第5章1 磁电传感器ppt课件

1、基本原理：利用电磁感应原理，将输入(如振动、转速、扭矩运动速度)转换成线圈中感应电动势输出的传感器。特点：特点：有源传感器：不需要提供电源有源传感器：不需要提供电源;如振动、转速、扭矩如振动、转速、扭矩具有双向转换特性具有双向转换特性;具有较大的输出功率具有较大的输出功率;只适用于动态测量。只适用于动态测量。5.1.1 磁电式传感器的工作原理5.1.2 动圈式磁电传感器5.1.3 磁阻式磁电传感器5.1.4 磁电式传感器的动态特性dtdNE由法拉第电磁感应定律，当由法拉第电磁感应定律，当N匝线圈在均恒磁场中匝线圈在均恒磁场中运动时，设穿过线圈的磁通为运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈的感应电，

2、则线圈的感应电动势动势E为：为：线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线，感线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线，感生电势为：生电势为：sinsinNBlvdtdxNBlEB：磁场磁感应强度；：磁场磁感应强度；l:每匝线圈的有效长度每匝线圈的有效长度：运动方向与磁场方向之间的夹角；：运动方向与磁场方向之间的夹角；v:线圈与磁场之间的相对运动速度，线圈与磁场之间的相对运动速度，m/s线圈相对磁场作旋转运动并切割磁力线，感生电线圈相对磁场作旋转运动并切割磁力线，感生电势为：势为：sinsinNBSdtdNBSeS：每匝线圈的围成的面积：每匝线圈的围成的面积：线圈平面法线方向与磁场方向之间的夹角

3、；：线圈平面法线方向与磁场方向之间的夹角；:线圈与磁场之间的相对运动角速度线圈与磁场之间的相对运动角速度恒定磁通式：恒定磁通式：工作气隙中磁通不变，线圈中的感应电势由工作气隙中磁通不变，线圈中的感应电势由线圈相对永久磁铁运动并切割磁力线产生线圈相对永久磁铁运动并切割磁力线产生。变磁通式：变磁通式：磁铁、线圈均不动，感应电势由变化的磁通磁铁、线圈均不动，感应电势由变化的磁通产生，如图示转速测量：产生，如图示转速测量：1一永久磁铁一永久磁铁2一软磁铁一软磁铁3一感应线圈一感应线圈4一测量齿轮一测量齿轮u磁通量磁通量的变化实现办法的变化实现办法:u磁铁与线圈之间作相对运动；磁铁与线圈之间作相对运动；

4、u磁路中磁阻的变化；磁路中磁阻的变化；u恒定磁场中线圈面积的变化恒定磁场中线圈面积的变化.u直接应用：测定速度直接应用：测定速度u在信号调节电路中接积分电路，或微分在信号调节电路中接积分电路，或微分电路，磁电式传感器就可以用来测量位移电路，磁电式传感器就可以用来测量位移或加速度。或加速度。5.1.1 磁电式传感器的工作原理5.1.2 动圈式磁电传感器5.1.3 磁阻式磁电传感器5.1.4 磁电式传感器的动态特性1. 1. 动圈式磁电传感器原理动圈式磁电传感器原理2. 2. 动圈式磁电传感器结构动圈式磁电传感器结构NS永久磁铁线圈弹簧如果在线圈运动部分的磁场强度如果在线圈运动部分的磁场强度B是均

5、匀的，是均匀的，则当线圈与磁场的相对速度为则当线圈与磁场的相对速度为时，线圈的感应电动势：时，线圈的感应电动势： sinaNBlE 当当90，线圈的感应电动势为：，线圈的感应电动势为：aNBlE 当当N、B和和la恒定不变时，恒定不变时，E与与=dx/dt成正比，成正比，根据感应电动势根据感应电动势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。 弹簧片阻尼杯磁钢芯轴壳体线圈引线磁电式传感器构成：磁电式传感器构成： 1、磁路系统、磁路系统 由它产生恒定直流磁场。为了减小传感由它产生恒定直流磁场。为了减小传感器的体积，一般都采用永久磁铁；器的体积，一般都采用永久磁铁； 2、线圈

