霍爾傳感器的原理及應(yīng)用

　　霍爾效應(yīng)的原理

　　霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾(A.H.Hall，1855—1938)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(lái)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?gòu)?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(guò)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率等重要參數(shù)。流體中的霍爾效應(yīng)是研究“磁流體發(fā)電”的理論基礎(chǔ)。由霍爾效應(yīng)的原理知，霍爾電勢(shì)的大小取決于：　Rh為霍爾常數(shù)，它與半導(dǎo)體材質(zhì)有關(guān);IC為霍爾元件的偏置電流;B為磁場(chǎng)強(qiáng)度;d為半導(dǎo)體材料的厚度。對(duì)于一個(gè)給定的霍爾器件，Vh將完全取決于被測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度B。

　　一個(gè)霍爾元件一般有四個(gè)引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流IC的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構(gòu)成外回路，就會(huì)產(chǎn)生霍爾電流。一般地說(shuō)，偏置電流的設(shè)定通常由外部的基準(zhǔn)電壓源給出;若精度要求高，則基準(zhǔn)電壓源均用恒流源取代。為了達(dá)到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導(dǎo)磁系數(shù)的坡莫合金;這類傳感器的霍爾電勢(shì)較大，但在0.05T左右出現(xiàn)飽和，僅適用在低量限、小量程下使用。近年來(lái)，由于半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了各種類型的新型集成霍爾元件。這類元件可以分為兩大類，一類是線性元件，另一類是開(kāi)關(guān)類元件。線性霍爾元件的原理:

　　UGN350lT是一種目前較常用的三端型線性霍爾元件。它由穩(wěn)壓器、霍爾發(fā)生器和放大器組成。用UGN350lT可以十分方便地組成一臺(tái)高斯計(jì)。其使用十分簡(jiǎn)單，先使B=0，記下表的示值VOH，再將探頭端面貼在被測(cè)對(duì)象上，記下新的示值VOH1。ΔVOH=VOH1-VOH，如果ΔVOH>0，說(shuō)明探頭端面測(cè)得的是N極;反之為S極。UGN3501T的靈敏度為7V/T，由此即可測(cè)出相應(yīng)的被測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度B。如果采用數(shù)字電壓表(DVM)，可得圖1所示的線性高斯計(jì)。運(yùn)放采用高精度運(yùn)放CA3130。該電路的具體調(diào)零方式為：開(kāi)啟電源后，令B=0，調(diào)節(jié)W1使DVM的示值為零，然后用一塊標(biāo)準(zhǔn)的釹鋁硼磁鋼(B=0.1T)貼在探頭端面上，調(diào)節(jié)W2使DVM的示值為1V即可。本高斯計(jì)檢測(cè)時(shí)示值如果為-200mV，則探頭端面檢測(cè)的是S極，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.02T。本高斯計(jì)也可用來(lái)測(cè)量交變的磁場(chǎng)，不過(guò)DVM應(yīng)改為交流電壓表。顯然使用圖1的電路可以很方便地?cái)U(kuò)展普通數(shù)字萬(wàn)用表的功能。

     用UGN3501T還可以十分方便地組成如圖2所示的鉗形電流表。將霍爾元件置于鉗形冷軋硅鋼片的空隙中，當(dāng)有電流流過(guò)導(dǎo)線時(shí)，就會(huì)在鉗形圓環(huán)中產(chǎn)生磁場(chǎng)，其大小正比于流過(guò)導(dǎo)線電流的安匝數(shù);這個(gè)磁場(chǎng)作用于霍爾元件，感應(yīng)出相應(yīng)的霍爾電勢(shì)，其靈敏度為7V/T，經(jīng)過(guò)運(yùn)放μA741調(diào)零，線性放大后送入DVM，組成數(shù)字式鉗形電流表。該表的調(diào)試也十分簡(jiǎn)單：導(dǎo)線中的電流為零時(shí)，調(diào)節(jié)W1、W2使DVM的示值為零。然后輸入50A的電流，調(diào)W3使DVM讀數(shù)為5V;反向輸入-50A電流，數(shù)字表示值為-5V。反復(fù)調(diào)節(jié)W1、W2、W3，讀數(shù)即可符合要求。本鉗形電流表經(jīng)實(shí)驗(yàn)，其靈敏度不小于0.1V/A，同樣，本電流表也可用于交流電流的測(cè)量，將DVM換成交流電壓表即可，十分方便。