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霍尔元件
阅读:22743时间:2010-10-12 14:05:26

  霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族,并已得到广泛的应用。用它们可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用。

工作原理

  霍尔元件应用霍尔效应的半导体。
  所谓霍尔效应,是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时,产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时,若在垂直于电流的方向施加磁场,则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显,而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。
  利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为:
                                UH=RHIB/d  (1)   RH=1/nq(金属) (2)
  式中 RH——霍尔系数;n——单位体积内载流子或自由电子的个数;q——电子电量;I——通过的电流;B——垂直于I的磁感应强度;d——导体的厚度。
  对于半导体和铁磁金属,霍尔系数表达式与式(2)不同,此处从略。
  由于通电导线周围存在磁场,其大小与导线中的电流成正比,故可以利用霍尔元件测量出磁场,就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触,不影响被测电路,不消耗被测电源的功率,特别适合于大电流传感。
  若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中,则在该元件中将产生电流I,元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E成正比,如果再测出该电磁场的磁场强度,则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。
  利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。
  如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上,当装在运动物体上的永磁体经过它时,可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数,则可以确定其运动速度。

特性

  1、霍尔系数(又称霍尔常数)RH
  在磁场不太强时,霍尔电势差UH与激励电流I和磁感应强度B的乘积成正比,与霍尔片的厚度δ成反比,即UH =RH*I*B/δ,式中的RH称为霍尔系数,它表示霍尔效应的强弱。 另RH=μ*ρ即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率ρ与电子迁移率μ的乘积。
  2、霍尔灵敏度KH(又称霍尔乘积灵敏度)
  霍尔灵敏度与霍尔系数成正比而与霍尔片的厚度δ成反比,即KH=RH/δ,它通常可以表征霍尔常数。
  3、霍尔额定激励电流
  当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。
  4、霍尔允许激励电流
  以霍尔元件允许温升为限制所对应的激励电流称为允许激励电流。
  5、霍尔输入电阻
  霍尔激励电极间的电阻值称为输入电阻。
  6、霍尔输出电阻
  霍尔输出电极间的电阻值称为输入电阻。
  7、霍尔元件的电阻温度系数
  在不施加磁场的条件下,环境温度每变化1℃时,电阻的相对变化率,用α表示,单位为[%]/℃。
  8、霍尔不等位电势(又称霍尔偏移零点)
  在没有外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下,在输出端空载测得的霍尔电势差称为不等位电势。
  9、霍尔输出电压
  在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下,在输出端空载测得的霍尔电势差称为霍尔输出电压。
  10、霍尔电压输出比率
  霍尔不等位电势与霍尔输出电势的比率
  11、霍尔寄生直流电势
  在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时,霍尔电极输出除了交流不等位电势外,还有一直流电势,称寄生直流电势。
  12、霍尔不等位电势
  在没有外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下,环境温度每变化1℃时,不等位电势的相对变化率。
  13、霍尔电势温度系数
  在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下,环境温度每变化1℃时,不等位电势的相对变化率。它同时也是霍尔系数的温度系数。
  14、热阻Rth
  霍尔元件工作时功耗每增加1W,霍尔元件升高的温度值称为它的热阻,它反映了元件散热的难易程度,单位为:摄氏度/w。

特点

  霍尔元件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHZ),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
  霍尔线性器件的精度高、线性度好;霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达μm级)。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽,可达-55℃~150℃。

分类

  按照霍尔元件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件和霍尔开关器件 。前者输出模拟量,后者输出数字量。
  按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性,后者是检测受检对象上人为设置的磁场,用这个磁场来作被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等,转变成电量来进行检测和控制。

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