6、、线圈 由它运动切割磁力线产生感应电动势。由它运动切割磁力线产生感应电动势。作为一个完整的磁电式传感器，除了磁作为一个完整的磁电式传感器，除了磁路系统和线圈外，还有一些其它元件，路系统和线圈外，还有一些其它元件，如壳体、支承、阻尼器、接线装置等。如壳体、支承、阻尼器、接线装置等。1弹簧弹簧 ; 2壳体壳体; 3阻阻尼环尼环; 4磁钢磁钢;5线圈线圈; 6芯轴芯轴在测振时，传感器固定在测振时，传感器固定或紧压于被测物体，磁或紧压于被测物体，磁钢钢4 4与壳体与壳体2 2一起随被测一起随被测系统的振动而振动。系统的振动而振动。装在芯轴装在芯轴6 6上的线圈上的线圈5 5和和阻尼环阻尼环3 3组成惯

7、性系统的组成惯性系统的质量块并在磁场中运动。质量块并在磁场中运动。动圈式传感器结构：动圈式传感器结构：1顶杆顶杆 2弹簧片弹簧片 3磁钢磁钢 4线圈线圈 5引出线引出线 6壳体壳体用处：用来测量振动用处：用来测量振动系统中两部件之间的相系统中两部件之间的相对振动速度。对振动速度。直接式振动传感器直接式振动传感器连接方式：壳体固定于一连接方式：壳体固定于一部件上，线圈与顶杆相对固部件上，线圈与顶杆相对固定，而顶杆与另一部件相接定，而顶杆与另一部件相接触，依靠弹簧片回复原位。触，依靠弹簧片回复原位。当两部件相对运动时，使线当两部件相对运动时，使线圈与磁钢产生相对运动，产圈与磁钢产生相对运动，产生相

8、应的电动势。生相应的电动势。5.1.1 磁电式传感器的工作原理5.1.2 动圈式磁电传感器5.1.3 磁阻式磁电传感器5.1.4 磁电式传感器的动态特性 线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连接而运动的线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁能量，在线圈中产生的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁能量，在线圈中产生感应电动势。感应电动势。用来测量转速，线圈中产生感应电动势的频率作为输用来测量转速，线圈中产生感应电动势的频率作为输出，而电势的频率取决于磁通变化的频率。出，而电势的频率

9、取决于磁通变化的频率。 构造：开磁路、闭磁路构造：开磁路、闭磁路 1永久磁铁永久磁铁3感应线圈感应线圈2软铁软铁4齿轮齿轮 60/Znf 结构比较简单，但输出信号较小，结构比较简单，但输出信号较小，当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。 闭磁路磁组式转速传感器闭磁路磁组式转速传感器采用在振动强的场合，有下限工作频率50Hz ）传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度，5.1.1 磁电式传感器的工作原理5.1.2 动圈式磁电传感器5.1.3 磁阻式磁电传感器5.1.4 磁电式传感器的动态特性一个二阶系统。Vo为传感器外壳的运动速度，即被测物体运动

10、速度；Vm为传感器惯性质量块的运动速度。 等效机械系统等效机械系统若若V(t)为惯性质量块相对外壳的运动速度为惯性质量块相对外壳的运动速度dttdVmdttVKtcVdttdVm)()()()(0幅频特性幅频特性相频特性相频特性 22 22(/)( )1(/) 2 (/)nvnnA 2)/(1)/(2)(nnvarctg式中，式中，被测振动的角频率；被测振动的角频率； n传感器运动系统的固有角频率传感器运动系统的固有角频率 传感器运动系统的阻尼比传感器运动系统的阻尼比运动方程运动方程只有只有n的情况下，的情况下，Av()1，相对速度相对速度V(t)的大小才可以作为被测振动速度的大小才可以作为被

11、测振动速度V0 (t) 的量度。的量度。因此磁电式速度传感器的频率较低，一般为因此磁电式速度传感器的频率较低，一般为1015Hz。 相对运动速度相对运动速度Vt就是前面的线圈相对磁场的运动速度就是前面的线圈相对磁场的运动速度dx/dt. )(tVNBldtdxNBlEaa传感器的输出电势传感器的输出电势E与相对速度与相对速度Vt成正比，成正比，而而Vt可以度量被测振动速度可以度量被测振动速度V0t），），所以电势所以电势E也可以度量也可以度量V0t）。）。 End the 5.1霍尔效应当把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为当把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，的磁场中

