磁电、磁敏式传感器

1、传感器原理及应用传感器原理及应用6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器6.3 磁敏元件磁敏元件 第六章 磁电、磁敏式传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 第六章 磁电、磁敏式传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 磁电作用主要分为电磁感应和霍尔效应两种情况，磁（电）敏式传感器可以分为磁电感应式传感器和霍尔式传感器两种。 此外还有一些半导体磁电传感器，如磁敏电阻器，磁敏晶体管，以及以这些元器件为磁-电转换器的各种半导体磁敏功能器件。 第六章 磁电、磁敏式传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 第六章 磁电、磁敏式传感器 传感器原理及应

2、用传感器原理及应用磁电感应式传感器：磁电感应式传感器：利用电磁感应原理将被测量（如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。振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。有源传感器：有源传感器：不需要辅助电源，就能把被测对象的机不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号。械量转换成易于测量的电信号。特点：特点：输出功率大，性能稳定，具有一定的工作带宽输出功率大，性能稳定，具有一定的工作带宽（101000 Hz）。）。一、磁电感应式传感器概述一、磁电感应式传感器概述 6.1 磁电感应式传感器（电动式） 传感器原理及应用传感器原理及应用 磁电感应式

3、传感器是以磁电感应式传感器是以电磁感应原理电磁感应原理为基础的。由法拉为基础的。由法拉第电磁感应定律可知，第电磁感应定律可知，N N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或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线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势E E(V)(V)的大小取决于穿过线圈的磁通的大小取决于穿过线圈的磁通 的变化率，即的变化率，即ddENtWb磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之间磁通量的变化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作相对运动；磁路中磁阻的变化；恒定磁场中线

4、圈面积的变化等，一般可将磁电感应式传感器分为化等，一般可将磁电感应式传感器分为恒磁通式恒磁通式和和变磁通式变磁通式两类。两类。二、磁电感应式传感器工作原理二、磁电感应式传感器工作原理传感器原理及应用传感器原理及应用1 1、恒磁通式、恒磁通式 6.1 磁电感应式传感器（电动式） 图图 恒磁通式磁电传感器结构原理图恒磁通式磁电传感器结构原理图 恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，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感应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切线圈切割磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种。割磁力线

5、而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种。传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用式中：式中： B0工作气隙磁感应强度；工作气隙磁感应强度； L每匝线圈平均长度；每匝线圈平均长度； N线圈在工作气隙磁场中的匝数；线圈在工作气隙磁场中的匝数； v相对运动速度。相对运动速度。0ENB Lv永久磁铁与线圈之间的相对运动速度切割磁力线从永久磁铁与线圈之间的相对运动速度切割磁力线从而产生感应电势。而产生感应电势。当传感器结构参数确定后，当传感器结构参数确定后，N N、B B和和l l均为恒定值，均为恒定值，E E与与v v成正比，成正比，根据感应电动势

6、根据感应电动势E E的大小就可以知道被测速度的大小。的大小就可以知道被测速度的大小。传感器原理及应用传感器原理及应用 这类传感器的这类传感器的线圈和磁铁都是静止不动线圈和磁铁都是静止不动的。的。利用磁性材料制成齿轮，在运动中它不断地改利用磁性材料制成齿轮，在运动中它不断地改变磁路的磁阻变磁路的磁阻，因而改变了贯穿线圈的磁通量，因而改变了贯穿线圈的磁通量，因此在线圈中感应出电动势。因此在线圈中感应出电动势。 变磁通式传感器一般都做成转速传感器，产生变磁通式传感器一般都做成转速传感器，产生的的感应电势的频率作为输出感应电势的频率作为输出，其，其频率值取决于磁通频率值取决于磁通变化的频率变化的频率。

7、 2 2、变磁通式、变磁通式 在结构上分为在结构上分为开磁路开磁路和和闭磁路闭磁路两种。两种。 传感器原理及应用传感器原理及应用 开磁路变磁通式开磁路变磁通式转速转速 传感器如图所示，传传感器如图所示，传 感器由永久磁铁、感感器由永久磁铁、感 应线圈、软铁组成。应线圈、软铁组成。 齿轮安装在被测转轴齿轮安装在被测转轴 上，与转轴一起旋转。上，与转轴一起旋转。 1永久磁铁；永久磁铁；2软铁；软铁； 3感应线圈；感应线圈；4齿轮。齿轮。图图 开磁路变磁阻式转速传感器开磁路变磁阻式转速传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 当齿轮旋转时，由齿轮的凹凸引起磁阻变化，而使当齿轮旋转时，由齿轮的凹凸引起磁

8、阻变化，而使磁通发生变化，因而在线圈磁通发生变化，因而在线圈 3 中感应出交变电势，其频中感应出交变电势，其频率等于齿轮的齿数和转速的乘积，即率等于齿轮的齿数和转速的乘积，即60/nzf式中，式中，z 为齿轮的齿数；为齿轮的齿数；n为被测轴的转速为被测轴的转速(r/min) ； f 为感应电势频率为感应电势频率(Hz)。 当齿轮的齿数当齿轮的齿数 z 确定以后，若能测出确定以后，若能测出 f 就可求出转速就可求出转速 n ( n=60f / z )。这种传感器结构简单，但输出信号小，。这种传感器结构简单，但输出信号小，转速高时信号失真也大，在振动强或转速高的场合，往转速高时信号失真也大，在振动

