基于線性霍爾元件的位移傳感器設(shè)計(jì)

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(jì)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(jí)： 電子信息工程13-01 學(xué) 號(hào)： 541301030139 指導(dǎo)老師： 陸立平 時(shí) 間： 鄭州輕工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目 基于線性霍爾元件的位移傳感器設(shè)計(jì) 專業(yè)、班級(jí) 電子信息工程13-01 學(xué)號(hào) 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(jì)一個(gè)位移傳感器。二、 基本要求：（1）設(shè)計(jì)一個(gè)位移傳感器，并設(shè)計(jì)相關(guān)的信號(hào)處理電路。（2）為達(dá)到誤差控制要求，需要對(duì)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(jì)和繪制，系統(tǒng)理論分析和設(shè)計(jì)詳細(xì)明確，有理有據(jù)。（4）信號(hào)處理電路應(yīng)包含激勵(lì)信號(hào)電路、消除不等位電勢(shì)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(hào)輸入輸出點(diǎn)的波形，根據(jù)仿真結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)功能的可行性、參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。（6）根據(jù)模擬結(jié)果計(jì)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(jì)報(bào)告，主體文本字號(hào)為小四號(hào)，標(biāo)題章節(jié)字號(hào)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(jì)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(yàn)指導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告。長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2006.08.（3）陳育中，霍爾傳感器測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(jì)摘 要霍爾傳感器是基于霍效應(yīng)而將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器?；魻栐寻l(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品簇，并且得到廣泛的應(yīng)用。霍爾器件是一種磁傳感器，用它可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可以在各種與磁有關(guān)的場(chǎng)合中使用。霍爾期間以霍爾效應(yīng)為其工作原理。當(dāng)被測(cè)物體分別與恒

4、定電流I和恒定磁場(chǎng)B垂直二當(dāng)被測(cè)物體相對(duì)于原來位置有微小位移變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化的磁通量，會(huì)在導(dǎo)體垂直于磁場(chǎng)和電流的兩個(gè)端面之間產(chǎn)生電勢(shì)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(jì)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(jiǎn)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(jì)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(jì)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(duì)兩側(cè)對(duì)稱的焊上兩對(duì)電極引出線（一對(duì)稱激勵(lì)電流端，另一對(duì)稱霍爾電勢(shì)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(cè)磁場(chǎng)及其

6、變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)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(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動(dòng)，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(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)m 級(jí)）。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(gè)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(duì)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(chǎng)，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)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(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，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(shí)，若在垂直于電流的方向施加磁場(chǎng)，則金屬箔片兩側(cè)面會(huì)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(jì)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(gè)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(duì)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(chǎng)，其大小和導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾元件測(cè)量出磁場(chǎng)，就可確定導(dǎo)線電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不和被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)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(chǎng)強(qiáng)度為E、磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的電磁場(chǎng)中，則在該元件中將產(chǎn)生電流I，

9、元件上同時(shí)產(chǎn)生的霍爾電位差和電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比，如果再測(cè)出該電磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，則電磁場(chǎng)的功率密度瞬時(shí)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(dòng)物體上的永磁體經(jīng)過它時(shí)，可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)列可以傳感出該運(yùn)動(dòng)物體的位移。若測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，則可以確定其運(yùn)動(dòng)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(dòng)勢(shì)霍爾輸入電阻：霍爾控制及間的電阻值霍爾最大允許激勵(lì)電流：以霍爾元件允許的最大溫度為限所對(duì)應(yīng)的