12、，沿着垂直于磁场的方向通以电流沿着垂直于磁场的方向通以电流I，就会在薄片的另一对侧面间，就会在薄片的另一对侧面间产生电动势产生电动势UH，如下图。，如下图。5.2.1 霍尔传感器工作原理霍尔传感器工作原理5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件的结构和基本电路5.2.3 霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数5.2.4 霍尔元件误差及补偿霍尔元件误差及补偿5.2.5 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。发现：发现：1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效

13、应尔效应开展：由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用，随着半开展：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导体技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件开始用半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。尔效应显著而得到应用和发展。应用：霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等应用：霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。方面的测量。 在金属或半导体薄片的两端通过控制电在金属或半导体薄片的两端通过控制电流，并在薄片的垂直方向上施加磁场，流，并在薄片的垂直方向上施加磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生则在垂直于电

14、流和磁场的方向上将产生电动势霍尔电势），这种现象称为霍电动势霍尔电势），这种现象称为霍尔效应。尔效应。 当把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为当把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为B的磁场的磁场中，沿着垂直于磁场的方向通以电流中，沿着垂直于磁场的方向通以电流I，就会在薄片的另一，就会在薄片的另一对侧面间产生电动势对侧面间产生电动势UH，如图，如图1所示。这种现象称为霍尔所示。这种现象称为霍尔效应，所产生的电动势称为霍尔电动势，这种薄片一般效应，所产生的电动势称为霍尔电动势，这种薄片一般为半导体称为霍尔片或霍尔元件。为半导体称为霍尔片或霍尔元件。 h l b I FE FL v B

15、UH + + + + + + - - - - - - 图1 霍尔效应原理图 在磁场B中运动的电子将受到Lorentz力fL fL=evB (1)偏转,建立的霍尔电场EH对随后的运动电子施加一电场力fE fE=eEH=eUH /b (2) 平衡时， fL = fE，即 evB= eUH /b (3)由于电流密度J=-nev(v为电子运动速度 )，则电流强度为 I=-nevbd (4)所以 (5)式中，d霍尔片厚度；n电子浓度； RH=1/ne霍尔系数；KH=RH/d=1/ned霍尔灵敏度。IBKdIBRnedIBUHHH1. 霍尔效应霍尔效应资料、尺寸确定的元件,KH保持常数。 UH仅与IB成正

16、比。IBkUHHdRkHH(7)(8)当磁场改变方向时, UH 也改变方向，实际作用于元件上有效磁场是其法线方向的分量，即Bcos。cosIBkUHH(9)霍尔常数霍尔常数 neRH1霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。所以金属材料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度霍尔电势与导体厚度d成反比：成反比：为了提高霍尔电势值，为了提高霍尔电势值， 霍尔元件制成薄片形状。霍尔元件制成薄片形状。 BIKUHHneddRKHH1霍尔

17、元件灵敏度灵敏系数）霍尔元件灵敏度灵敏系数） 半导体中电子迁移率电子定向运动平均速度比空穴迁移率高，半导体中电子迁移率电子定向运动平均速度比空穴迁移率高，因此因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件， 5.2.1 霍尔传感器工作原理5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路5.2.3 霍尔元件的主要特性参数5.2.4 霍尔元件误差及补偿5.2.5 霍尔式传感器的应用霍尔元件霍尔元件 霍尔元件命名、材料及结构霍尔元件命名、材料及结构从式从式(3) evB= eUH /b (3)RH=1/ne霍尔系数；霍尔系数；KH=RH/d=1/ned霍尔灵敏度霍尔灵敏度知