9、强或转速高的场合，往往采用闭磁路变磁阻式转速传感器。往采用闭磁路变磁阻式转速传感器。 传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用已知测量齿轮齿数Z=18，采用变磁通感应式传感器测量工作轴转速(如图所示)。若测得输出电动势的交变频率为24(Hz)，求：被测轴的转速n(r/min)为多少? 解：测量时，齿轮随工作轴一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，磁通也变化一次，因此，线圈感应电动势的变化频率f等于齿轮的齿数Z与转速n的乘积。60fZ602418= 80(r/min)f=nZ/60n=602418=602418传感器原理及应用传感器原理及应用图为图为闭磁路变磁通

10、式闭磁路变磁通式， 它由装在转轴上的内它由装在转轴上的内 齿轮和外齿轮、永久齿轮和外齿轮、永久 磁铁和感应线圈组成，磁铁和感应线圈组成， 内外齿轮齿数相同。当转内外齿轮齿数相同。当转 轴连接到被测转轴上时，轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感生电动势。显然，感应电势的频率线圈内产生周期性变化的感生电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。与被测转速成正比。6.1 磁电

11、电感应应式传传感器1 -转轴2 -内齿轮3a、3b -外齿轮4 -线圈5 -永久磁铁传感器原理及应用传感器原理及应用 转速传感器的输出电势取决于线圈中磁场变转速传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度，因而它是与被测速度成一定比例的，当化速度，因而它是与被测速度成一定比例的，当转速太低时，输出电势很小，以致无法测量。所转速太低时，输出电势很小，以致无法测量。所以这种传感器有一个以这种传感器有一个下限工作频率下限工作频率，一般为，一般为50Hz左右，左右，闭磁路转速传感器下限频率可低到闭磁路转速传感器下限频率可低到30Hz左左右，上限工作频率可达右，上限工作频率可达100Hz。若将输出电势信号。

12、若将输出电势信号转化为脉冲信号，则可方便的求解出转速的大小。转化为脉冲信号，则可方便的求解出转速的大小。传感器原理及应用传感器原理及应用当测量电路接入磁电传感器电路时，当测量电路接入磁电传感器电路时，Rf为测量电路输入电阻，为测量电路输入电阻，R为线圈等效电阻，为线圈等效电阻，则磁电传感器的输出电流和电压为则磁电传感器的输出电流和电压为 三、磁电感应式传感器基本特性三、磁电感应式传感器基本特性ofooooffffB lNvRB lNvEIUI RRRRRRR；1 1、磁电传感器的灵敏度、磁电传感器的灵敏度传感器的输出电流和电压灵敏度分别传感器的输出电流和电压灵敏度分别灵敏度为灵敏度为 ofoo

13、oIUffB lN RIB lNUSSvRRvRR；灵敏度相对误差为灵敏度相对误差为 RdRldlBdBSdSII灵敏度误差：灵敏度误差：工作温度变化、外界磁工作温度变化、外界磁场干扰、机械振动或冲击，灵敏度会变化。场干扰、机械振动或冲击，灵敏度会变化。 6.1 磁电感应式传感器（电动式） 传感器原理及应用传感器原理及应用磁电式传感器产生非线性误差的主磁电式传感器产生非线性误差的主要原因：要原因：电流磁场效应。电流磁场效应。2 2、磁电传感器的非线性误差、磁电传感器的非线性误差传感器线圈内流过电流时，产生一传感器线圈内流过电流时，产生一定的交变磁通，叠加在永久磁铁所产生的定的交变磁通，叠加在永

14、久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化。工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化。传感器电流的磁场效应传感器电流的磁场效应 6.1 磁电感应式传感器（电动式） 传感器原理及应用传感器原理及应用这种影响分为两种情况：1、当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时, 将产生较大的感生电势E和较大的电流I，由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱了工作磁场的作用, 从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。传感器电流的磁场效应传感器电流的磁场效应 传感器原理及应用传感器原理及应用 2、当线圈的运动速度与图示方向相反时, 感生电势E、 线圈感应电流反向，所产生的附加磁场方向与工作磁

15、场同向，从而增大了传感器的灵敏度。 其结果是线圈运动速度方向不同时, 传感器的灵敏度具有不同的数值。传感器本身灵敏度越高, 线圈中电流越大，这种非线性越严重。传感器原理及应用传感器原理及应用 为补偿上述附加磁场干扰, 可在传感器中加入补偿线圈， 如图所示。补偿线圈通以经放大K倍的电流, 适当选择补偿线圈参数, 可使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通互相抵消, 从而达到补偿的目的。传感器原理及应用传感器原理及应用3 3、磁电传感器的温度误差、磁电传感器的温度误差当温度变化每摄氏度时，对当温度变化每摄氏度时，对铜线变化量为铜线变化量为dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-

