磁电式传感器原理及应用

1、瞻电理及应用1磁电感应式传感器磁电感应式传感器又称电动势式传感器,是利用电磁感应原理将 被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它是 利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的。它是一种机-电能量变换型传感器,不需要供电电源,电路简单, 性能稳定,输出阻抗小,又具有一定的频率响应范圉（一般为10 1000 Hz）,所以得到普遍应用。磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。由法拉第电磁感 应定律可知,/V匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的 磁通变化时 > 线圈中所产生的感应电动势耳V）的大小取决于穿过线 的磁通碓窗化率，即E = -Ndt磁通量的变化

2、可以通过很多办法来实现,如磁铁与线圈之间作 相对运动；磁路中磁阻的变化;恒定磁场中线圈面积的变化等, 一般可将磁电感应式传感器分为恒磁通式和变磁通式两类。1.1恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理恒磁通式磁电感应传感器结构中,工作气隙中的磁通恒定,感 应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动 磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种,如图所示。弹簧A极掌线圈ETT3<Tja磁轨，补偿线圈动駄缨翳針倆理永久磁铁线圈切割/7Sz?/线圈1/激磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线,产生与运动速度dM 城正比的感应电动势其大小为,dxe=nbidtcmb* 9式中：/V为线圈在工作气隙磁场中的

3、匝数；沏工作气隙磁感应 强度；伪每匝线圈平均长度。当传感器结构参数确定后,N、歼口胸为恒定值,馬dM城 正比,根据感应电动势啲大小就可以知道被测速度的大小。由理论推导可得,当振动频率低于传感器的固有频率时,这种传 感器的灵敏度（刃M是随振动频率而变化的；当振动频率远大于 有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化,而近似 为常数；当振动频率更高时,线圈阻抗増大”传感器灵敏度随振 动频率増加而下降。不同结构的恒磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的, 但一般频响范圉为几十赫至几百赫。低的可到10 Hz左右,高的 可达2 kHz左右。2变磁通式磁电感应传感器结构与工作原理LTJ变磁通式

4、磁电感应传感器一般做成转速传感器 产生感应电动势的频率作为输出f而电动势的频率取决于磁通变化的频率。变磁通式转速传感器的结构有开磁路和闭磁路两种。如图所示开磁路变磁通式转速传感器。 测量齿轮4安装在被测转轴上与其一起 旋转。当齿轮旋转时,齿的凹凸引起磁阻的变化从而使磁通发生变化,因而在线圈3中感应出交变的电势f其频率等于齿轮的齿数Z和转速的乘积，即f=Zn/60式中：Z为齿轮齿数；为被测轴转速(v/min)；伪感应电 动势频率(Hz)。这样当已知Z f测得/就知道了。变磁通感应式开磁路式转速传感器结构比较简单”但输出信号小,另外当被 测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。在振动强的场 合往

5、往采用闭磁路式转速传感器。被测转轴带动椭圆形测量轮5在磁场气隐中等速转动,使气隙 平均长度周期性地变化 < 因而磁路磁阻和磁通也同样周期性地变化 < 则在线圈3中产生感应电动势，其频率f与测量轮5的转 速(r/min)成正比f即/»/30。在这种结构中#也可以用齿轮 代替椭圆形测量轮5 ,软铁(极掌)制成内齿轮形式,这时输出信号频率f同前式。变磁通式传感器对环境条 件要求不高，能在150 +90°C的温度下工作,不 影响测量精度 < 也能在油. 水雾.灰尘等条件下工作。 但它的工作频率下限较高< 约为50 Hz f上限可达 100 kHz。k仁3磁电

6、感应式传感器的应用1 -转速测量2振动测量2389/、yzz4 5、八、671. 8圆形弹簧片；2-0环形阻尼器；3永久磁铁；吕架；5心轴；6工作线圈；7F体；9引线777/777/7.工作频有频灵敏度10- 500 Hz12 Hz604 mV-s最大可测加速 度可测振幅范围工作线圈内阻5g(JITI0.1m10001.9精度<10%外形尺 寸质量45mm x 160mm0.7 kg3.扭矩测量当转轴不受扭矩时 两线圈输出 信号相同,相位差为零。当被测轴 感受扭矩时,轴的两端产生扭转角 因此两个传感器输出的两个感应电 动势将因扭矩而有附加相位差O 扭轉角与感应电动势相位差的关 系为 式中

7、：羽彳龜昭子.转子的齿 数。磁电式（ 检测头I磁电式检测关转轴齿轮霍尔式传感器是基于霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的_ 种传感器。霍尔器件是一种磁传感器,用它们可以检测磁场及其 变化,可在各种与磁场有关的场合中使用。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）,耐振动,不怕 灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器 神,前耆输出檯拟量,后备输由薮字量。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、输出液形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达 级）。采用了