18、，霍尔电压知，霍尔电压UH与载流子的运动速度与载流子的运动速度v有关，即与载流子的有关，即与载流子的迁移率迁移率有关。有关。由于由于= v/El(El为电流方向上的电场强度为电流方向上的电场强度)，材料的电阻，材料的电阻=1/ne，所以霍尔系数，所以霍尔系数RH与载流体材料的电阻率与载流体材料的电阻率和载和载流子的迁移率流子的迁移率的关系为的关系为 RH= (6)霍尔元件命名、材料及结构霍尔元件命名、材料及结构KH=RH/d(为提高霍尔灵敏度，选择材料的霍尔系数RH尽可能大，d尽可能小)(d太小，导致元件的输入输出电阻增加)RH= 金属导体：大，但小n大）； 绝缘体：大n小），但小； 它们都不

19、宜作霍尔元件(RH太小)。 半导体：、适中适宜作霍尔元件。对于导体，霍尔系数一般较小，故霍尔元件一般用半导体制作，且愈小薄），灵敏度愈高.霍尔元件命名、材料及结构霍尔元件命名、材料及结构霍尔元件的输出与灵敏度有关，KH越大，UH越大。霍尔灵敏度主要取决于元件的性质和尺寸。 和越大 ， RH=越大， UH越大。元件的厚度d越小， KH越大，UH越大。cosIBkUHH(8)RH= （6）dRkHH(9)霍尔元件命名、材料及结构霍尔元件命名、材料及结构图图2 霍尔元件示意图霍尔元件示意图a)原理图；原理图；b)结构图；结构图；c)图形符号；图形符号；d)外形图外形图霍尔元件命名、材料及结构霍尔元件

20、命名、材料及结构霍尔元件是半导体四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相霍尔元件是半导体四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相对两侧对称的悍上两对电极引出线一对称激励电流端，另对两侧对称的悍上两对电极引出线一对称激励电流端，另一对称霍尔电势输出端），如图一对称霍尔电势输出端），如图2b所示所示 霍尔元件是一霍尔元件是一种四端元件种四端元件霍尔元件命名、材料及结构霍尔元件命名、材料及结构 敏感元器件及传感器的型号命名方法由以下四部分组成：敏感元器件及传感器的型号命名方法由以下四部分组成： 第一部分主称用字母表示）第一部分主称用字母表示） 第二部分类别或材料用字母或数字表示）第二部分类别或材料用字母或数

21、字表示） 第三部分特征用字母或数字表示）第三部分特征用字母或数字表示） 第四部分序号和区别代号用数字加字母表示）第四部分序号和区别代号用数字加字母表示）霍尔元件命名霍尔元件命名第一部分第一部分:H代表霍尔元件代表霍尔元件第二部分第二部分:类别或材料类别或材料(Z、S、T)第三部分第三部分:序号序号5.2.1 霍尔传感器工作原理5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路5.2.3 霍尔元件的主要特性参数5.2.4 霍尔元件误差及补偿5.2.5 霍尔式传感器的应用输入电阻输入电阻Ri和输出电阻和输出电阻RoRi是指控制电流极之间的电阻值。是指控制电流极之间的电阻值。R0指霍尔元件电极间的电阻。指霍尔元件

22、电极间的电阻。Ri 、R0可以在无磁场时用欧姆表等测量。可以在无磁场时用欧姆表等测量。Ri Ro，Ri、Ro=1002000。额定激励电流额定激励电流IN和最大允许激励电流和最大允许激励电流Imax 霍尔元件在空气中产生的温升为霍尔元件在空气中产生的温升为10时，所对应的激励时，所对应的激励电流称为额定激励电流电流称为额定激励电流IN。以元件允许的最大温升为限制，。以元件允许的最大温升为限制，所对应的激励电流称为最大允许激励电流所对应的激励电流称为最大允许激励电流Imax。不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为额定值当霍尔元件的激励电流为额定值IN时，若元件所处位

23、置时，若元件所处位置的磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为的磁感应强度为零，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为不等位电势。零，这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。 产生原因产生原因:主要由霍尔电极安装不对称造成的主要由霍尔电极安装不对称造成的,由于半导体由于半导体材料的电阻率不均匀、基片的厚度和宽度不一致、霍尔电极材料的电阻率不均匀、基片的厚度和宽度不一致、霍尔电极与基片的接触不良部分接触等原因，即使霍尔电极的装与基片的接触不良部分接触等原因，即使霍尔电极的装配绝对对称，也会产生不等位电势。配绝对对称，也会产生不等位电势。霍尔电势温度系数霍尔电势温