16、2，dB/B的变化量的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。决定于永久磁铁的磁性材料。对 铝 镍 钴 永 久 磁 合 金 ，对 铝 镍 钴 永 久 磁 合 金 ，dB/B-0.0210-2，灵敏度随温度，灵敏度随温度变化误差为变化误差为这一数值是很可观的，需要这一数值是很可观的，需要进行温度补偿。进行温度补偿。Ct10%5.4热磁分流器补偿：热磁分流器补偿：热磁分流器由具有很大负热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成温度系数的特殊磁性材料做成。在正常工作温度下已将空在正常工作温度下已将空气隙磁通分掉一小部分。当温气隙磁通分掉一小部分。当温度升高时，热磁分流器的磁导度升高时，热磁分流器的磁导

17、率显著下降，经分流掉的磁通率显著下降，经分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低，从而保持空气度下显著降低，从而保持空气隙的工作磁通不随温度变化，隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。维持传感器灵敏度为常数。 6.1 磁电感应式传感器（电动式） 传感器原理及应用传感器原理及应用n 信号输出经测量电路转换可获得位移和加速度信号输出经测量电路转换可获得位移和加速度 直接输出电动势，测量速度信号；直接输出电动势，测量速度信号； 接入积分电路可测量位移信号；接入积分电路可测量位移信号； 接入微分电路可测量加速度信号。接入微分电路可测量加速度信号。四、磁电

18、感应式传感器测量电路四、磁电感应式传感器测量电路 磁电感应式传感器直接输出电动势，且通常具有高的灵敏度，磁电感应式传感器直接输出电动势，且通常具有高的灵敏度，一般不需要高增益放大器。一般不需要高增益放大器。 6.1 磁电感应式传感器（电动式） 位移位移速度速度加速度加速度esvxvtdvadt传感器原理及应用传感器原理及应用位移位移速度速度加速度加速度esvxvtdvadt传感器原理及应用传感器原理及应用v 速度经积分电路速度经积分电路 可测量位移可测量位移01( )ciu tuudtRCI If f C CI Ii i R Ru ui iu u0 0- -+ +dxvdxvdtdt 0iut

19、u dtvtx/ifiIIu R理想运放理想运放根据根据001( )tfutI dtC 设电容上初始电压为零，输出电压是输入电压对时间积分设电容上初始电压为零，输出电压是输入电压对时间积分uitu0tiu e sv 传感器原理及应用传感器原理及应用v 速度经微分电路速度经微分电路 可测量加速度可测量加速度 0( )iffduu tI RRCdtI If f R Rf fI Ic c C Cu ui iu u0 0- -+ +cfII理想运放理想运放icduIcdt因为因为dvadt 0idudvu tadtdtu0tuitiuesv 传感器原理及应用传感器原理及应用五、磁电感应式传感器的应用五

20、、磁电感应式传感器的应用 6.1 磁电感应式传感器（电动式） 1.振动测量 磁铁与线圈之间相对运动，运动速度接近振动速度，磁路气隙中的线圈切割磁力线，产生于正比振动速度的感应电动势 传感器原理及应用传感器原理及应用输出不从零开始，从 Va 开始:1.V Va 必需克服静摩擦力,才能相对运动；2.V Vc 惯性太大超过范围 振动传感器输出特性振动传感器输出特性传感器原理及应用传感器原理及应用 当转轴不受扭矩时，两线圈输出当转轴不受扭矩时，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，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

21、应电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动势将因扭矩而有附加相位差 。扭转角扭转角 与感应电动势相位差的关与感应电动势相位差的关系为系为式中：式中：z z为传感器定子、转子的齿为传感器定子、转子的齿数。数。0z02.扭矩测量传感器原理及应用传感器原理及应用1、磁电式传感器测量电路中引入积分电路是为了测量（ ）。A位移 B速度C加速度 D光强2、当传感器线圈相对磁场运动所产生的附加磁场与原工作磁场方向相反时，附加磁场将 工作磁场的作用，从而使传感器的灵敏度随检测速度的增大而 。 A、减弱、增大 B、减弱、降低 C、减弱、不变 D、增强、增大传感器原理及应用传感器原理及应用3、

22、磁电式传感器是利用导体和磁场发生 而在导体两端输出感应电动势的原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。4、磁电式传感器只用于测量 ，可以直接测量振动物体的线速度或旋转体的角速度，加入积分或者微分电路后，可以测量位移和加速度。 传感器原理及应用传感器原理及应用 霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。 1879年美国物理学家霍尔（E.H.Hall）首先在金属材料中发现了霍尔效应, 但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。 优点：灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小、重

23、量轻、寿命长、安装方便、功耗小、频率高（可达1MHz）、耐高温、耐震动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 已广泛应用于非电量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。6.2 霍尔式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用IBKUHHHKHULbdBIHEIHUxyz半导体一、霍尔效应一、霍尔效应图形符号图形符号传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用UHKH I B KH霍尔元件的灵敏度。 若保持I恒定，作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势UH也就越高。 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁

