霍爾式加速度傳感器

1、湖 南 科 技 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)題目霍爾式加速度傳感器作者伍文斌學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué)號(hào)1403030104指導(dǎo)教師楊淑儀、凌啟輝 二零一七年 六月 二十日10目 錄摘 要3第一章 霍爾傳感器基本原理41.1霍爾效應(yīng)41.2霍爾元件5第二章 加速度傳感器設(shè)計(jì)方案62.1設(shè)計(jì)理念62.2設(shè)計(jì)電路圖62.3電路圖解析7第三章 傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)10第四章 參考文獻(xiàn)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。霍爾元件已發(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。霍爾傳感

2、器以霍爾效應(yīng)為其工作原理。本文的加速度傳感器屬于霍爾開(kāi)關(guān)器件，當(dāng)物體移動(dòng)時(shí)，若使其表面帶上一定磁場(chǎng)，當(dāng)其接近傳感器時(shí)，會(huì)輸出高電平，通過(guò)計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)的圈數(shù)（如汽車輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)），可以得到物體運(yùn)動(dòng)的加速度（如汽車行駛的加速度）?；魻栭_(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(fù)精度高。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬等特點(diǎn)，因此應(yīng)用廣泛。關(guān)鍵字：霍爾效應(yīng)；霍爾開(kāi)關(guān)器件；轉(zhuǎn)動(dòng)；加速度第一章 霍爾傳感器基本原理1.1霍爾效應(yīng) 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(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)

3、現(xiàn)的。當(dāng)電流通過(guò)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)制成多種傳感器。霍爾電位差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載流子濃度或自由電子濃度； q電子電量； I通過(guò)的電流； B垂直于I的磁感應(yīng)強(qiáng)度； d導(dǎo)體的厚度。 應(yīng)該指出：霍爾效應(yīng)對(duì)于一切導(dǎo)電體（導(dǎo)體、金屬半導(dǎo)體）都成立。 圖1 霍爾效應(yīng)原理圖1.2霍爾元件霍爾元件是應(yīng)用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體。一般用于電機(jī)中測(cè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,如錄象機(jī)的磁

4、鼓,電腦中的散熱風(fēng)扇等;是一種基于霍爾效應(yīng)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(yīng)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。 圖2 霍爾元件示意圖 1.3霍爾元件基本電路 第二章 加速度傳感器設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)理念當(dāng)有磁場(chǎng)靠近霍爾元件時(shí)，霍爾元件將產(chǎn)生電壓，撤去磁場(chǎng)，又將恢復(fù)低電平。當(dāng)汽車在馬路上行駛時(shí)，其輪胎會(huì)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開(kāi)關(guān)靠近磁鋼，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)不斷地產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可

5、以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個(gè)脈沖輸出。在粘磁鋼時(shí)要注意，霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向敏感，粘之前可以先手動(dòng)接近一下傳感器，如果沒(méi)有信號(hào)輸出，可以換一個(gè)方向再試。輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾元件將產(chǎn)生脈沖，由此可得到固定時(shí)間內(nèi)汽車輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)N和轉(zhuǎn)速n,汽車行駛速度，以及汽車加速度。為提高測(cè)量的靈敏度，在輪胎上等距離的安裝多個(gè)永久磁鐵。2.2設(shè)計(jì)電路圖其中霍爾元件用其等效電路代替（其原理見(jiàn)2.3）圖3 電路圖2.3電路圖解析a霍爾元件的零位誤差補(bǔ)償電路所謂零位誤差,就是指在無(wú)外加磁場(chǎng)或無(wú)控制電流的情況下,霍爾元件產(chǎn)生輸出電壓并由此而產(chǎn)生的誤差稱為零位誤差。它主要表現(xiàn)為以下幾種具體形式:(1)不等位電動(dòng)勢(shì)(2)寄生直流

6、電勢(shì)（3)感應(yīng)零電勢(shì)（4)自激場(chǎng)零電勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),對(duì)于霍爾元件來(lái)說(shuō),不等位電動(dòng)勢(shì)與不等位電阻是一致的,因此,可以將霍爾元件等效為一個(gè)電橋,并通過(guò)調(diào)整其電阻的方法來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償圖4為霍爾元件的結(jié)構(gòu),其中A、B為控制電極,C、D為霍爾電極,在極間分布的電阻用R1、R2、R3、R4表示,等效電路如圖5所示。在理想情況下,R1=R2=R3=R4,即可取得零位電動(dòng)勢(shì)為零(或零位電阻為零),從而消除不等位電動(dòng)勢(shì)。實(shí)際上,若存在零位電動(dòng)勢(shì),則說(shuō)明此4個(gè)電阻不完全相等即電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡,可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)可調(diào)電阻RP或在兩個(gè)臂上同時(shí)并聯(lián)電阻RP和R。理論上可采用三種調(diào)整方案,第一種方案為單橋臂

7、掛可調(diào)電阻,如圖6所示;第二和第三種方案為雙橋臂掛可調(diào)電阻,如圖7、圖8所示。本次設(shè)計(jì)以圖8所示電路作為霍爾元件的補(bǔ)償電路,不但電路簡(jiǎn)單,而且測(cè)量精度高、容易操作,可作為霍爾元件補(bǔ)償電路的首選。b霍爾元件的溫度補(bǔ)償電路 霍爾元件受溫度的影響較大，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，常見(jiàn)的溫度補(bǔ)償有（1）采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻（2）合理選取負(fù)載電阻的阻值（3）采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻（4）采用溫度補(bǔ)償元件（5）橋路補(bǔ)償電路。 本次設(shè)計(jì)采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償。圖9 補(bǔ)償電路C放大電路 本次設(shè)計(jì)使用UA741集成放大器進(jìn)行放大。圖10 放大電路第三章 傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)圖11第四章 參考文獻(xiàn)1 唐文彥.傳感器.第5版M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社. 2014,1:83-872 李醒飛.測(cè)控電路.第5版M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2006,1. 3 徐恕宏.傳感器原理及其設(shè)計(jì)基礎(chǔ)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1989.4