24、度系数 在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1时，时，霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数。tUUUHoHoHt/)（)1(tUUHoHt霍尔灵敏系数霍尔灵敏系数KH 在单位控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输在单位控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输出端的开路电压，称为霍尔灵敏系数出端的开路电压，称为霍尔灵敏系数KH，霍尔灵敏系数，霍尔灵敏系数KH的单位为的单位为V/（AT）。）。dRKHH/ (6) 寄生直流电势寄生直流电势 霍尔元件零位误差的一部霍尔元件零位误差的一部分分当没有外加磁场

25、，霍尔元件用交流控制电流当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势控制电时，霍尔电极的输出有一个直流电势控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。触时，会产生整流效应。两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势时，霍尔电势变化的百度不同产生温差电势时，霍尔电势变化的百分率分率 型型号号 材材料料 控控制制 电电流流(mA) 霍霍尔尔 电电压压 (mV, 0.1T) 输输入入 电电阻阻 () 输输出出 电电阻阻 () 灵灵敏敏度度(mV/mA.T) 不不等

26、等位位电电势势(mV) VH温温度度 系系数数(%/) EA218 InAs 100 8 8. .5 5 3 3 1 1. .5 5 0 0. .3 35 5 1 13 3 6 6. .5 5 2 2. .4 4 0 0. .7 75 5 1 1 0 0. .0 07 7 VHG-110 GaAs 5 5 5 - -1 10 0 2 20 00 0- -8 80 00 0 2 20 00 0- -8 80 00 0 3 30 0- -2 22 20 0 5 5 4 40 0 3 30 0 2 2. .5 5 _ _ - -0 0. .0 02 2 MF07FZZ InSb 10 4 40 0-

27、 -2 29 90 0 8 8- -6 60 0 8 8- -6 65 5 _ _ 1 10 0 - -2 2 MF19FZZ InSb 10 8 80 0- -6 60 00 0 8 8- -6 60 0 8 8- -6 65 5 _ _ 1 10 0 - -2 2 MH07FZZ InSb 1V 8 80 0- -1 12 20 0 8 80 0- -4 40 00 0 8 80 0- -4 43 30 0 _ _ 1 10 0 - -0 0. .3 3 MH19FZZ InSb 1V 1 15 50 0- -2 25 50 0 8 80 0- -4 40 00 0 8 80 0- -4

28、43 30 0 _ _ 1 10 0 - -0 0. .3 3 KH-400A InSb 5 2 25 50 0- -5 55 50 0 2 24 40 0- -5 55 50 0 5 50 0- -1 11 10 0 5 50 0- -1 11 10 00 0 1 10 0 - -0 0. .3 3 5.2.1 霍尔传感器工作原理5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路5.2.3 霍尔元件的主要特性参数5.2.4 霍尔元件误差及补偿5.2.5 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器在实际使用中常常有很多因素影响其测量霍尔式传感器在实际使用中常常有很多因素影响其测量精度，造成测量误差。精度，造成测量误差。

29、常见的主要因素有半导体本身固有的特性，半导体制造常见的主要因素有半导体本身固有的特性，半导体制造的工艺水平，环境温度的变化情况，霍尔传感器的安装的工艺水平，环境温度的变化情况，霍尔传感器的安装是否合理等。是否合理等。测量误差一般表现为零位误差和温度误差。测量误差一般表现为零位误差和温度误差。 1.温度误差及其补偿温度误差及其补偿2.不等位电势误差的补偿不等位电势误差的补偿霍尔元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度之间的关霍尔元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度之间的关系。与一般半导体一样，由于电阻率、迁移率以及载流子浓系。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

30、霍尔元件的内阻、输出电压等参数也将度随温度变化，所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也将随温度而变化。不同材料的内阻及霍尔电压与温度的关系曲随温度而变化。不同材料的内阻及霍尔电压与温度的关系曲线见图线见图3和图和图4所示。所示。当温度变化时，这些参数值都会发生变化，温度的变化会引当温度变化时，这些参数值都会发生变化，温度的变化会引起霍尔电势的改变，称为温度误差。起霍尔电势的改变，称为温度误差。 1)温度补偿温度补偿为了减小温度误差，除了采用温度系数小的材料作为霍尔元为了减小温度误差，除了采用温度系数小的材料作为霍尔元件或采取恒温槽外，还可以采取其他适当的补偿电路。件或采取恒温槽外，还可以采取其他