24、感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为UH =KHIBcos 传感器原理及应用传感器原理及应用2. 工作原理 霍尔效应是物质中的运动电荷受磁场中洛仑兹（Lorentz)力作用而产生的一种特性。 霍尔元件(设为N 型半导体)置于磁场B中，当通以电流I 时，运动电荷（载流子电子）受磁场中洛仑兹力fL 的作用，向垂直于B 和电流I的方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即运动电荷（电子）有向某一端积聚的现象，使霍尔元件一端面产生负电荷积聚，另一端面则为正电荷积聚。由于电荷聚积，产生静电场，该静电场对运动电荷（电子）的作用力fE 与洛仑兹力fL方向相反，阻止其偏转，当

25、二力相等时，电荷积累达到动态平衡，此时的静电场即为霍尔电场，在电荷积聚的两面上产生的电势称为霍尔电势霍尔电势。 (a)磁场为磁场为0时电子的流动时电子的流动 (b)电子在洛仑兹力作用下发生偏转电子在洛仑兹力作用下发生偏转 (c)电荷积累达到平衡时电荷积累达到平衡时传感器原理及应用传感器原理及应用 洛仑兹力 fL = evB e 电子所带电荷量 v 电子运动平均速度 B 磁感应强度 霍尔电场作用力 fE = eEH = eUH /bEH 霍尔电场 UH 霍尔电势 b 霍尔片的宽度 动态平衡时 fL = fE 则 evB =eUH /b由于电流密度 J =nev，则电流强度为 I =nevbd N

26、型半导体： P型半导体：式中，d 霍尔片厚度 n 电子浓度 p 空穴浓度HIBUvbBned pedIBUH传感器原理及应用传感器原理及应用3. 霍尔系数及灵敏度 （1）霍尔系数：N型半导体： neR1HP型半导体： peR1H RH 被定义为霍尔传感器的霍尔系数，霍尔系数由材料性质决定。它决定霍尔电势的强弱。 dRKHH（2）灵敏度：传感器原理及应用传感器原理及应用则 ，于是得到 RH。UHKH IB IBUKHH 霍尔元件的灵敏度就是指在单位磁感应强度和单位控制电流作用时，所能输出的霍尔电势的大小。 由于材料电阻率与载流子浓度和其迁移率 有关，即 ne1或 pe1 霍尔电势除了与材料的载流

27、子迁移率和电阻率有关，同时还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件的厚度 d 与 KH 成反比，因此，霍尔元件的厚度越小其灵敏度越高（一般0.1mm）。 HR 要想霍尔电势强，材料的电阻率必须要高，且迁移率也要大要想霍尔电势强，材料的电阻率必须要高，且迁移率也要大。虽然金属导体的载流子迁移率很大，但其电阻率低；绝缘体电阻率很高，但其载流子迁移率低。因此，只有半导体材料为最佳的霍尔传感器材料只有半导体材料为最佳的霍尔传感器材料。传感器原理及应用传感器原理及应用霍尔元件：霍尔元件：基于霍尔效应工基于霍尔效应工作的半导体器件。作的半导体器件。霍尔元件材料：霍尔元件材料：多

28、采用多采用N型型半导体材料。半导体材料。霍尔元件组成：霍尔元件组成：霍尔片、四霍尔片、四根引线和壳体。根引线和壳体。二、霍尔元件的结构与特性二、霍尔元件的结构与特性最常用的霍尔元件材料有：最常用的霍尔元件材料有：锗锗(Ge)、硅、硅(Si)、锑化铟、锑化铟(InSb)、砷、砷化铟化铟(InAs)等半导体材料等半导体材料。霍尔元件的壳体霍尔元件的壳体：用非导磁：用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。金属、陶瓷或环氧树脂封装。1 1、霍尔元件的构造、霍尔元件的构造霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片(420.1mm3)，长度方向两端面，长度方向两端面上焊有上焊有a、b两根引线，通常用红

29、色两根引线，通常用红色导线，称为控制电极；在另两侧端导线，称为控制电极；在另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，称为霍尔电极。导线，称为霍尔电极。6.2 霍尔式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用二、霍尔元件的结构与特性二、霍尔元件的结构与特性锗（锗（Ge）：）：灵敏度低、温灵敏度低、温度特性及线性度好。度特性及线性度好。锑化铟锑化铟（InSb）：）：灵敏度灵敏度最高、受温度影响大。最高、受温度影响大。1 1、霍尔元件的构造、霍尔元件的构造溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件输出

30、1输出2输入1输入2磁性顶端引线衬底霍尔元件霍尔元件霍尔元件电路图形符号：电路图形符号： 11 激励电极激励电极22 霍尔电极霍尔电极6.2 霍尔式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用1）. 输入电阻Ri 和输出电阻Ro Ri 是指控制电流电极之间的电阻值，Ro 指霍尔电压电极间的电阻。Ri 和Ro 可以在无磁场时，用欧姆表等测量。 Ri Ro ，（1002000）。2). 额定控制电流Ic 使霍尔元件在空气中产生10温升的控制电流。（几mA 几十mA）。3).不等位电势U0 和不等位电阻R0 霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时其霍尔电压电极间的电势为不等位电势（也称为非平衡电压或残

