取電路補償的方法以消除不等位電勢。

圖2給出了兩種補償電路，圖2(a)是在電阻值較大的橋臂上並聯電阻，圖2(b)是在兩相鄰橋臂上並聯電阻，以增加電極等效電橋的對稱性。

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