31、适当的补偿电路。 020406080100-20-40100200300?t( )Rt/R0(%)图3 内阻与温度的关系020406080100-20-40100200300?t( )UHt/UH0(%)图4 霍尔电动势与温度的关系Si(1)Si(2)Ge(Hz-4)Ge(Hz-2)InAsInSb-1-3InSbInAs?Ge(Hz-1 2 3)Sil选用温度系数小的元件l采用恒温措施l采用恒流源供电 1)温度补偿温度补偿我们把温度每变化我们把温度每变化1时，霍尔元件输入电阻或输出电阻的相时，霍尔元件输入电阻或输出电阻的相对变化率称为内阻温度系数，用对变化率称为内阻温度系数，用表示。把温度每

32、变化表示。把温度每变化1时，时，霍尔电压的相对变化率称为霍尔电压温度系数，用霍尔电压的相对变化率称为霍尔电压温度系数，用表示。表示。 1)温度补偿温度补偿a.恒流源供电和输入回路并联电阻恒流源供电和输入回路并联电阻温度变化会引起霍尔元件的输出电阻发生变化，在恒压源供温度变化会引起霍尔元件的输出电阻发生变化，在恒压源供电时，引起激励电流发生变化，带来误差。为了减小这种误电时，引起激励电流发生变化，带来误差。为了减小这种误差，通常采用恒流源提供电流。差，通常采用恒流源提供电流。 1)温度补偿温度补偿a.恒流源供电和输入回路并联电阻恒流源供电和输入回路并联电阻温度变化会引起霍尔元件的输出电阻发生变化

33、，在恒压源供温度变化会引起霍尔元件的输出电阻发生变化，在恒压源供电时，引起激励电流发生变化，带来误差。为了减小这种误电时，引起激励电流发生变化，带来误差。为了减小这种误差，通常采用恒流源提供电流。差，通常采用恒流源提供电流。 I R IH UH A B IR 图5 恒流源温度补偿电路 )1 (TKKHOH霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系 大多数霍尔元件的温度系数大多数霍尔元件的温度系数是正值时，是正值时，它们的霍尔电势随温度的升高而

34、增加它们的霍尔电势随温度的升高而增加1+t倍。倍。同时，让控制电流同时，让控制电流I相应地减小，能保持相应地减小，能保持KHI不变就不变就抵消了灵敏系数值增加的影响抵消了灵敏系数值增加的影响 当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流控制电流控制电流 siPPIRRRI00020温度升到温度升到T时，电路中各参数变为时，电路中各参数变为 )1 (0TRRii)1 (0TRRPP)1 ()1 ()1 (0002TRTRTRIRRRIiPPsiPp式中，式中

35、， 霍尔元件输入电阻温度系数；霍尔元件输入电阻温度系数； 分流电阻温度系。分流电阻温度系。 为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足: 升温前、后的霍尔电势不变，升温前、后的霍尔电势不变， BIKUBIKUHHHH220002200IKIKHH)1()1()1()1(00000000TRTRTRTKIRRRKiPPHsiPPH00iPRR经整理，忽略经整理，忽略 高次项后得高次项后得 用上式即可计算出分流电阻及所需的温度系数值用上式即可计算出分流电阻及所需的温度系数值 2T1)温度补偿温度补偿b.恒压源供电和输入回路串联电阻恒压源供电和输入回路串联电阻当霍尔元件采用

36、恒压源供电时，且霍尔输出端处于开路状态，当霍尔元件采用恒压源供电时，且霍尔输出端处于开路状态，可在输入回路中串联补偿电阻可在输入回路中串联补偿电阻R来进行补偿，补偿电路如图来进行补偿，补偿电路如图4所示。所示。 图 6 恒压源温度补偿电路 I=IH R UH A B E iRR1)温度补偿温度补偿c.利用输出回路的负载进行补偿利用输出回路的负载进行补偿 1)温度补偿温度补偿b.利用输出回路的负载进行补偿利用输出回路的负载进行补偿 ) 1( ) 1(00tUUtRRHHtOOt LLOHLtRRtRtUU ) 1() 1(00 在温度影响下，元件输出电阻和电势变为：1)温度补偿温度补偿b.利用输

