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，對霍爾元件的選用原則進行了探討，對霍爾元件實際應(yīng)用過程所用到的典型放大電路進行了較為詳盡的描述；還探討了霍爾元件技術(shù)指標不等位電勢的測量方法，并對霍爾元件直流激勵情況下位移測量的方法進行了討論，以霍爾元件實際應(yīng)用的個例擴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；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)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應(yīng)用。霍爾器件具有許多優(yōu)點，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1 MHz)，耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻?strong>線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高(可達μm級)。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達-55℃～150℃。霍爾元件應(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)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進行檢測和控制。本文主要對翟爾元件測量位移的諸多問題進行了研究試驗及探討。

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、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，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)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型
    要進行—個具體的測量工作，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。因為，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)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大?。槐粶y位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，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。
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。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。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。傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向
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，實際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)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，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，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的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對其使用環(huán)境進行調(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?shù)拇胧瑴p小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標，在超過使用期后，在使用前應(yīng)重新進行標定，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定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴格，要能夠經(jīng)受住長時間的考驗。
1．6 精度的選擇
    精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關(guān)系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(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，選用重復精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。對某些特殊使用場合，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(不等位電勢及其補償)
    根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們稱用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、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，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
    在實際使用中，存在著各種影響霍爾元件精度的因素，即在霍爾電動勢中疊加著各種誤差電勢，這些誤差電勢產(chǎn)生的主要原因有兩類：一類是由于制造工藝的缺陷；另一類是由于半導體本身固有的特性。不等位電勢和溫度是影響霍爾元件主要誤差的兩個因素。當霍爾元件的控制電流為IA時，若元件所處位置磁感應(yīng)強度為零，則它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超過霍爾電勢。實用中，想消除不等位電勢極其困難，因而只有采用補償?shù)姆椒?。一個矩形霍爾片由兩對電極，各個相鄰電極之間有4個電阻R1、R2、R3、R4，因而可以把霍爾元件視為一個4臂電阻電橋，不等位電勢就相當于電橋的初始不平衡輸出電壓，如圖1所示。理想情況下，不等位電勢為零，即電橋平衡。若兩個霍爾電極不在同一等位面上時，電橋不平衡，不等位電勢不等于零，此時必須采取電路補償?shù)姆椒ㄒ韵坏任浑妱荨?/p>

    圖2給出了兩種補償電路，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稱性。

3 直流激勵時霍爾傳感器位移測量電路探討
3．1 位移測量電路分析
    直流激勵時霍爾傳感器位移電路圖如圖3所示。控制極通過兩個反向穩(wěn)壓二極管接到±4 V的直流穩(wěn)壓電源上，以確?？刂茦O之間的電壓為4 V。輸出極的某端接至RW1電位器的可調(diào)端，調(diào)節(jié)不等位電勢。不需要轉(zhuǎn)換電路是由于霍爾元件輸出的是電量值。最后經(jīng)一級放大電路輸出。測量時，先調(diào)機械零位：調(diào)節(jié)測微頭使得霍爾元件位于同極性相對放置兩塊永久磁鋼的正中間；再調(diào)電氣零位；調(diào)節(jié)RW1使得數(shù)字表顯示為零。測量方法：(1)連續(xù)曲線法：向某一方向調(diào)節(jié)測微頭數(shù)圈，讀第一個數(shù)據(jù)，再向相反方向每旋轉(zhuǎn)一圈讀一個數(shù)據(jù)，到機械零位時電壓不為零(不回零度誤差)，再繼續(xù)每旋轉(zhuǎn)一圈讀一個數(shù)據(jù)直至數(shù)圈；(2)斷續(xù)曲線法：向某一方向調(diào)節(jié)測微頭一圈，讀第一個數(shù)據(jù)，繼續(xù)每旋轉(zhuǎn)一圈讀一個數(shù)據(jù)直到機械零位，再向相反方向旋轉(zhuǎn)數(shù)圈回到機械零位讀一個數(shù)據(jù)電壓不為零(不回零度誤差)，繼續(xù)每旋轉(zhuǎn)一圈讀一個數(shù)據(jù)直至數(shù)圈。數(shù)據(jù)表格如表l；曲線如圖4所示。

3．2 不等位電勢測量分析
    測量不等位電勢時，按照不等位電勢的概念進行，使得霍爾元件位于同極性相對放置兩塊永久磁鋼的正中間，不使用電氣零位(RWI為零)，直接測量霍爾元件的輸出電壓，約40 mV。
3．3 運算放大器分析
     HA17741運算放大器實際就是uA741，它的主要指標為：輸入失調(diào)電壓10 mV，開環(huán)輸入電阻1 MΩ，開環(huán)增益88 db～100db，單位增益帶寬1 MHz，輸出開環(huán)阻抗60 Ω，輸出電壓轉(zhuǎn)換速度0．5 V／us。內(nèi)含單個放大器，是高增益運算放大器，常用于軍事、工業(yè)及商業(yè)應(yīng)用。這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護和閉鎖自由運作。
    調(diào)零電阻及內(nèi)部功能圖如圖5所示：

    Offset Null為偏置(調(diào)零端)，Vin(-)為反向輸入端，Vin(+)為正向輸入端，Vee為接地，Vout為輸出，Vcc為接電源，Nc為空腳。
    uA741運算放大器實際電路配置放大倍數(shù)約8倍，首先將運算放大器的輸入端短路(R2、R3的左側(cè)端)進行調(diào)零，再給定一定的輸入信號值，測量放大器的輸出端電壓，將輸出信號與輸入信號之比即可。

4 結(jié)論
    本文介紹了一種霍爾傳感器模板設(shè)計與實現(xiàn)。首先，根據(jù)需求進行了傳感器、放大器等選擇設(shè)計。其中選擇了霍爾傳感器，HA17741，其次，針對系統(tǒng)所使用的霍爾傳感器的性能和發(fā)展情況做了簡單介紹。最后，根據(jù)所選用的硬件設(shè)施進行連接，完成了電路圖，并根據(jù)硬件圖做了相關(guān)試驗，完成了調(diào)試。達到了設(shè)計要求。其試驗的結(jié)果是霍爾元件的移動改變磁場強度，與霍爾電勢的線性關(guān)系，使得對霍爾傳感器的原理、特性及應(yīng)用進行了探討，有較強的典型性，而且本系統(tǒng)的設(shè)計具有功能強、成本低、元件少、可靠性好、簡單易行、使用范圍廣等特點。同時這種設(shè)計可根據(jù)具體情況作相應(yīng)的擴展，使其滿足更多更高的要求。