基于線性霍爾元件的位移傳感器設(shè)計

1、鄭州輕工業(yè)學(xué)院傳感器及應(yīng)用系統(tǒng)課程設(shè)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(yè)班級： 電子信息工程13-01 學(xué) 號： 541301030139 指導(dǎo)老師： 陸立平 時 間： 鄭州輕工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書題目 基于線性霍爾元件的位移傳感器設(shè)計 專業(yè)、班級 電子信息工程13-01 學(xué)號 39 姓名 吳富昌 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等：一、 主要內(nèi)容：利用線性霍爾元件設(shè)計一個位移傳感器。二、 基本要求：（1）設(shè)計一個位移傳感器，并設(shè)計相關(guān)的信號處理電路。（2）為達(dá)到誤差控制要求，需要對霍爾元件的誤差進(jìn)行補(bǔ)償校正，主要包含霍爾元件的零位誤差及補(bǔ)償和溫度誤差及補(bǔ)償。（3）完成系

2、統(tǒng)框圖和電路原理圖的設(shè)計和繪制，系統(tǒng)理論分析和設(shè)計詳細(xì)明確，有理有據(jù)。（4）信號處理電路應(yīng)包含激勵信號電路、消除不等位電勢補(bǔ)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(diǎn)的波形，根據(jù)仿真結(jié)果驗證設(shè)計功能的可行性、參數(shù)設(shè)計的合理性。（6）根據(jù)模擬結(jié)果計算位移傳感器的遲滯誤差、線性度和靈敏度等參數(shù)。（7）寫出30005000字的設(shè)計報告，主體文本字號為小四號，標(biāo)題章節(jié)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(yīng)用課程設(shè)計指南。哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2009.01.（2）周繼明，劉先

3、任、江世明等，傳感器技術(shù)與應(yīng)用實(shí)驗指導(dǎo)及實(shí)驗報告。長沙：中南大學(xué)出版社，2006.08.（3）陳育中，霍爾傳感器測速系統(tǒng)的設(shè)計，科學(xué)技術(shù)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(dǎo)教師簽章： 專業(yè)負(fù)責(zé)人簽章： 2016年 6 月 27 日基于線性霍爾元件的位移傳感器設(shè)計摘 要霍爾傳感器是基于霍效應(yīng)而將被測量轉(zhuǎn)化成電動勢輸出的一種傳感器?；魻栐寻l(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品簇，并且得到廣泛的應(yīng)用?；魻柶骷且环N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(guān)的場合中使用?；魻柶陂g以霍爾效應(yīng)為其工作原理。當(dāng)被測物體分別與恒

4、定電流I和恒定磁場B垂直二當(dāng)被測物體相對于原來位置有微小位移變化時，會產(chǎn)生變化的磁通量，會在導(dǎo)體垂直于磁場和電流的兩個端面之間產(chǎn)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(guān)系來設(shè)計霍爾位移傳感器。關(guān)鍵詞 霍爾傳感器 位移 霍爾電壓目 錄1 霍爾元件及其工作原理11.1霍爾元件11.2霍爾元件工作原理21.3 霍爾元件的主要特性及材料3霍爾元件的主要特性參數(shù)3霍爾元件的材料41.4 霍爾傳感器簡介41.5霍爾傳感器的應(yīng)用42 霍爾元件的誤差及補(bǔ)償62.1霍爾元件的零位誤差與補(bǔ)償62.2霍爾元件的溫度誤差及補(bǔ)償6溫度誤差產(chǎn)生原因6減小霍爾元件的溫度誤差的方法63 單元電路設(shè)計7

5、3.1霍爾電壓的放大及霍爾元件的歸零校正73.2恒流源構(gòu)成溫度度補(bǔ)償電路83.3霍爾位移傳感器的設(shè)計電路圖84 數(shù)據(jù)的采集和分析84.1數(shù)據(jù)的采集84.2 數(shù)據(jù)處理94.3霍爾元件的技術(shù)參數(shù)95 總結(jié)9參考文獻(xiàn)111 霍爾元件及其工作原理1.1霍爾元件霍爾元件是半導(dǎo)體四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相對兩側(cè)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。圖1-1 霍爾元件結(jié)構(gòu)圖霍爾元件可用多種半導(dǎo)體材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)量子阱材料等等.霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其

