霍爾傳感器的應用探討

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

O 引言
霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁傳感器，已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應用?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點(diǎn)，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長(cháng)，安裝方便，功耗小，頻率高(可達1 MHz)，耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻柧€(xiàn)性器件的精度高、線(xiàn)性度好；霍爾開(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復精度高(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范圍寬，可達-55℃～150℃?；魻栐梅浅V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(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉變成電量來(lái)進(jìn)行檢測和控制。本文主要對翟爾元件測量位移的諸多問(wèn)題進(jìn)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(wàn)別，如何根據具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測量時(shí)首先要解決的問(wèn)題。當傳感器確定之后，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，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。
1．1 根據測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類(lèi)型
要進(jìn)行—個(gè)具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。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(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大??；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(xiàn)或是非接觸測量；傳感器的來(lái)源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問(wèn)題之后就能確定選用何種類(lèi)型的傳感器，然后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(xiàn)性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時(shí)，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混人，也會(huì )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，盡量減少從外界引入的干擾信號。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范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應總有—定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于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(dòng)態(tài)測量中，應根據信號的特點(diǎn)(穩態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應特性，以免產(chǎn)生過(guò)火的誤差。
1．4 線(xiàn)性范圈的選擇
傳感器的線(xiàn)性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。從理論上講，在此范圍內，靈敏度保持定值。傳感器的線(xiàn)性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時(shí)，當傳感器的種類(lèi)確定以后首先要看其量程是否滿(mǎn)足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對的線(xiàn)性，其線(xiàn)性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內，可將非線(xiàn)性誤差較小的傳感器近似看作線(xiàn)性的，
這會(huì )給測量帶來(lái)極大的方便。
1．5 穩定性的選擇
傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱(chēng)為穩定性。影響傳感器長(cháng)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(huán)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(huán)境適應能力。在選擇傳感器之前，應對其使用環(huán)境進(jìn)行調查，并根據具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當的措施，減小環(huán)境的影響。傳感器的穩定性有定量指標，在超過(guò)使用期后，在使用前應重新進(jìn)行標定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。在某些要求傳感器能長(cháng)期使用而又不能輕易更換或標定的場(chǎng)合，所選用的傳感器穩定性要求更嚴格，要能夠經(jīng)受住長(cháng)時(shí)間的考驗。
1．6 精度的選擇
精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標，它是關(guān)系到整個(gè)測量系統測量精度的一個(gè)重要環(huán)節。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿(mǎn)足整個(gè)測量系統的精度要求就可以，不必選得過(guò)高。這樣就可以在滿(mǎn)足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重復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(mǎn)足要求的傳感器。對某些特殊使用場(chǎng)合，無(wú)法選到合適的傳感器，則需自行設計制造傳感器。自制傳感器的性能應滿(mǎn)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(chēng)用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場(chǎng)敏感、結構簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測量、自動(dòng)化、計算機和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應用。
在實(shí)際使用中，存在著(zhù)各種影響霍爾元件精度的因素，即在霍爾電動(dòng)勢中疊加著(zhù)各種誤差電勢，這些誤差電勢產(chǎn)生的主要原因有兩類(lèi)：一類(lèi)是由于制造工藝的缺陷；另一類(lèi)是由于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(gè)因素。當霍爾元件的控制電流為IA時(shí)，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(shí)際不為零。這時(shí)測得的空載霍爾電勢稱(chēng)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(shí)甚至超過(guò)霍爾電勢。實(shí)用中，想消除不等位電勢極其困難，因而只有采用補償的方法。一個(gè)矩形霍爾片由兩對電極，各個(gè)相鄰電極之間有4個(gè)電阻R1、R2、R3、R4，因而可以把霍爾元件視為一個(gè)4臂電阻電橋，不等位電勢就相當于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(gè)霍爾電極不在同一等位面上時(shí)，電橋不平衡，不等位電勢不等于零，此時(shí)必須采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并聯(lián)電阻，圖2(b)是在兩相鄰橋臂上并聯(lián)電阻，以增加電極等效電橋的對稱(chēng)性。