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霍尔效应传感器可测量磁场和检测位置

发布时间:2018/03/20点击量:

  U乐国际霍尔效应开关以及仪器级传感器在工业利用中正变患上愈来愈遍及,如今产品和制造工艺设计师可以选用高度集成的各种霍尔效应器件。虽然在必要哪些规范和磁场丈量方面总的来说仍有许多困惑,但这些器件已经被证实利用起来相称简便。

  在使用数量上只有温度传感器略胜一筹,但霍尔效应传感器亦已被用于国内以及贸易应用中种类广泛的设备,包括DVD、CD、内存驱动器、主动玩具、手机、汽车罗盘以及汽车点火体系。全班人还可以在线性、工业旋转设备、位置检测器和军事/航空设备中见到它们的身影。

  创造和测试工程师利用种种范例的分立霍尔效应传感器与仪器提供产品信息并看管创造工艺步调。虽然在丈量功效上与其它类型的传感与仪器年夜概有些堆叠,但对付某些类型的测量来讲霍尔效应传感器明明是最好选择,乃至有些情况下没有其它范例的测试设备能够提供所需的数据,其中就包罗对于直流电流值、旋转位置、间隙、外观或泄漏磁场值的测量。霍尔效应传感器历史部门供给了有关这些传感器的一些背景知识。

  当以一定角度穿过一片材料的磁场影响到在此材料中流动的电流时就会发生霍尔电压。霍尔片一般为一片矩形的半导体材料,作为有源元件或者“有源区域”发生霍尔电压(图1)。霍尔片有给定的长度l、宽度w以及厚度t。

  对于付与霍尔片正交的磁通量矢量来说,最年夜霍尔电压VH就是霍尔片磁场敏锐度B 与磁场通量密度B的乘积,即:

  这是在霍尔片上可以测得的最大霍尔电压。当霍尔片表面与磁通量矢量不是正交而是呈一个角度时,霍尔电压VH即是:

  电流I流经长度为l的霍尔片。电流是在触点Ic(+)以及Ic(-)之间活动的。磁场处于z方向,也便是说正交于霍尔片平面。由磁场施加的力被称为洛伦兹力,它迫使电荷载体(空穴或电子)沿着图示线条曲线向霍尔片边缘挪移。这个力是载流子速率和磁场强度的一个系数。霍尔效应传感器可终究在宽度为w的材料的触点VH(+)以及VH(-)之间测到的霍尔电压正比于磁场的通量密度。

  霍尔效应传感器的撑持设备包括用于提供电流Ic的电流源和用于测试触点VH(+)以及VH(-)之间霍尔电压的电压表。有些方案还采纳负载电阻RL用于电压测量,如图2所示。许多范例的霍尔效应仪器提供这类支持电路的某个部门作为丈量系统的有机构成部门。来自触点VH(+)以及VH(-)的电压引线可以直接连接到高阻电压表进行读数,或者连接到别的电路入行放大、调剂和处理。(使用交流源和锁相放年夜器的更复杂系统也能够用,但不在本文会商范围内)

  当一种工业应用请求精确或经认证的磁场丈量时,经常会采纳仪器级霍尔效应器件。比较常见的一些仪器级应用包括电磁场节制、半导体离子注入束节制、磁体或磁性零件的受入检查、在线磁化确认、磁场制图、电流检测以及陆续磁场露出监视等。作为这很多丈量的替换方式,可以利用商用的高斯计。但是在现实应用中,物理或者成本约束每每请求使用分立的霍尔传感器和商用的电子设备。

  仪器级霍尔器件用户通常但愿得到一个空间或者空地空闲中或者来自表面的磁场切确值。根据丈量的空间特性,需要利用合适的安装方式来安顿以及保持检测元件。

  典型的霍尔效应传感器通常有横向或者轴向两种设置装备摆设(图3)。横向传感器一般是很薄的矩形,计划用于磁路间隙丈量、外观丈量和开放磁场丈量。轴向传感器一般是圆柱体,用于环形磁铁中心孔测量、螺线管磁场丈量、表面磁场检测和普通磁场检测。