6、變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻栐哂性S多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)m 級）。采用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)55150?；魻栯娢徊?UH 的基本關(guān)系為：UH=RHIB/d （18）RH=1/nq（金屬） （19）式中 RH霍爾系數(shù)：n單位體積內(nèi)載流子或自由電子的個數(shù)q電子電量；I通過的電流；霍爾元件 B垂直于I的磁感應(yīng)強(qiáng)度； d導(dǎo)體的厚度

7、。對于半導(dǎo)體和鐵磁金屬，霍爾系數(shù)表達(dá)式與式（19）不同，此處從略。由于通電導(dǎo)線周圍存在磁場，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，其優(yōu)點(diǎn)是不與被測電路發(fā)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。1.2霍爾元件工作原理霍爾元件應(yīng)用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體。所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。金屬的霍爾效應(yīng)是1879年被美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)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(cè)面會出現(xiàn)橫向電位差。半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現(xiàn)極強(qiáng)的霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)可以設(shè)計制成

8、多種傳感器?；魻栯娢徊頤H的基本關(guān)系為:UH=RHIB/d （1） RH=1/nq（金屬） （2）式中 RH霍爾系數(shù)；n單位體積內(nèi)載流子或自由電子的個數(shù)；q電子電量；I通過的電流；B垂直于I的磁感應(yīng)強(qiáng)度；d導(dǎo)體的厚度。對于半導(dǎo)體和鐵磁金屬，霍爾系數(shù)表達(dá)式和式（2）不同，此處從略。由于通電導(dǎo)線周圍存在磁場，其大小和導(dǎo)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(dǎo)線電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不和被測電路發(fā)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(qiáng)度為E、磁場強(qiáng)度為H的電磁場中，則在該元件中將產(chǎn)生電流I，

9、元件上同時產(chǎn)生的霍爾電位差和電場強(qiáng)度E成正比，如果再測出該電磁場的磁場強(qiáng)度，則電磁場的功率密度瞬時值P可由P=EH確定。利用這種方法可以構(gòu)成霍爾功率傳感器。如果把霍爾元件集成的開關(guān)按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在物體上，當(dāng)裝在運(yùn)動物體上的永磁體經(jīng)過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號列可以傳感出該運(yùn)動物體的位移。若測出單位時間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，則可以確定其運(yùn)動速度。1.3 霍爾元件的主要特性及材料1.3.1霍爾元件的主要特性參數(shù)靈敏度KH：表示元件在單位的磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)的

10、激勵電流不等位電勢：當(dāng)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(yīng)強(qiáng)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， r 0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(dāng)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(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個霍爾電極焊點(diǎn)的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢 霍爾電勢溫度系數(shù)：在一定磁感應(yīng)強(qiáng)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。圖1-2 基本應(yīng)用電路1.3.2霍爾元件的材料目前最常用的霍爾元件材料是鍺（Ge）、硅（Si）、銻化銦

11、（InSb）、砷化銦（InAs）和不同比例亞砷酸銦和磷酸銦組成的In（AsyP1-y）型固熔體（其中y表示百分比）等半導(dǎo)體材料。其中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、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(shù)、溫度性能同N型鍺，但其電子遷移率比較低，帶負(fù)載能力較差，通常不用作單個霍爾元件。銻化銦對溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度好。In（AsyP1-y）型固熔體的熱穩(wěn)定性最好。1.4 霍爾傳感器簡介霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（，185519

12、38）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移等重要參數(shù)?；魻杺鞲衅鞣譃榫€型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。（1）開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。開關(guān)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

13、組成，它輸出模擬量。線性霍爾傳感器又可分為開環(huán)式和閉環(huán)式。閉環(huán)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(yīng)用按被檢測對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電學(xué)量來進(jìn)行檢測和控制但是本次課程設(shè)計是基于線性霍爾元件的位移傳感器設(shè)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

14、于中間，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這個點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn)，當(dāng)霍爾傳感器在Z軸上作Z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(yùn)動過程中的移動有關(guān)的量，目前測量位移的方法相當(dāng)多，小位移通常使用應(yīng)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(yīng)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(yīng)用在自動化裝備生產(chǎn)線對模擬量的智能控制。線性霍爾元件位移傳感器，因其結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)，在許多行業(yè)的位移測量系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用?；魻杺鞲衅魇腔诨粜?yīng)而將被測量轉(zhuǎn)化成電動勢輸出的

