霍爾傳感器的應(yīng)用探討

摘要：簡要介紹了霍爾元件的基本應(yīng)用，對(duì)霍爾元件的選用原則進(jìn)行了探討，對(duì)霍爾元件實(shí)際應(yīng)用過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(biāo)不等位電勢(shì)的測量方法，并對(duì)霍爾元件直流激勵(lì)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(yīng)用的個(gè)例擴(kuò)展到霍爾元件的廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：霍爾傳感器；不等位電勢(shì)；位移測量

O 引言
霍爾元件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?；魻柶骷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)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€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)μm級(jí))。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，可達(dá)-55℃～150℃?；魻栐?yīng)用非常廣泛，例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、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)變成電量來進(jìn)行檢測和控制。本文主要對(duì)翟爾元件測量位移的諸多問題進(jìn)行了研究試驗(yàn)及探討。

1 霍爾元件的選用原則
現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對(duì)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)首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設(shè)備也就可以確定了。測量結(jié)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(jù)測量對(duì)象與測量環(huán)境確定傳感器的類型
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?yàn)?，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(jù)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題：量程的大??；被測位置對(duì)傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。
1．2 靈敏度的選擇
通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混人，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的干擾信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單向量，而且對(duì)其方向
性要求較高，則應(yīng)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(yīng)特性的選擇
傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。
1．4 線性范圈的選擇
傳感器的線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(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，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(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，
這會(huì)給測量帶來極大的方便。
1．5 穩(wěn)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為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)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(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)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期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能夠經(jīng)受住長時(shí)間的考驗(yàn)。
1．6 精度的選擇
精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測量系統(tǒng)測量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。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足整個(gè)測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對(duì)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(jí)能滿足要求的傳感器。對(duì)某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器。自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求。

2 霍爾元件研究(不等位電勢(shì)及其補(bǔ)償)
根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們稱用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對(duì)磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
在實(shí)際使用中，存在著各種影響霍爾元件精度的因素，即在霍爾電動(dòng)勢(shì)中疊加著各種誤差電勢(shì)，這些誤差電勢(shì)產(chǎn)生的主要原因有兩類：一類是由于制造工藝的缺陷；另一類是由于半導(dǎo)體本身固有的特性。不等位電勢(shì)和溫度是影響霍爾元件主要誤差的兩個(gè)因素。當(dāng)霍爾元件的控制電流為IA時(shí)，若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，則它的霍爾電勢(shì)應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零。這時(shí)測得的空載霍爾電勢(shì)稱不等位電勢(shì)。不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí)，有時(shí)甚至超過霍爾電勢(shì)。實(shí)用中，想消除不等位電勢(shì)極其困難，因而只有采用補(bǔ)償?shù)姆椒āＲ粋€(gè)矩形霍爾片由兩對(duì)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(shì)就相當(dāng)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(shì)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(shì)不等于零，此時(shí)必須采取電路補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ韵坏任浑妱?shì)。

圖2給出了兩種補(bǔ)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(duì)稱性。