  高质量的传感器可以提供高精度、卓越的线性度以及低温度系数。通常可以买到用于特定测量和仪器的适合探头,而且创造商会供给经认证的校准数据。

  精度。计划师必需确定特定测量所需的精度。在没有旌旗灯号调治的前提下可以达到1.0%至2.0%的读取精度。在许多利用中利用微处理器校正后可以到达0.4%的精度。

  角度。如前所述,霍尔传感器输出是霍尔板与磁场矢量之间夹角的正弦函数。当磁场矢量垂直于器件平面(sin90=1.0)时输出达最年夜值,当磁场矢量与传感器平面平等时输出为最小值(接近0)。创造商会在最年夜输出时校准霍尔传感器,是以必要思量测试夹具或探头的角度误差。

  温度。很多种传感器方案均可以撑持宽的温度和磁场范围。仪器级传感器撑持从1.5K (-271C)至448K (+175C)的温度局限以及从0.1高斯至30万高斯的磁场局限。霍尔传感器有两种温度系数:一种是用于磁场灵敏度(校准)的温度系数,另一种与毛病(零)变革有关。温度对校准的影响是读数偏差的一个百分数,零效应则是取决于温度的一个牢固磁场值误差。偏差变革在低磁场读数(小于100高斯)时更加重要。技术人员应当细心研究制造商给出的两种温度系数指标,然后判断某个特定利用是不是能在目标温度局限内连结想要的精度。

  输入电流限定。建议设计师了解所要求的输入电流值,并注意不要跨越划定的最大值。记住,正常情况下霍尔效应器件是在某个电流值入行校准的。任何偏离校准电流的变化都会转变传感器的输出。然而,这也是一个可以应用的特性。只要不跨越最大电流值,电流翻倍输出也会随着翻倍。

  如前所述,基本的仪器级霍尔传感器是一片具备4个电气触点的低阻质料。输入和输出电路彼此间是不隔离的,是以大家必需幸免利用输入以及输出电路中的年夜众毗邻。为了餍足这个要求,所有人可以使用断绝式电流源或者输出的差分输入放年夜。

  在一些测量应用中,利用尺度探头是不切现实的或不合意的。相反,霍尔效应传感器被直接安装在机器组件上。定制化的传感器安置方法计划超出了本文的会商范围。如下是在定制方式下实用的一些通用指南:

  易碎性。霍尔传感器特别懦弱,很轻易因弯曲应力而受损。因此要避免霍尔片打仗施加直接压力的表面或者器件。在一些利用中,使用非导电的陶瓷或其它绝缘质料作为接口片。

  绑定。必需仔细选择绑定粘合剂,以便不给传感器增加应力。当温度变革不超出室温10℃时,通俗环氧(如5分钟风干范例)就很好了。一般不建议罐封,除非是在腐蚀性很高的环境条件下。还可以用别的一些绑定方式来减轻传感器引线的应力,比如将它们绑定在安置基板上。

  加工的腔体。这些腔体可以用于轴向或者横向霍尔传感器,传感器顶部凹陷在表面下,有助于防止压力打仗或磨损。

  推荐方式是为任何定制安置利用选择最具鲁棒性的传感器。采用陶瓷或笨酚封装的单元一样平常来讲最耐用。

  图4:轴向传感器可以安置在试管内,其中的传感器可以露出或凹陷在腔体内获患上保护。横向传感器一样平常安置在凹陷处。

  霍尔效应传感器已被遍及用于各种线性接近检测设备,对于靠近装备的磁场变化举行响应。例如,检测到的磁极大概接近与霍尔片垂直的传感器,年夜概磁体经由传感器的平面。这类活动将致使发生的电压发生变革。附加的集成电路将霍尔电压转换成显著更年夜的数字兼容信号。