8、各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽, 酔 55+150乜2.1霍尔传感器的工作原理1.霍尔效应半导体薄片置于磁感应强度为g的磁场中,磁场方向垂直于薄 片,当有电流/流过薄片时,在垂直于电流和磁场的方向上将 产生电动势片,这种现象称为霍尔效应。B=0磁感应强度沏零时的情况作用在半导体薄片上的磁场强度聰强,霍尔电势也就趣高。 霍尔电势务可用下式表示:Eh=Kh IB当有图示方向磁场B作用时zO旳霍尔效应演示当磁场垂直于薄片时,电子受到洛仑兹力的作用,向内侧偏移f在半导体薄片4. B方向的端面之间建立起霍尔电势。可以推出,霍尔电动势Uh的大小为:2 吟bB 二计B = R厝*式中：氐H为灵

9、敏度系数，kH= RH/d ,表示在单位磁感应强度和单 位控制电流时的霍尔电动势的大小，与材料的物理特性（霍尔系数 和几何尺寸d有关；霍尔系数Z?h=1/（"9）”由材料物理性质所决 定,彳为电子电荷量；n为材料中的电子浓度。为磁场和薄片法线夹角。结论：霍尔电势与输入电流Z磁感应强度艇正比,且当啪 方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场 为交变磁场,则霍尔电势为同频率的交变电势。金属材料中的自由电子浓度n很高f因此/?h很小，不宜作霍尔 元件。霍尔元件多用载流子迁移率大的N型半导体材料制作。 另外,霍尔元件趣薄（趣小）,矗就越大#所以通常霍尔元件都 较薄。薄膜霍尔元件

10、的厚度只有1縮。L2.霍尔元件霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片(一般为4 mmx2 mmxO.l mm) f经研磨抛*，然后用蒸发合金法或其 他方法制作欧姆接触电极,最后焊上引线并封装。而薄膜霍尔元 件则是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片,然 后再制作欧姆接触电极,焊上引线最后封装。一般控制端引线采 用红色引线 而霍尔输出端引线则采用绿色引线。霍尔元件的壳 体用非导磁金属陶瓷或环氧树脂封广/口=(a)霍尔元件外形(b)电路符号(c)基本应用电路1) 霍尔元件的主要特性参数(1) 灵敏度褊：表示元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所 得到的开路霍尔电动势,单位为V/(AT)o(2)

11、霍尔输入电阻尽“：霍尔控制电极间的电阻值。(3) 霍尔输出电阻凡讯：霍尔输出电极间的电阻值。(4) 霍尔元件的电阻温度系数a :表示在不施加磁场的条件下, 环境温度每变化1°C时电阻的相对变化率,单位为/°C。(5) 霍尔寄生直流电势U):在外加磁场为零、霍尔元件用交流激 励时,霍尔电极输出除了交流不等位电动势外,还有一直流电势, 称为寄生直流电势。(6) 霍尔最大允许激励电流厶那：以霍尔元件允许最大温升为限 制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。错(Ge).硅(Si).锦化锢(InSb).碑化锢(InAs)和碑化稼 (GaAs)是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。表6

12、2所列 为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。材料(单晶)禁带宽度Hg/(eV)电阻率 p/(Qcm)电子迁移率 /(cm2/V-s)霍尔系数1/2PPN型错(Ge)0.661.0350042504000N型硅(Si)1.1071.5150022501840锁化 ffl(InSb)0.170.005600003504200碑化钢(InAs)0.360.0035250001001530磷碑钢(InAsP)0.630.08105008503000碑化稼(GaAs)1.470.2850017003800哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高02.2霍尔元件的误差及补偿1.霍尔元件的零位误差与补偿 霍尔元件

13、的零位误差是指在无外加磁场或无控制电流的情况下， 霍尔元件产生输出电压并由此而产生的误差。它主要表现为以 下几种具体形式。1）不等位电动势 不等位电动势是零位误差中最主要的一种, 它是当霍尔元件在额定控制电流（元件在空气“ d中温升所对应的电流）作用下,不加外磁门 场时,霍尔输出端之间的空载电动势。”/不等位电动势产生的原因是由于制造工艺£II不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍r n W 尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于 必 ° 比b 同一等位面上。此外,霍尔片电阻率不均匀,或片厚薄不均 匀,或控制电流极接触不良都将使等位面 歪斜，如图所示z致使两霍尔电极不在同 一等