10、激勵(lì)電流不等位電勢(shì)：當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時(shí)，若元件所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)。（不等位電勢(shì)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(shì) （霍爾元件零位誤差的一部分）：當(dāng)沒有外加磁場(chǎng)，霍爾元件用交流控制電流時(shí)，霍爾電極的輸出有一個(gè)直流電勢(shì)控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個(gè)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(shì) 霍爾電勢(shì)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(shí)，霍爾電勢(shì)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(gè)霍爾元件。銻化銦對(duì)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(shí)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(jiǎn)介霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器。霍爾效應(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(shí)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(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)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(yàn)測(cè)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(jí)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(cè)量。1.5霍爾傳感器的應(yīng)用按被檢測(cè)對(duì)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(cè)受檢對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)是被檢測(cè)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(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電學(xué)量來進(jìn)行檢測(cè)和控制但是本次課程設(shè)計(jì)是基于線性霍爾元件的位移傳感器設(shè)計(jì)。所以是霍爾傳感器的位移測(cè)量。如圖所示，兩塊永久磁鐵同極性相對(duì)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(gè)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(shí)，傳感器有一個(gè)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(dòng)過程中的移動(dòng)有關(guān)的量，目前測(cè)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(dòng)變壓器式、渦流式、霍爾等位移傳感器器來測(cè)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(cè)量。位移式傳感器主要應(yīng)用在自動(dòng)化裝備生產(chǎn)線對(duì)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(jiǎn)單、測(cè)量線性范圍大、測(cè)量電路可靠、具有較高的分辨力和靈敏度以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在許多行業(yè)的位移測(cè)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(cè)量轉(zhuǎn)化成電動(dòng)勢(shì)輸出的

15、一種傳感器?；魻栐寻l(fā)展成一個(gè)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(cè)磁場(chǎng)及其變化，可以在各種與磁有關(guān)的場(chǎng)合中使用?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作原理。被測(cè)物體分別與恒定電流I和恒定磁場(chǎng)B垂直。當(dāng)被測(cè)物體相對(duì)于原來位置有微小位移變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化的磁通量，會(huì)在導(dǎo)體垂直于磁場(chǎng)和電流的兩個(gè)端面之間產(chǎn)生電勢(shì)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(chǎng)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(dòng)勢(shì)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(chǎng)時(shí)，霍爾輸出端之間的空載電動(dòng)勢(shì)。2）寄生直流電勢(shì)再無磁場(chǎng)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(dòng)勢(shì)感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)是在未通電流情況下，由于脈動(dòng)或交變磁場(chǎng)作用在輸出端產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。4)自激場(chǎng)零電動(dòng)勢(shì)霍爾元件控制電流產(chǎn)生自激場(chǎng)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(duì)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(shí)，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電勢(shì)、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(jì)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(jì)電路圖圖3-3 霍爾位移傳感器設(shè)計(jì)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(cè)量范圍：由于沒弄實(shí)

18、物，無法得知該電路的實(shí)際測(cè)量范圍。但通過查資料可知霍爾式傳感器的測(cè)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?yàn)殡娐贩抡鏌o遲滯誤差，所以不確定。但由于電路有滑動(dòng)變阻器可以調(diào)節(jié)，弄實(shí)物時(shí)遲滯誤差應(yīng)該不會(huì)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?yàn)殡娐贩抡娴木葹榘俜种?，只有弄出?shí)物才能知道該設(shè)計(jì)電路的靈敏度。5 總結(jié) 通過這次課程設(shè)計(jì)讓我對(duì)線性霍爾位移傳感器有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也是意識(shí)到了自己的深刻不足，眼高手低壞毛病。在這段時(shí)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(shí)。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(shí)，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(jiǎn)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(shí)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(shí)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(huì)隨著物體位移的變化而變化，而是為一個(gè)定值)這要是在生活中誰會(huì)去在意呢但是到了設(shè)計(jì)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(shí)到知識(shí)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(shí)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(huì)到了工具的重要性，這包括軟件操作工具書等方面。因?yàn)槲覀儾豢赡軐W(xué)富五車，因而就有必要翻閱文獻(xiàn)資料，如設(shè)計(jì)用到的相關(guān)書籍，標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)等等。同時(shí)，具備較好的計(jì)算機(jī)水平也會(huì)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