31、留电压）。主要是由于两电极不在同一等位面上以及材料电阻率不均匀等因素引起的。一般U0 10mV。不等位电势和额定控制电流 Ic之比为不等位电阻 。 R0= U0 / Ic。 4).灵敏度KH 在单位磁感强度下，通以单位控制电流时所产生的开路霍尔电压。3 3、霍尔元件的技术参数霍尔元件的技术参数传感器原理及应用传感器原理及应用5).寄生直流电势U0D 在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电压电极间产生的直流电势。主要是由于电极与霍尔基片间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造成的。6).霍尔电势温度系数 在一定的磁感应强度和控制电流下，温度每变化时，霍尔电势变化的百分率（/ ）。7).电

32、阻温度系数 为温度每变化1时，霍尔元件电阻变化的百分（ / ）。8).灵敏度温度系数 为温度每变化1时，霍尔元件灵敏度的变化率。9).线性度 霍尔元件的线性度常用1kGs时相对于5kGs时霍尔电压的最大差值的百分比表示。传感器原理及应用传感器原理及应用 霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精度，造成测量误差的主要因素有两类：一类是半导体固有特性；一类为半导体制造工艺的缺陷。 其表现为零位误差零位误差(不等位电势误差不等位电势误差)和温度误差和温度误差。 三、霍尔元件测量误差和补偿传感器原理及应用传感器原理及应用 当霍尔元件通以激励电流当霍尔元件通以激励电流 I 时，若磁场时，若磁场 B

33、=0，理论，理论上霍尔电势上霍尔电势 UH=0，但实际，但实际 UH0，这时测得的空载，这时测得的空载电势称不等位电势电势称不等位电势 U0 。 产生的原因：产生的原因：霍尔引出电极安装不对称，霍尔引出电极安装不对称，不在同一等位面上，不在同一等位面上，或激励电极接触不良。或激励电极接触不良。半导体材料不均匀，几何尺寸半导体材料不均匀，几何尺寸不均匀，造成电阻率不均匀。不均匀，造成电阻率不均匀。(1) (1) 不等位电势不等位电势HHUK IB传感器原理及应用传感器原理及应用 不等位电势的补偿不等位电势的补偿 分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥

34、不等位电压相当于桥不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出，路初始有不平衡输出，U00，可在电阻大的，可在电阻大的桥臂上并联电阻。桥臂上并联电阻。不等位电势可表示为不等位电势可表示为 U0 = r0 IH, r0为不等位为不等位电阻电阻传感器原理及应用传感器原理及应用 霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温度变化时，载流子浓度当温度变化时，载流子浓度n、迁移率、迁移率、电阻率、电阻率，霍尔系数霍尔系数RH都会变化。都会变化。(2) (2) 温度误差及补偿温度误差及补偿 灵敏度与温度系数关系灵敏度与温度系数关系 恒流源补偿：恒流源补偿： 由由

35、 UH = KH I B 可见，恒流源可见，恒流源 I 供电可使供电可使UH稳定，稳定， 但灵敏度系数但灵敏度系数 KH = RH /d = /d 也是温度的函数，也是温度的函数， 温度温度T变化时，灵敏度变化时，灵敏度KH也变化。也变化。0001()1HtHHKKttKT 传感器原理及应用传感器原理及应用 恒流源补偿方法恒流源补偿方法: :在霍尔元件上并联一分流电阻在霍尔元件上并联一分流电阻RpI IH H R RININ当当T TI IP PU UH H 由于恒流源电流由于恒流源电流 I 不变，不变，R p自动增加自动增加分流，使分流，使 I p 增大，增大， IH 下降，下降，UH下降；

36、下降； 补偿电阻补偿电阻 Rp 可选择负温度系数可选择负温度系数.I IH HR RP PT TI IP PU UH HKH = RH /d =/d 多数霍尔器件是正温度系数，多数霍尔器件是正温度系数，T KH ，可通过减小，可通过减小 I 保持保持 KHI 不变，抵消温度造成不变，抵消温度造成 KH 增加的影响。增加的影响。传感器原理及应用传感器原理及应用四、霍尔元件的应用电路 1. 基本测量电路 控制电流 I 由电源 E 供给，电位器 W 调节控制电流 I 的大小。霍尔元件输出接负载电阻 RL ，RL 可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产生

37、霍尔电势 UH ，所以在测量中，可以把 I 和 B 的乘积，或者 I ，或者 B 作为输入信号，则霍尔元件的输出电势分别正比于 I B 或 I 或 B 。 基本电路基本电路UHKH IB 传感器原理及应用传感器原理及应用2. 霍尔元件的驱动方式 霍尔元件的控制电流可以采用恒流驱动或恒压驱动。（a）恒流驱动）恒流驱动 （b）恒压驱动）恒压驱动传感器原理及应用传感器原理及应用 图（a）为直流供电情况。控制电流端并联，由W1、W2调节两个元件的输出霍尔电势，A、B为输出端，则它的输出电势为单片的两倍。 图（b）为交流供电情况。控制电流端串联，各元件输出端接输出变压器 B 的初级绕组，变压器的次级便有

