1、湖 南 科 技 大 學課 程 設 計題目霍爾式加速度傳感器作者伍文斌學院機電工程學院專業測控技術與儀器學號1403030104指導教師楊淑儀、凌啟輝 二零一七年 六月 二十日10目 錄摘 要3第一章 霍爾傳感器基本原理41.1霍爾效應41.2霍爾元件5第二章 加速度傳感器設計方案62.1設計理念62.2設計電路圖62.3電路圖解析7第三章 傳感器結構參數10第四章 參考文獻摘 要霍爾傳感器是基于霍效應而將被測量轉化成電動勢輸出的一種傳感器。霍爾元件已發展成一個品種多樣的磁傳感器產品簇，并且得到廣泛的應用。霍爾器件是一種磁傳感器，用它可以檢測磁場及其變化，可以在各種與磁有關的場合中使用。霍爾傳感

2、器以霍爾效應為其工作原理。本文的加速度傳感器屬于霍爾開關器件，當物體移動時，若使其表面帶上一定磁場，當其接近傳感器時，會輸出高電平，通過計算一定時間內的轉的圈數（如汽車輪胎的轉動圈數），可以得到物體運動的加速度（如汽車行駛的加速度）。霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高。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等特點，因此應用廣泛。關鍵字：霍爾效應；霍爾開關器件；轉動；加速度第一章 霍爾傳感器基本原理1.1霍爾效應 所謂霍爾效應，是指磁場作用于載流金屬導體、半導體中的載流子時，產生橫向電位差的物理現象。金屬的霍爾效應是1879年被美國物理學家霍爾發

3、現的。當電流通過金屬箔片時，若在垂直于電流的方向施加磁場，則金屬箔片兩側面會出現橫向電位差。半導體中的霍爾效應比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現極強的霍爾效應。 利用霍爾效應可以設計制成多種傳感器。霍爾電位差UH的基本關系為 UH=RHIB/d （18） RH=1/nq（金屬） （19） 式中 RH霍爾系數： n載流子濃度或自由電子濃度； q電子電量； I通過的電流； B垂直于I的磁感應強度； d導體的厚度。 應該指出：霍爾效應對于一切導電體（導體、金屬半導體）都成立。 圖1 霍爾效應原理圖1.2霍爾元件霍爾元件是應用霍爾效應的半導體。一般用于電機中測定轉子轉速,如錄象機的磁

4、鼓,電腦中的散熱風扇等;是一種基于霍爾效應的磁傳感器，已發展成一個品種多樣的磁傳感器產品族，并已得到廣泛的應用。霍爾元件具有許多優點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 圖2 霍爾元件示意圖 1.3霍爾元件基本電路 第二章 加速度傳感器設計方案2.1設計理念當有磁場靠近霍爾元件時，霍爾元件將產生電壓，撤去磁場，又將恢復低電平。當汽車在馬路上行駛時，其輪胎會一起轉動，只要在轉軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關靠近磁鋼，就有信號輸出，轉軸旋轉時，就會不斷地產生脈沖信號輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可

5、以實現旋轉一周，獲得多個脈沖輸出。在粘磁鋼時要注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘之前可以先手動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試。輪胎轉動時，霍爾元件將產生脈沖，由此可得到固定時間內汽車輪胎的轉動次數N和轉速n,汽車行駛速度，以及汽車加速度。為提高測量的靈敏度，在輪胎上等距離的安裝多個永久磁鐵。2.2設計電路圖其中霍爾元件用其等效電路代替（其原理見2.3）圖3 電路圖2.3電路圖解析a霍爾元件的零位誤差補償電路所謂零位誤差,就是指在無外加磁場或無控制電流的情況下,霍爾元件產生輸出電壓并由此而產生的誤差稱為零位誤差。它主要表現為以下幾種具體形式:(1)不等位電動勢(2)寄生直流

6、電勢（3)感應零電勢（4)自激場零電勢。在實驗中發現,對于霍爾元件來說,不等位電動勢與不等位電阻是一致的,因此,可以將霍爾元件等效為一個電橋,并通過調整其電阻的方法來進行補償圖4為霍爾元件的結構,其中A、B為控制電極,C、D為霍爾電極,在極間分布的電阻用R1、R2、R3、R4表示,等效電路如圖5所示。在理想情況下,R1=R2=R3=R4,即可取得零位電動勢為零(或零位電阻為零),從而消除不等位電動勢。實際上,若存在零位電動勢,則說明此4個電阻不完全相等即電橋不平衡。為使其達到平衡,可在阻值較大的橋臂上并聯可調電阻RP或在兩個臂上同時并聯電阻RP和R。理論上可采用三種調整方案,第一種方案為單橋臂

7、掛可調電阻,如圖6所示;第二和第三種方案為雙橋臂掛可調電阻,如圖7、圖8所示。本次設計以圖8所示電路作為霍爾元件的補償電路,不但電路簡單,而且測量精度高、容易操作,可作為霍爾元件補償電路的首選。b霍爾元件的溫度補償電路 霍爾元件受溫度的影響較大，必須進行溫度補償，常見的溫度補償有（1）采用恒流源供電和輸入回路并聯電阻（2）合理選取負載電阻的阻值（3）采用恒壓源和輸入回路串聯電阻（4）采用溫度補償元件（5）橋路補償電路。 本次設計采用恒流源供電和輸入回路并聯電阻進行溫度補償。圖9 補償電路C放大電路 本次設計使用UA741集成放大器進行放大。圖10 放大電路第三章 傳感器結構參數圖11第四章 參考文獻1 唐文彥.傳感器.第5版M .北京:機械工業出版社. 2014,1:83-872 李醒飛.測控電路.第5版M.北京:機械工業出版社.2006,1. 3 徐恕宏.傳感器原理及其設計基礎M.北京:機械工業出版社.1989.4