霍尔传感器综合实验

（徐行同编）
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霍尔元件在非电量测量方面的应用、发展也很快。例如，利用霍尔元件做成的位移、压 力、 流量等传感器。下面以位移和压力传感器为例说明霍尔元件的应用。
图3
霍尔位移传感器的磁路结构示意图
（a） 传感器的磁路结构示意图 (b) 磁场变化
图 3(a)是霍尔位移传感器的磁路结构示意图。在极性相反、磁场强度相同的两磁钢的气 隙中放置一块霍尔片，当霍尔元件的控制电流 I 垣定不变时，那么，霍尔电势 UH 与磁场强度 B 成正比。若磁场在一定范围内沿 x 方向的变化梯度 dI／dx 为一常数(见图 3(b))，则当霍尔 元件沿 x 方向移动时，霍尔电压的变化为
180°
1KHZ
WD R WA
Leabharlann Baidu
180°
移相器 Φ1
Φ2
－ 差放 ＋
相敏检波
低通 电压表
图5
4
（2）调整电桥 WD、WA 使系统输出最小。用示波器观察相敏检波器输出端波形，调 节“移相”旋钮和电桥上、下移动振动台，使输出达最大值。
（3）调节测微头使霍尔元件回到磁路中间位置，调节测微头±3.5mm，每隔 0.5mm 读出相应电压值。
实验三十 霍尔传感器及其应用
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。霍尔效应自 1879 年被发现至今 已有 100 多年的历史，但直到本世纪 50 年代，由于微电子学的发展，才被人们所重视和利用， 开发了多种霍尔元件。我国从 70 年代开始研究霍尔器件、经过 30 余年的研究和开发，目前 已经能生产各种性能的霍尔元件，例如普通型、高灵敏度型、低温度系数型和开关式的霍尔 元件。
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坏霍尔片。 3. 霍尔式传感器在做称重时只能工作在梯度磁场中，所以砝码和被称重物都不应太
重。砝码应置于平台的中间部分，避免平台倾斜。
【思考题】
1. 解释在激励源为交流信号，位移变化信号也为交流时需采用相敏检波器的原因。 2. 如何通过计算传感器的灵敏度来得到未知重量物体的重量？ 3. 除霍尔式压力传感器外，你还知道哪些其它类型的压力传感器？ 参考资料 《传感器原理与应用》 作者:黄贤武 郑筱霞 出版日期:1999 年 5 月第 1 版 《现代新型传感器原理与应用》 作者:刘迎春叶湘滨 出版日期:1998 年 1 月第 1 版 《传感器原理》 （第二版） 作者:余瑞芬 出版日期:1995 年 8 月第 2 版
3. 利用霍尔式传感器测振幅 （1）按图 4 直流激励接线，将系统调零。 （2）低频振荡器接“激振 I”，保持适当振幅，用示波器观察差动放大器输出波形。 （3）进一步提高低频振幅，用示波器观察差动放大器输出波形，当波形出现顶部削顶
时，说明霍尔元件已进入均匀磁场，霍尔电压已不再随位移量的增加而线性增加。 （4）再按图 5 交流激励接线，调节电桥与移相器，提压振动圆盘，使低通滤波器输出
【实验目的】
了解霍尔式压力传感器的原理、结构及应用。
【实验器材】
霍尔式传感器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、音频振荡器、 直流稳压电源、双线示波器、电压表、测微头、示波器、振动圆盘、砝码、
。 【实验原理】
一、霍尔效应 如图 1 所示的金属或半导体薄片，若在它的两端通以控制电流 I，并在薄片的垂直方向 上施加磁感应强度为 B 的磁场，那末．在垂直于电流和磁场的方向上(即霍尔输出端之间)将 产生电势差 UH，称为霍尔电压，这种现象称为霍尔效应。
基于霍尔效应制成的位移传感器一般可用来测量 1—2mm 的小位移，其特点是惯性小、 响应速度快。利用这一原理还可以测量其他非电量，如压力、压差、液位、流量等。
【实验内容】
1. 霍尔式传感器的直流激励特性 （1）按图 4 接线，装上测微头，调节振动圆盘上、下位置，使霍尔元件位于梯度磁场
中间位置。差动放大器增益适度。开启电源，调节电桥 WD，使差放输出为零。上、下移动 振动台，使差放正负电压输出对称。
UH
=
RH IB d
(V)
(30~1)
式中；RH——霍尔常数(m3C-1)； I——控制电流(A) B——磁感应强度(T)； d——霍尔元件的厚度(m)。
令
K
=
R H
Hd
(30~2)
将(30—2)式代入(30—1)式，则得到
U H = K H IB
(30—3)
由上式可知，霍尔电压的大小正比于控制电流 I 和磁感应强度 B。KH 称为霍尔元件的灵 敏度。它是表征在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小的一个重要参数。一 般要求它越大越好。霍尔元件的灵敏度与元件材料的性质和几何尺寸有关。由于半导体(尤其 是 N 型半导体)的霍尔常数 RH 要比金属的大得多，所以在实际应用中，一般都采用 N 型半导 体材料做霍尔元件.此外，元件的厚度 d 对灵敏度的影响也很大，元件的厚度越薄，灵敏度就 越高，所以霍尔元件的厚度一般都比较薄。