38、霍尔电势信号叠加值输出。（a）（b）3. 霍尔元件的连接方式 除了霍尔元件基本电路形式之外，如果为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。传感器原理及应用传感器原理及应用4. 霍尔电势的输出电路 霍尔元件是一种四端器件四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏量级，在实际使用时必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式，因此，输出电路有两种结构。 （a）线性应用）线性应用 （b）开关应用）开关应用 当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不等位电势小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。 当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔器件。 传感器原理及应用

39、传感器原理及应用集成霍尔传感器：集成霍尔传感器：利用硅集成利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的霍尔传感器，取消了传感器在一起的霍尔传感器，取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了和测量电路之间的界限，实现了材料、材料、元件、电路三位一体元件、电路三位一体。集成霍尔传感器由于减少了焊集成霍尔传感器由于减少了焊点，显著地提高了可靠性，还具有点，显著地提高了可靠性，还具有体体积小、重量轻、功耗低等优点积小、重量轻、功耗低等优点，应用，应用越来越广泛。越来越广泛。五、集成霍尔传感器五、集成霍尔传感器 1 1、开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器霍尔开关

40、电路霍尔开关电路开关型集成霍尔传感器是把霍开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。电平或低电平的数字信号。 霍尔开关电路又称霍尔霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触片、差分放大器，施密特触发器和输出级五部分组成。发器和输出级五部分组成。6.2 霍尔式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用6.2 霍尔式传感器2 2、线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器：线性集成霍尔传感器：霍尔元件与放大线路集成在霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。输出电压与一起的

41、传感器。输出电压与外加磁场成线性比例关系。外加磁场成线性比例关系。 一般由霍尔元件、差分一般由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压放大、射极跟随输出及稳压四部分组成。四部分组成。线性霍尔集成传感器广线性霍尔集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的度、速度、磁场、电流等的测量或控制。测量或控制。传感器原理及应用传感器原理及应用六、霍尔传感器的应用 利用霍尔传感器的磁电转换特性可以十分方便地测量磁场强度、电流等有关的物理量。 按被检测的对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人

42、为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它将许多非电、非磁的物理量，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。 1.位移测量 2.力（压力）测量 3.角度测量 4.霍尔加速度传感器 5.霍尔电流传感器 6.霍尔功率传感器 7.霍尔计数装置（接近开关）8.霍尔转速传感器 9.液位控制传感器原理及应用传感器原理及应用对上式积分 UH = K x 霍尔电势与位移量成线性关系，其输出电势的极性反映了位移方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度越好。当 x0 时，则元件置于磁场中心位

43、置，UH0。这种位移传感器一般可测量12 mm的微小位移，其特点是惯性小，响应速度快，无触点测量。利用这一原理可以测量与之有关的非电量，如力、压力、加速度、液位和压差等。 1位移测量 在梯度磁场中放置一个霍尔元件。当控制电流 I 恒定不变时，霍尔电势UH 与磁感应强度成正比；若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度 dB / dx 为一常数，则当霍尔元件沿 x 方向移动时，霍尔电势变化为 KxBdIRxUddddHH（位移传感器的输出灵敏度）传感器原理及应用传感器原理及应用霍尔元件置于磁场中，左半部磁霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下。场方向向上，右半部磁场方向向下。从从a

44、端通人电流端通人电流I，左和右半部产，左和右半部产生霍尔电势生霍尔电势UH1和和UH2，方向相反。因，方向相反。因此，此，c、d两端电势为两端电势为UH1-UH2。若 霍 尔 元 件 在 初 始 位 置 时若 霍 尔 元 件 在 初 始 位 置 时UH1=UH2，则输出为零。，则输出为零。改变磁极系统与霍尔元件的相对改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，可得输出电压，大小正比于位置时，可得输出电压，大小正比于位移量。位移量。传感器原理及应用传感器原理及应用 当力F作用在悬臂梁上时，梁将发生变形，霍尔器件将有与力成正比的电压输出，通过测试电压即可测出力的大小。力与电压输出有一些非线性时，可采用电路

45、或单片机软件来补偿。2. 力(压力)测量传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用3. 角度测量sinHHIBKU 将霍尔器件置于永久磁铁的磁场中，其输出霍尔电势UH为传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用4. 霍尔加速度传感器霍尔式加速度传感器霍尔式加速度传感器上下方向的加速度上下方向的加速度 成比例的惯性力成比例的惯性力 梁发生弯梁发生弯曲变形曲变形 自由端产生与加速度成比例的位移自由端产生与加速度成比例的位移 霍尔霍尔元件输出与加速度成比例的霍尔电势元件输出与加速度成比例的霍尔电势U UH H。传感器原理及应用传感器原理及应用5. 霍尔电流

