霍尔传感器的应用探讨

    摘要：简要介绍了霍尔元件的基本应用，对霍尔元件的选用原则进行了探讨，对霍尔元件实际应用过程所用到的典型放大电路进行了较为详尽的描述；还探讨了霍尔元件技术指标不等位电势的测量方法，并对霍尔元件直流激励情况下位移测量的方法进行了讨论，以霍尔元件实际应用的个例扩展到霍尔元件的广泛应用。
关键词：霍尔传感器；不等位电势；位移测量

O 引言
    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。霍尔器件具有许多优点，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1 MHz)，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℃。霍尔元件应用非常广泛，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。本文主要对翟尔元件测量位移的诸多问题进行了研究试验及探讨。

1 霍尔元件的选用原则
    现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。
1．1 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
    要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适。则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。
1．2 灵敏度的选择
    通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混人，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向
性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。
1．3 频率响应特性的选择
    传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。
1．4 线性范圈的选择
    传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。从理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，
这会给测量带来极大的方便。
1．5 稳定性的选择
    传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。
1．6 精度的选择
    精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。

2 霍尔元件研究(不等位电势及其补偿)
    根据霍尔效应，人们称用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。
    在实际使用中，存在着各种影响霍尔元件精度的因素，即在霍尔电动势中叠加着各种误差电势，这些误差电势产生的主要原因有两类：一类是由于制造工艺的缺陷；另一类是由于半导体本身固有的特性。不等位电势和温度是影响霍尔元件主要误差的两个因素。当霍尔元件的控制电流为IA时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势。实用中，想消除不等位电势极其困难，因而只有采用补偿的方法。一个矩形霍尔片由两对电极，各个相邻电极之间有4个电阻R1、R2、R3、R4，因而可以把霍尔元件视为一个4臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压，如图1所示。理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡。若两个霍尔电极不在同一等位面上时，电桥不平衡，不等位电势不等于零，此时必须采取电路补偿的方法以消除不等位电势。

    图2给出了两种补偿电路，图2(a)是在电阻值较大的桥臂上并联电阻，图2(b)是在两相邻桥臂上并联电阻，以增加电极等效电桥的对称性。

3 直流激励时霍尔传感器位移测量电路探讨
3．1 位移测量电路分析
    直流激励时霍尔传感器位移电路图如图3所示。控制极通过两个反向稳压二极管接到±4 V的直流稳压电源上，以确保控制极之间的电压为4 V。输出极的某端接至RW1电位器的可调端，调节不等位电势。不需要转换电路是由于霍尔元件输出的是电量值。最后经一级放大电路输出。测量时，先调机械零位：调节测微头使得霍尔元件位于同极性相对放置两块永久磁钢的正中间；再调电气零位；调节RW1使得数字表显示为零。测量方法：(1)连续曲线法：向某一方向调节测微头数圈，读第一个数据，再向相反方向每旋转一圈读一个数据，到机械零位时电压不为零(不回零度误差)，再继续每旋转一圈读一个数据直至数圈；(2)断续曲线法：向某一方向调节测微头一圈，读第一个数据，继续每旋转一圈读一个数据直到机械零位，再向相反方向旋转数圈回到机械零位读一个数据电压不为零(不回零度误差)，继续每旋转一圈读一个数据直至数圈。数据表格如表l；曲线如图4所示。

3．2 不等位电势测量分析
    测量不等位电势时，按照不等位电势的概念进行，使得霍尔元件位于同极性相对放置两块永久磁钢的正中间，不使用电气零位(RWI为零)，直接测量霍尔元件的输出电压，约40 mV。
3．3 运算放大器分析
     HA17741运算放大器实际就是uA741，它的主要指标为：输入失调电压10 mV，开环输入电阻1 MΩ，开环增益88 db～100db，单位增益带宽1 MHz，输出开环阻抗60 Ω，输出电压转换速度0．5 V／us。内含单个放大器，是高增益运算放大器，常用于军事、工业及商业应用。这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。
    调零电阻及内部功能图如图5所示：

    Offset Null为偏置(调零端)，Vin(-)为反向输入端，Vin(+)为正向输入端，Vee为接地，Vout为输出，Vcc为接电源，Nc为空脚。
    uA741运算放大器实际电路配置放大倍数约8倍，首先将运算放大器的输入端短路(R2、R3的左侧端)进行调零，再给定一定的输入信号值，测量放大器的输出端电压，将输出信号与输入信号之比即可。

4 结论
    本文介绍了一种霍尔传感器模板设计与实现。首先，根据需求进行了传感器、放大器等选择设计。其中选择了霍尔传感器，HA17741，其次，针对系统所使用的霍尔传感器的性能和发展情况做了简单介绍。最后，根据所选用的硬件设施进行连接，完成了电路图，并根据硬件图做了相关试验，完成了调试。达到了设计要求。其试验的结果是霍尔元件的移动改变磁场强度，与霍尔电势的线性关系，使得对霍尔传感器的原理、特性及应用进行了探讨，有较强的典型性，而且本系统的设计具有功能强、成本低、元件少、可靠性好、简单易行、使用范围广等特点。同时这种设计可根据具体情况作相应的扩展，使其满足更多更高的要求。