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图 1 霍耳效应示意图
图 2 霍耳效应解释
霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。假设，在 N 型半导体 薄片的控制电流端通以电流 I，那末，半导体中的载流子(电子)将沿着和电流相反的方向运动。 若在垂直于半导体薄片平面的方向上加以磁场 B，则由于洛伦兹力 fB 的作用，电子向一边偏 转(见图 2)，并使该边形成电子积累；而另一边则积累正电荷，于是产生电场。该电场阻止运 动电子的继续偏转。当电场作用在运动电子上的力 fE 与洛仑兹力 fB 相等时，电子的积累便达 到动态平衡。这时，在薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场 E，相应的电势差就称为 霍尔电压 UH，其大小可用下式表示：
电压正负对称。 （5）接通低频振荡器，保持适当振幅，用示波器观察差动放大器和低通滤波器的波形，
并加以描绘。解释在激励源为交流信号，位移变化信号也为交流时需采用相敏检波器的原 因。
4. 利用霍尔式传感器称重——电子称 （1）移开测微头，按图 4 接好系统，使输出为零。系统灵敏度尽量大（输出以不饱和
为标准）。 （2）以振动圆盘作为称重平台，逐步放上砝码，依次记下电压表读数。 （3）移走称重砝码，在平台上另放置一未知重量之物品，记下电压表读数。
(30—3)式还说明，当控制电流的方向或磁场的方向改变时，输出电压的方向也将改变。
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但当磁场和电流同时改变方向时，霍尔电压并不改变原来的方向。 当外磁场为零时，通以一 定的控制电流，霍尔元件便有输出，这是不等位电势，是霍尔元件的零位误差，可以采用补 偿线路进行补偿。
二、霍尔位移和压力传感器
由于霍尔元件对磁场敏感，结构简单、体积小、频响宽、动态范围大(输出电势的变化 大)、无活动部件、使用寿命长等优点，因此在测量技术、自动化技术等方面有着广泛的应用。 利用霍尔输出正比于控制电流和磁感应强度乘积的关系，可分别使其中一个量保持不变，另 一个量作为变量；或两者都作为变量。因此，霍尔元件大致可分为三种类型的应用。例如名 保持元件的控制电流恒定，而使元件所感受的磁场因元件与磁场的相对位置、角度的变化而 变化时，元件的输出正比于磁感应强度，这方面的应用有测量恒定和交变磁场的高斯计等。 当元件的控制电流和磁感应强度都作为变量时，元件的输出与两者乘积成正比，这方面的应 用有乘法器、功率计等。
（2）上、下移动测微头各 3.5mm，每变化 0.5mm 读取相应的电压值。
WD R
2V
差放
电压表
－
＋
图4
2. 霍尔式传感器的交流激励特性 （1）按图 5 接线组成测试系统，差动放大器增益适度。装上测微头，调整霍尔元件至
梯度磁场中部。音频振荡器从 180°端口输出 1KHZ，幅度严格限定在 Vρ-ρ值 5V 以下，以 免损坏霍尔元件。
由于霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特性，它已广 泛应用于非电量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。
【预习提要】
（1）什么是霍尔效应？霍尔电压与哪些因素有关？ （2）霍尔传感器用于测振幅和称重的原理是什么？ （3）设计待测量的数据记录表格。
【实验要求】
（1）了解霍尔式传感器的工作原理 （2）了解霍尔式传感器的直流激励特性和交流激励特性。 （3）了解霍尔式传感器在振动测量中的作用。 （4）学会多功能传感器中用霍尔式传感器称重的方法。 （5）练习用示波器观察波形和用作图法处理实验数据。
【数据处理】
（1）作出直流激励特性实验的 V－X 曲线，求出灵敏度和线性度。 （2）作出交流激励特性实验的 V－X 曲线，求出灵敏度和线性度，并将其结果与直流 激励系统相比较。
（3）作出称重实验的 V－w 曲线，并从 V－W 曲线中求得未知重量之物品重量值。 【注意事项】
1. 直流激励电压须严格限定在 2V，绝对不能任意加大，以免损坏霍尔元件。 2. 交流激励信号应从音频电压 180°端口输出，幅度严格限定 VP-P5V 以下，以免损
dU H dx
=
RH
I
dB dx
=
K
(30~4)
式中：K——位移传感器输出灵敏度 将(30—4)式积分后得到
U H = Kx
(30—5)
由上式可知，霍尔电压与位移量 x 成线性关系。霍尔电压的极性反映了元件位移的方向。 实验证明，磁场梯度越大，灵敏度也就越高，磁场梯度越均匀，则输出线性度就越好。
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(30—5)式还说明了当霍尔元件位于磁钢中间位置上时，即 x＝0 时，霍尔电压 UH＝0。这 是由于在此位置元件受到方向相反、大小相等的磁通作用的结果。