  角度检测、扭转和速度检测利用雷同的霍尔效应原理测试位置的重复性物理性变革。对付旋转、测量磁场和检测位置速率或者角度传感器来说,磁极连接在扭转物体上,比如机电轴,霍尔片是静止的。家喻户晓的角坐标应用包罗检测无刷直流电机的换向和发动机曲柄轴的旋转角度。

  用于靠近、旋转和电流检测的各种类型装备都是某种形式的霍尔效应“开关”,由霍尔效应输出触发,然后馈送入别的集成电子电路。这类开关依据检测到的磁场值或者最近的磁场值以及极性供给二元的崎岖输出。当与载流线圈结合在一路时,霍尔效应开关还可认为过流电路断路器提供电流值检测。

  双极霍尔开关:请求南极以及北极同时高于规定的幅值才能转变状态,也被称为闭锁型开关。

  单极正向霍尔开关:请求一个极。依据正向通量密度大于某个幅值或小于最小值(通常没有磁场)转变状况(低或者高)。

  单极负向霍尔开关:要求一个极。根据负向能量密度幅值大于某个值或小于最小值(即没有磁场)转变状态(高或者低)。

  霍尔片所处的磁场决意了输出状态。来自霍尔效应检测器的旌旗灯号被检测、放大,然后用于节制输出端的固态开关元件。到外部逻辑和节制元件(如CMOS或TTL电路)的连接是尺度连接,带有外部上拉电阻。由于大批量生产的原因,集成式霍尔效应器件(图5)每每本钱很低。

  最经常使用的封装范例是表贴或兼容印刷线)。与传感器封装有关的正负磁场方向在制造商供给的规格书中有定义。

  ● 当需要精确的磁场读数时要选择仪器级器件。靠近检测(角度或线性)最佳选用集成式“开关”。

  ● 了解重要的参数,如磁场幅值,交流或者直流磁场,交换频率,温度范围,以及外部噪声(磁性或电气噪声)

  自从1879年Edwin H.Hall博士用一片金箔做实验时出现这类行为后,霍尔效应的常识就被遍及流传开来。尽管现代传感器的开发花去了环球科学家和工程师年夜量的时间以及精力,但霍金的开辟起到了抛砖引玉的感化。选取合适的材料是致使耽误的部门缘故。在20世纪50年代中期之前,铋是用于传感器开发的最佳适用质料。绝管仍旧不理想,但铋可以供给充足的霍尔电压以及稳定性,完全可以在诸如电磁场节制器等装备中用作传感器。

  在20世纪40年代时代材料科学终究迎来了冲破性入展,当时III-V族半导体是苏联的首要钻研课题。德国西门子公司的科学家则首先认识到,新发现的这些化合物特性可以做出优异的霍尔效应器件(霍尔发电机)。

  这种半导体具有霍尔效应利用所需的高载流子迁徙率以及高电阻率,并且在可变温度前提下具有卓着的不乱性。到20世纪50年月晚期,美国俄亥俄州的研究人员挖掘出砷化铟和锑化铟的独特性能,并是以降生了多家出产基于霍尔效应的产物的公司。作为仪器级传感器,砷化铟器件在不乱性、低噪声以及最小温度体系等方面的机能至今还未被别的材料超越。

  很多年来,集成电路制造商一直在致力于向市场供给硅霍尔效应器件。它们的多量量生产办法以及向传感器增长别的电路的本领为低本钱高度通用的器件带来了希望。到20世纪70年代晚期,硅霍尔效应开关得到了长足发展。施密特触发器以及输出晶体管的加入给业界带来了极有影响力的器件,这种器件可以供给与磁场存在或者消失落有关的大输出变革。但患上到切确和可重复的结果还存在一些题目。测量的结果通常会受到高温度系数以及可变开关校准的影响。直到20世纪80年月,现代校准以及补偿电路才使适当今的集成式传感器到达了相称高的性能程度。