46、传感器（霍尔传感器测电流） 霍尔传感器广泛用于测量电流，从而可以制成电流过载检测器或过载保护装置；在电机控制驱动中，作为电流反馈元件，构成电流反馈回路。 传感器原理及应用传感器原理及应用铁心铁心 将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。线性霍线性霍尔尔IC传感器原理及应用传感器原理及应用 下面以UGN3501M霍尔传感器为例，阐明其测量电流的原理。 标准软磁材料圆环中心直径为40mm，截面积为44mm2（方形），圆环上有一缺口，放入霍尔传感器，圆环上绕有11匝线，并通

47、过检测电流。根据磁路理论，可以算出电流为50A时，可产生0.3T磁场强度。由于UGN3501M的灵敏度为14mVmT，则在050A电流范围内，其输出电压变化为04.2V。传感器原理及应用传感器原理及应用压舌压舌豁口豁口霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔式电流谐波分析仪传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用 6. 霍尔功率传感器 利用 UH =KHIB 关系，如果 I 和 B 是两个独立变量，霍尔器件就是一个简单实用的模拟乘法器；如果 I 和 B 分别与某一负载两端的电压和通过的电流有关，则霍尔器件便可用于负载功率测量。霍尔器件测电功率霍尔器件测电功率BiKucHH 负载

48、ZL所取电流 i 流过铁芯线圈以产生交变磁感强度B，电源电压U经过降压电阻R得到的交流电流ic流过霍尔器件，则霍尔器件输出电压uH便与电功率P成正比，即iuP传感器原理及应用传感器原理及应用还可以完成乘方、开方、到数、除法、开立方等功能。霍尔元件平方器霍尔元件平方器 霍尔元件开方器霍尔元件开方器 传感器原理及应用传感器原理及应用7. 霍尔计数装置（接近开关） UGN3501T具有较高的灵敏度，能感受到很小的磁场变化，因而可以检测铁磁物质的有无，利用这一特性可以制成计数装置。 从图中还可以看出，霍尔元件也是一种接近开关。 传感器原理及应用传感器原理及应用霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近、并达

49、到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁（永磁）。 用开关型霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。传感器原理及应用传感器原理及应用 在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。 min)/(460rfn 开关型霍尔开关型霍尔ICIC软铁分流翼片软铁分流翼片霍尔式接近开关用于转速测量霍尔式接近开关用于限位作用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用8. 霍

50、尔转速传感器11转轴转轴 22转盘转盘 33磁铁磁铁 44霍尔元件霍尔元件几种霍尔转速传感器的结构几种霍尔转速传感器的结构 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮。传感器原理及应用传感器原理及应用转角HV02转角HV0NS霍尔元件永磁体被测轴永磁体安装在轴端NS被测轴霍尔元件永磁体永磁体安装在轴侧传感器原理及应用传感器原理及应用S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁 将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。传感器原理及应用传感器原理及应用 图（a），当齿对准霍尔

51、元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平； 图（b），当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。（a）（b）传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用带有微型带有微型磁铁的霍磁铁的霍尔传感器尔传感器钢质齿圈钢质齿圈霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型带有微型磁铁的霍磁铁的霍尔传感器尔传感器传感器原理及应用传感器原理及应用9. 液位控制 在浮子上装一块小磁钢，在两液位极限位置上装上霍尔开关集成电路。当液面升、降到极限位

52、置时，霍尔开关集成电路便输出信号用以控制电机的开、关，从而达到控制液位的目的。传感器原理及应用传感器原理及应用练 习 题1.霍尔效应是导体中的载流子在磁场中受 作用产生 的结果。2.半导体材料中的 比金属的小得多，因而霍尔常数大，加上半导体中电子的 比空穴大，故霍尔元件多采用 材料制成。3. 减少霍尔元件温度误差的电路措施有：(1)采用 提 供 控 制 电 流 ； ( 2 ) 合 理 选 择 。 (3) 。4. 霍尔元件使用时 电极和 电极不能接反，霍尔电势UH= 。5. 可以减小霍尔元件的输出不等位电势的办法是工艺上保证电极对称，实现欧姆接触； 。传感器原理及应用传感器原理及应用6. 霍尔式

53、传感器基本包括两部分：一部分是弹性元件，将感受的非电量转换成 ，另一部分是霍尔元件和 。7. 制造霍尔元件的半导体材料中，目前用的较多的是锗、锑化铟、砷化铟，其原因是（ ）A. 半导体中电子迁移率比空穴高B. 半导体材料的电子迁移率比较大 C. 半导体较适宜制造灵敏度较高的霍尔元件D. 半导体载流子浓度比金属的大 8. 霍尔效应中，霍尔电动势与（ ）A. 灵敏度成反比 B. 灵敏度成正比C. 霍尔元件的厚度成反比 D. 霍尔元件的厚度成正比传感器原理及应用传感器原理及应用9. 霍尔效应中，霍尔电动势与（ ）A. 激磁电流成正比 B. 激磁电流成反比C. 磁感应强度成正比 D.磁感应强度成反比1