15、一種傳感器?；魻栐寻l(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品簇，并且得到廣泛的應(yīng)用?；魻柶骷且环N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(guān)的場合中使用。霍爾器件以霍爾效應(yīng)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(dāng)被測物體相對于原來位置有微小位移變化時，會產(chǎn)生變化的磁通量，會在導(dǎo)體垂直于磁場和電流的兩個端面之間產(chǎn)生電勢差，即UH（霍爾電壓）。2 霍爾元件的誤差及補(bǔ)償2.1霍爾元件的零位誤差與補(bǔ)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(chǎn)生輸出電壓并由此產(chǎn)生誤差。它主要表現(xiàn)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(dāng)霍爾元件在額定控制

16、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(yīng)零電動勢感應(yīng)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(chǎn)生的電動勢。4)自激場零電動勢霍爾元件控制電流產(chǎn)生自激場2.2霍爾元件的溫度誤差及補(bǔ)償2.2.1溫度誤差產(chǎn)生原因霍爾元件的基片是半導(dǎo)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(shù)都是溫度的函數(shù)。當(dāng)溫度變化時，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電勢、輸入電阻和輸出電阻等都要發(fā)生變化，從而使霍爾式傳感器產(chǎn)生溫度誤差。2.2.2減小霍爾元件的溫度誤差的方法選用

17、溫度系數(shù)小的元件、采用恒溫措施、采用恒流源供電 、采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路圖2-1 溫度補(bǔ)償電路3 單元電路設(shè)計3.1霍爾電壓的放大及霍爾元件的歸零校正圖3-1 霍爾電壓放大及霍爾歸零校正3.2恒流源構(gòu)成溫度度補(bǔ)償電路圖3-2 溫度補(bǔ)償電路3.3霍爾位移傳感器的設(shè)計電路圖圖3-3 霍爾位移傳感器設(shè)計電路圖4 數(shù)據(jù)的采集和分析4.1數(shù)據(jù)的采集位移X(mm)012345678910霍爾電壓UH（mv）00.0230.0460.0690.0920.1150.1390.1620.1850.2080.231表4-1 數(shù)據(jù)采集4.2 數(shù)據(jù)處理圖4-1 位移電壓分析4.3霍爾元件的技術(shù)參數(shù)1）測量范圍：由于沒弄實(shí)

18、物，無法得知該電路的實(shí)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2mm之間2）輸出電壓：如圖所示的電路圖，應(yīng)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(diào)節(jié)，弄實(shí)物時遲滯誤差應(yīng)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(shí)物才能知道該設(shè)計電路的靈敏度。5 總結(jié) 通過這次課程設(shè)計讓我對線性霍爾位移傳感器有了更加深刻的認(rèn)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(nèi)，我去過圖書館翻閱書籍，

19、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?！闭娴母杏|頗深，學(xué)習(xí)時，總感覺聽懂了，也就滿足了，進(jìn)而就順其自然地掩卷不思了，哪里想到學(xué)的東西如何運(yùn)用到生產(chǎn)實(shí)踐中?？赏ㄟ^課設(shè)，我才恍然大悟，原來真沒那么簡單，任何東西只要與生產(chǎn)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(xiàn)實(shí)問題。如此，我才慢慢開始溯本求源，開始從細(xì)微之處肯透知識點(diǎn)，本次課設(shè)何不是如此呢？！通過霍爾元件的電流應(yīng)該多大才合適，應(yīng)<=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(shè)計中，我們就不得不考慮其四兩撥千斤般的作用了，我想也正是通過這些細(xì)微末節(jié)處，才讓我們真切認(rèn)識到知識是多么神圣與重要，我們要有所成就就必須認(rèn)真細(xì)心，多學(xué)多思，多把理論知識與實(shí)踐生活聯(lián)系起來。此外，通過這次課設(shè)，我進(jìn)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(xué)富五車，因而就有必要翻閱文獻(xiàn)資料，如設(shè)計用到的相關(guān)書籍，標(biāo)準(zhǔn)手冊等等。同時，具備較好的計算機(jī)水平也會給我們帶來巨大的益處，比如數(shù)學(xué)公式的編輯，圖形的繪制等等。但反過來