14、位面上而产生不等位电动势。! / Uo/b2）寄生直流电势在无磁场的曙况下,元件通入交流电流,输出端除交流不等位电 压以外的直流分量称为寄生直流电势。产生寄生直流电势的原因 有两个方面：（1）由于控制电极焊接处接触不良而造成一种整流效 应,使控制电流因正、反向电流大小不等而具有一定的直流分量。 （2）输出电极焊点热容量不相等产生温差电动势。对于错霍尔元件, 当交流控制电流为20 mA时,输出电极的寄生直流电压小于100 一3）感应零电动势r感应零电动势是在未通电流的情况下”由于 脉动或交变磁场的作用,在输出端产生的电 动势。根据电磁感应定律,感应电动势的大 小与霍尔元件输出电极引线构成的感应面

15、积 成正比,如图所示。4）自激场零电动势霍尔元件控制电流产生自激场,如图所示。 由于元件的左右两半场相等,故产生的电动 势方向相反而抵消。实际应用时由于控制电 痂引线也产生磁场,使元件左右两半场强不 等,因而有霍尔电动势输出,这一输出电动 势即是自激场零电动势。在上述的4种零位误差中,寄生直流电动势.感应零电动势以及 自激场零电动势,是由于制作工艺上的原因而造成的误差,可以 通过工艺水平的提高加以解决。而不等位电动势所造成的零位误 差,则必须通过补偿电路给予克服。在理想情况下讦局二局二局,即可取得零位电动势为零（或零位 电阻为零）,从而消除不等位电动势。实际上，若存在零位电动势, 则说明此4个

16、电阻不完全相等,即电桥不平衡。为使其达到平衡, 可在阻值较大的桥臂上并联可调电阻第或在两个臂上同时并联电 阻碎和R。霍尔元件零位误差补偿电路oC>c>C1尺心1 R/&一 B&他B A。1-他L -TTf -1 丿一仇 I D 7?2霍尔元件的温度误差及补偿与一般半导体一样,由于电阻率、迁移率以及载流子浓度随温 度变化,所以霍尔元件的性能参数如输入、输出、电阻、霍尔 常数等也随温度而变化,致使霍尔电动势变化,产生温度误差。将温度每变化1°C时,霍尔元如/久。/(%)件输入电阻或输出电阻的相对变化率尽/几称为内阻温度系 数,由顏示。将温度每变化IX时,霍尔电

17、 压的相对变化率St/So称为 霍尔电压温度系数,用表示。哪种材料制作的霍尔元件温度误差小;？几种温度误差的补偿方法1）采用恒压源和输入回路串联电阻补偿基本电路及等效电路如图霍尔电压随温度变化的关系式为:7沁对上式求温度的导数得,要使温度变化时霍尔电压不变,必须 使外接电阻：尺_ Ro（0 _ a）2）合理选择负载电阻他的阻值正温度系数）,当霍尔元件接有负载应时 < 在坨上的电压为:霍尔元件的输出电阻&和霍尔电动势S都是温度的函数（设为U 坨闪01 + *_（0）（_坨+心1 + 0（一0）为了负载上的电压不随温度变化,Bffid/7L/da-ro）=o ,即L=oO（-l）a式

18、中：凡0为温度心时的霍尔元件输出电阻。可采用串、并连电阻的方法使上式成立来补偿温度误差,但 霍尔元件的灵敏度将会降低。3）采用温度补偿元件（如热敏电阻、电阻丝）这是一种常用的温度误差补偿方法。由于热敏电阻具有负温度 系数,电阻丝具有正温度系数,可采用输入回路串接热敏电阻, 输入回路并接电阻丝,或输出端串接热敏电阻对具有负温度系数 的镖化钢材料霍尔元件进行温度补偿。可采用输入端并接热敏电 阻方式对输出具有正温度系数的霍尔元件进行温度补偿。一般来 说,温度补偿电路、霍尔元件和放大电路应集成在一起制成集成 霍尔传感器。2.3霍尔传感器的应用霍尔元件具有结构牢、工艺成熟、体积小、寿命长、线性度好、频率

19、高、耐振动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀的优点,目前,霍尔传感器是全球使用量排名第三的传感器产品,它被广泛应用到工业.汽车业计算机手机以及 新兴消费电子领域中。1.霍尔元件基本电路连接方法霍尔元件有无铁心型.铁心型.测试用探针霍尔集成电路等几 种类型,有3脚.4脚.5脚元件等几种结构形式,如图是3 5脚(端子)的霍尔元件的基本电路连接方法。(a) 3脚元件(b) 4脚元件(c) 5脚元件別审饌观丑曲串：UM%畫惟翌l<<<<<r在_个晶片中形成有霍尔元件及放大并控制其俞由电压的电路, 而具有磁场电气变换机能的固态组件称为霍尔集成电路。霍尔集成电路的构造如图。依输出信号的性质不同 霍尔集成电路可分为线 性型和开关性型两类。线性型霍尔集成电路可 以获得与磁场强度成正 比的输出电压。磁场灵 敏度虽然可利用电路的 放大加以调节。较典型 的线性型霍尔器件如 UGN3501等。&#