霍爾乘法器
霍爾乘法器的作用是將整機(jī)輸出的直流電流I調(diào)制成與流量信號(hào)相同的電壓ef，以實(shí)現(xiàn)征集閉環(huán)負(fù)反饋和進(jìn)行除法運(yùn)算，補(bǔ)償電源電壓、電源頻率波動(dòng)的影響，并達(dá)到量程連續(xù)可調(diào)的目的。
霍爾乘法器是根據(jù)半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)原理制成的部件。鍺霍爾元件HZ-1型又兩對(duì)互相垂直的電極，它的形狀如圖4-12a所示。其中一對(duì)電極a、b為輸出電勢(shì)極，另一對(duì)電極c、d為控制電流極。如果把同游電流if的矩形半導(dǎo)體霍爾元件薄片至于磁回路氣隙為δ（0.5mm~0.6mm）的磁場(chǎng)中，此磁場(chǎng)的方向應(yīng)與霍爾元件平面相垂直，如圖4-12b所示，則由于存在霍爾效應(yīng)，在霍爾電勢(shì)極a、b兩端產(chǎn)生一個(gè)其大小正比于電流if和直流磁場(chǎng)Bf的乘積的霍爾電勢(shì)eH，所以稱為霍爾乘法器。
當(dāng)if或Bf=0時(shí)，應(yīng)有eH=0,而if≠0時(shí)，eH≠0. 產(chǎn)生不等位電勢(shì)的主要原因是由于兩個(gè)霍爾電勢(shì)極a、b在制作時(shí)不可能絕對(duì)對(duì)稱地焊在霍爾片兩側(cè)，如圖4-13a所示。因此，當(dāng)控制電流if流過(guò)霍爾片時(shí)，a、b兩電極不處在同一等位面上，這時(shí)雖然 未加磁場(chǎng)，a、b之間存在電勢(shì)差V0，該電勢(shì)差就稱為不等位電勢(shì)。另外，元件材料的電阻率不均勻或霍爾片厚薄不均勻，控制電流極c、d的端面焊點(diǎn)接觸不良等，也是產(chǎn)生不等位電勢(shì)的原因之一。分析不等位電勢(shì)時(shí)，把霍爾元件等效成一個(gè)橋路（見圖4-13b）。不等位電勢(shì)V0相當(dāng)于橋路不平衡時(shí)輸出量，這是不希望有的。為了克服不等位電勢(shì)帶來(lái)的影響，電路根據(jù)橋路平衡原理進(jìn)行了補(bǔ)償，它的補(bǔ)償電路如圖4-14歲哦是。為消除不等位電勢(shì)，霍爾乘法器中的R1、R2、W1和霍爾元件HZ-1型組成橋式電路，調(diào)節(jié)W1的滑臂位置，可以是V0輸出為最小（一般在0~50μF左右）。但是補(bǔ)償不等位電勢(shì)的電阻溫度系數(shù)不等于霍爾元件電阻率的溫度系數(shù)，因此即使調(diào)平衡后，溫度變化仍會(huì)影響不等位電勢(shì)。如果采用具有相同溫度系數(shù)的電阻來(lái)補(bǔ)償，對(duì)霍爾元件雖然可以，但對(duì)整個(gè)乘法器部件來(lái)說(shuō)卻并不一定合適，因?yàn)榛魻栐痛怕返臏囟认禂?shù)亦不相同，有正有負(fù)。其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4-1、4-2所示。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，霍爾元件的不等位電勢(shì)V0下降，而部件的輸出電勢(shì)eH增大，在溫度超過(guò)45~50℃時(shí)，eH卡事下降，兩者有互相補(bǔ)償作用，但也要設(shè)計(jì)到磁體結(jié)構(gòu)的合理選擇、磁性材料的特性，在安裝和灌封霍爾元件時(shí)，必須對(duì)霍爾元件的性能進(jìn)行挑選、老化和篩選。
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表4-1 溫度對(duì)不等位電勢(shì)的影響 |
t(℃) |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
V0(mV) |
0.323 |
0.311 |
0.292 |
0.25 |
0.236 |
0.21 |
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表4-2 溫度對(duì)霍爾部件的影響
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t(℃) |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
eH(mV) |
27.172 |
27.198 |
27.22 |
27.228 |
27.23 |
27.205 |
轉(zhuǎn)換器的輸入為交流毫伏信號(hào)，而輸出為直流電流I，因此轉(zhuǎn)換器的反饋電流必須具有將直流電流I成比例地變成交流的特性，霍爾乘法器就是具有這種特性的裝置。圖4-14電路中，霍爾元件的控制電流if取自電流互感器B1（見圖4-12），轉(zhuǎn)換器的輸出電流I就是霍爾乘法器的激磁電流。這里if可視為幅值不變的與流量信號(hào)同相的電流，所以霍爾乘法器輸出的交流電勢(shì)eH的幅值與I成正比，其相位與流量信號(hào)同相或反相（視磁場(chǎng)方向而定）。此電勢(shì)反饋至前置放大器的輸入端，從而實(shí)現(xiàn)整機(jī)閉環(huán)負(fù)反饋。
關(guān)于補(bǔ)償電源電壓、電源頻率波動(dòng)的影響問(wèn)題，已在轉(zhuǎn)換器的工作原理中作了分析，這里再簡(jiǎn)要地說(shuō)明它的補(bǔ)償作用。從4-9、4-10式可以看出，當(dāng)電源電壓變化時(shí)，引起變送器激磁電流is的變化（即磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化），因此流量信號(hào)e也發(fā)送變化，但由于is的變化引起霍爾乘法器控制電流if的變化，霍爾乘法器的輸出電勢(shì)eH也發(fā)送變化。又因?yàn)閑與eH幾乎保持不變，故輸出電流I亦保持不變，得到了補(bǔ)償。電源頻率變化的影響與上述相同。
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