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(gè)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(diǎn),，它們的結(jié)構(gòu)牢固,，體積小，重量輕,，壽命長(zhǎng),，安裝方便，功耗小,，頻率高(可達(dá)1 MHz)，耐震動(dòng),，不怕灰塵,、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕,?；魻柧€性器件的精度高、線性度好,；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn),、無磨損、輸出波形清晰,、無抖動(dòng),、無回跳、位置重復(fù)精度高(可達(dá)μm級(jí)),。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬,，可達(dá)-55℃～150℃?；魻栐?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(shí)間等,，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測(cè)和控制,。本文主要對(duì)翟爾元件測(cè)量位移的諸多問題進(jìn)行了研究試驗(yàn)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(cè)量目的,、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問題,。當(dāng)傳感器確定之后,，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。測(cè)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(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型
    要進(jìn)行—個(gè)具體的測(cè)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?yàn)椋词故菧y(cè)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(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式,；信號(hào)的引出方法,，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來源,，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口,，價(jià)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(biāo),。
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?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大,，有利于信號(hào)處理,。但要注意的是，傳感器的靈敏度高,，與被測(cè)量無關(guān)的外界噪聲也容易混人,，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)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(hào),。傳感器的靈敏度是有方向性的,。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)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(cè)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(cè)量的頻率范圍,，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲,，希望延遲時(shí)間越短越好,。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬,，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響,，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大,，因有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低,。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài),、瞬態(tài),、隨機(jī)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(cè)量精度,。在選擇傳感器時(shí),，當(dāng)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(shí)際上,，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性,，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí),，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(huì)給測(cè)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(shí)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(zhǎng)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(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力,。在選擇傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)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(dāng)?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(biāo),，在超過使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)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(zhǎng)期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場(chǎng)合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格,，要能夠經(jīng)受住長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn),。
1．6 精度的選擇
    精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié),。傳感器的精度越高,，其價(jià)格越昂貴，因此,，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測(cè)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(cè)量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器,。如果測(cè)量目的是定性分析的,，選用重復(fù)精度高的傳感器即可,，不宜選用絕對(duì)量值精度高的；如果是為了定量分析,，必須獲得精確的測(cè)量值,，就需選用精度等級(jí)能滿足要求的傳感器。對(duì)某些特殊使用場(chǎng)合,，無法選到合適的傳感器,，則需自行設(shè)計(jì)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(shì)及其補(bǔ)償)
    根據(jù)霍爾效應(yīng),，人們稱用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對(duì)磁場(chǎng)敏感,、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、體積小、頻率響應(yīng)寬,、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),，因此，在測(cè)量,、自動(dòng)化,、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
    在實(shí)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(dòng)勢(shì)中疊加著各種誤差電勢(shì)，這些誤差電勢(shì)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(dǎo)體本身固有的特性,。不等位電勢(shì)和溫度是影響霍爾元件主要誤差的兩個(gè)因素。當(dāng)霍爾元件的控制電流為IA時(shí),，若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,，則它的霍爾電勢(shì)應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零,。這時(shí)測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)稱不等位電勢(shì),。不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí)，有時(shí)甚至超過霍爾電勢(shì),。實(shí)用中,，想消除不等位電勢(shì)極其困難,，因而只有采用補(bǔ)償?shù)姆椒?。一個(gè)矩形霍爾片由兩對(duì)電極，各個(gè)相鄰電極之間有4個(gè)電阻R1,、R2,、R3,、R4，因而可以把霍爾元件視為一個(gè)4臂電阻電橋,，不等位電勢(shì)就相當(dāng)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(shì)為零,，即電橋平衡。若兩個(gè)霍爾電極不在同一等位面上時(shí),，電橋不平衡,，不等位電勢(shì)不等于零，此時(shí)必須采取電路補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ韵坏任浑妱?shì),。

    圖2給出了兩種補(bǔ)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(duì)稱性,。

3 直流激勵(lì)時(shí)霍爾傳感器位移測(cè)量電路探討
3．1 位移測(cè)量電路分析
    直流激勵(lì)時(shí)霍爾傳感器位移電路圖如圖3所示?？刂茦O通過兩個(gè)反向穩(wěn)壓二極管接到±4 V的直流穩(wěn)壓電源上,，以確保控制極之間的電壓為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(shì)。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(jí)放大電路輸出,。測(cè)量時(shí)，先調(diào)機(jī)械零位：調(diào)節(jié)測(cè)微頭使得霍爾元件位于同極性相對(duì)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(cè)量方法：(1)連續(xù)曲線法：向某一方向調(diào)節(jié)測(cè)微頭數(shù)圈,，讀第一個(gè)數(shù)據(jù),，再向相反方向每旋轉(zhuǎn)一圈讀一個(gè)數(shù)據(jù)，到機(jī)械零位時(shí)電壓不為零(不回零度誤差),，再繼續(xù)每旋轉(zhuǎn)一圈讀一個(gè)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(cè)微頭一圈，讀第一個(gè)數(shù)據(jù),，繼續(xù)每旋轉(zhuǎn)一圈讀一個(gè)數(shù)據(jù)直到機(jī)械零位,，再向相反方向旋轉(zhuǎn)數(shù)圈回到機(jī)械零位讀一個(gè)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(gè)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(shì)測(cè)量分析
    測(cè)量不等位電勢(shì)時(shí)，按照不等位電勢(shì)的概念進(jìn)行,，使得霍爾元件位于同極性相對(duì)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(cè)量霍爾元件的輸出電壓,，約40 mV,。
3．3 運(yùn)算放大器分析
     HA17741運(yùn)算放大器實(shí)際就是uA741，它的主要指標(biāo)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(gè)放大器,，是高增益運(yùn)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(hù)和閉鎖自由運(yùn)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(yùn)算放大器實(shí)際電路配置放大倍數(shù)約8倍,，首先將運(yùn)算放大器的輸入端短路(R2,、R3的左側(cè)端)進(jìn)行調(diào)零，再給定一定的輸入信號(hào)值,，測(cè)量放大器的輸出端電壓,，將輸出信號(hào)與輸入信號(hào)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(jì)與實(shí)現(xiàn),。首先,，根據(jù)需求進(jìn)行了傳感器、放大器等選擇設(shè)計(jì),。其中選擇了霍爾傳感器,，HA17741，其次，針對(duì)系統(tǒng)所使用的霍爾傳感器的性能和發(fā)展情況做了簡(jiǎn)單介紹,。最后，根據(jù)所選用的硬件設(shè)施進(jìn)行連接,，完成了電路圖,，并根據(jù)硬件圖做了相關(guān)試驗(yàn)，完成了調(diào)試,。達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,。其試驗(yàn)的結(jié)果是霍爾元件的移動(dòng)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，與霍爾電勢(shì)的線性關(guān)系,，使得對(duì)霍爾傳感器的原理,、特性及應(yīng)用進(jìn)行了探討，有較強(qiáng)的典型性,，而且本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有功能強(qiáng),、成本低、元件少,、可靠性好,、簡(jiǎn)單易行、使用范圍廣等特點(diǎn),。同時(shí)這種設(shè)計(jì)可根據(jù)具體情況作相應(yīng)的擴(kuò)展,，使其滿足更多更高的要求。