54、0. 下列不属于霍尔元件基本特性参数的是（ ）。A. 不等位电势 B. 不等位电阻C. 寄生直流电动势 D. 零点残余电压11.霍尔元件不等位电势产生的主要原因不包括（ ） A霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位上B半导体材料不均匀造成电阻率不均匀或几何尺寸不均匀C周围环境温度变化D激励电极接触不良造成激励电流不均匀分配 传感器原理及应用传感器原理及应用n 磁敏元件也是基于磁电转换原理,60年代西门子公司研制了第一个磁敏元件,1968年索尼公司研制成磁敏二极管,目前磁敏元件应用广泛。磁敏传感器主要有：磁敏传感器主要有：磁敏电阻；磁敏电阻；6.3 磁敏元件磁敏元件磁敏晶体管磁敏晶体管。磁敏二极

55、管磁敏三极管传感器原理及应用传感器原理及应用磁阻效应：磁阻效应：当载流体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化当载流体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。的现象。当温度恒定时，在磁场中磁阻与磁感应强度当温度恒定时，在磁场中磁阻与磁感应强度B的平方成正比。的平方成正比。若器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出来的磁若器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为阻效应方程为一、磁敏电阻元件一、磁敏电阻元件6.3 磁敏元件1 1、磁阻效应磁阻效应)273. 01220BB （22220273. 0BKB 迁 移 率 越 高 的 材 料 （ 如迁 移 率 越 高 的 材 料 （ 如I

56、nSb、InAs、NiSb等半导体材等半导体材料）磁阻效应越明显。料）磁阻效应越明显。从微观上讲，材料的电阻从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因率增加是因为电流的流动路径因磁场的作用而加长所致。磁场的作用而加长所致。传感器原理及应用传感器原理及应用长方形样品长方形样品 扁条状长形扁条状长形 圆盘样品圆盘样品磁阻效应除与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。磁阻效应除与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。（几何磁阻效应）（几何磁阻效应）在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽度的比越小，在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽度的比越小，电阻率的相对变化越大。电阻率的相对变化越大。2 2

57、、磁敏电阻结构、磁敏电阻结构传感器原理及应用传感器原理及应用长方形样品：霍尔电场作用FH小,电阻变化很小。扁条状长形：霍尔电势EH很小,电流磁场作用偏转 厉害，效应明显。圆盘样品：外加磁场时，电流以螺旋形路径指向外电 极，路径增大电阻增加。在圆盘中任何地 方都不会积累电荷也不会产生霍尔电场。u 为了消除霍尔电场影响获得大的磁阻效应, 一般将磁敏电阻制成圆形或扁条长方形。 传感器原理及应用传感器原理及应用磁敏电阻的结构磁敏电阻的结构等效电路等效电路传感器原理及应用传感器原理及应用磁敏电阻与霍尔元件属同一类磁敏电阻与霍尔元件属同一类, ,都是磁电转换元件都是磁电转换元件, ,二者本质不同是磁敏电阻

58、没有判断极性的能力二者本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力, ,只只有与辅助材料有与辅助材料( (磁铁磁铁) )并用才具有识别磁极的能力并用才具有识别磁极的能力. .（3 3）磁敏电阻的输出特性）磁敏电阻的输出特性RM磁敏电阻电路符号磁敏电阻电路符号RM传感器原理及应用传感器原理及应用无偏置磁场时只能检测磁场不能无偏置磁场时只能检测磁场不能判别磁性。输出弱磁场时磁阻与判别磁性。输出弱磁场时磁阻与磁场关系为：磁场关系为： R =R0（1+MB2） R0 为零磁场内阻；为零磁场内阻； M 为零磁场系数；为零磁场系数；外加偏置磁场时磁阻具有极性，外加偏置磁场时磁阻具有极性，相当于在检测磁场外加了偏置

59、磁相当于在检测磁场外加了偏置磁场，工作点移到线性区，磁极性场，工作点移到线性区，磁极性也作为电阻值变化表现出来，这也作为电阻值变化表现出来，这时电阻值的变化为：时电阻值的变化为： R = RB（1+MB） RB 为加偏置磁场电阻为加偏置磁场电阻传感器原理及应用传感器原理及应用这种传感器主要用于识别磁性墨水的图形和文字，这种传感器主要用于识别磁性墨水的图形和文字，在自动测量技术中检测微小磁信号，如录音机、在自动测量技术中检测微小磁信号，如录音机、录像机的磁带、磁盘；防伪纸币、票据、信用录像机的磁带、磁盘；防伪纸币、票据、信用（磁）卡上用的磁性油墨等。（磁）卡上用的磁性油墨等。可测磁性齿轮，磁性墨

60、水，磁性条形码，磁带，可测磁性齿轮，磁性墨水，磁性条形码，磁带，识别有机磁性（自动售货机）。识别有机磁性（自动售货机）。(4) (4) 磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用传感器原理及应用传感器原理及应用锑化铟(InSb)磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用 利用锑化铟（InSb）磁阻传感器进行弱磁信号的检测，已取得了成功，例如在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用。在该元件的磁敏表面上垂直施加磁通量时，则可使其电阻发生变化。将两只磁敏电阻RM1、RM2 串联，施加一定的 UE 和特定磁场B；当外磁场接近两个磁阻元件之一时，在该元件上产生磁通增量，使输出电压发生变化。MRS型系列磁型系列磁敏电阻传感器敏电阻传