37、出回路的负载进行补偿利用输出回路的负载进行补偿 负载电阻RL上电压随温度变化最小的极值条件为0 dtdULt)2,yxyyxyx （ 0) 1) 100 tRRtROLO （0OLRR可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。出电压。 不等位电动势补偿不等位电动势补偿当霍尔元件当霍尔元件B=0，I0，UH=U00。这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。产生这一现象的原因有产生这一现象的原因有: 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；霍尔电极安装位

38、置不对称或不在同一等电位面上； 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；匀； 图图8 两电极电不在同一等电位面上两电极电不在同一等电位面上图图9等电位面歪斜等电位面歪斜不等位电动势补偿不等位电动势补偿图10 不等位电势图11 霍尔元件的等效电路BBBWACDWACD (b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a） （b） （c）WCDAR2R3R4R1B不等位电动势补偿不等位电动势补偿不等位电势补偿的方法不等位电势补偿的方法理想情况下理想情况下, R1=R2=R3=R4, U0, R1=R2=R3=R4,

39、 U00 0由于不等位电阻的存在由于不等位电阻的存在, ,说明此四个电阻值不相等说明此四个电阻值不相等, , 则电桥则电桥不平衡。为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联电不平衡。为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联电阻，或在两个桥臂上同时并联电阻。阻，或在两个桥臂上同时并联电阻。图12 不等位电势补偿电路不对称电路简单，而对称补偿的温度稳定性要好些不对称电路简单，而对称补偿的温度稳定性要好些 5.2.1 霍尔传感器工作原理5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路5.2.3 霍尔元件的主要特性参数5.2.4 霍尔元件误差及补偿5.2.5 霍尔式传感器的应用优点优点: 结构简单，体积小，重量轻，

40、频带宽，动结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长态特性好和寿命长应用：应用：电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；等参数；自动检测系统：多用于位移、压力的测量。自动检测系统：多用于位移、压力的测量。 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函数，三个变量的函数，即即 EH=KHIBcos 。 利用这个关系可以使其中两个量不变，将第利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量

41、。这使得霍尔传感器有许多用途个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。 霍尔传感器主要用于测量能够转换为磁场变霍尔传感器主要用于测量能够转换为磁场变化的其他物理量。化的其他物理量。测量原理：测量原理：霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的大应强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。小就可以用来反映霍尔元件的位置。 应用：应用：位移测量、力、压力、应变、机械振动、位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度加速度 位移量较小，适于测量微位移和机械振动位移量较小，适于测量微位移和机械振动 弹簧管弹簧管 磁铁磁铁

42、霍尔片霍尔片 2.霍尔特斯拉计高斯计）（检测磁场）霍尔特斯拉计高斯计）（检测磁场） 1.霍尔特斯拉计高斯计）（检测磁场）霍尔特斯拉计高斯计）（检测磁场） 在磁场强度为在磁场强度为0.IT时，时，UGN3501M的典型输出电压为的典型输出电压为1400mV，因此可以制成，因此可以制成0.1T的高斯计，如图的高斯计，如图 18所示。电源电压为所示。电源电压为816V。在。在5、6脚接一个脚接一个 20的调零电位器，在的调零电位器，在1、8脚接一可脚接一可调灵敏度的调灵敏度的10k电位器及内阻常数最小为电位器及内阻常数最小为10k/V的电压表。的电压表。若在若在5、 6两脚上各接一只两脚上各接一只4

43、7电阻后，再接电阻后，再接20电位器，其线电位器，其线性范围可达性范围可达0.3T。图图18 简易高斯计简易高斯计 1458霍尔元霍尔元件件霍尔元霍尔元件件磁铁磁铁3.计数器由于UGN3501T具有较高的灵敏度,它能感受很小磁场变化。因而检测黑色金属的有无。我们利用它的这一特性可制成计数装车。图图19 钢球计数装置及电路图钢球计数装置及电路图当钢球(永磁体)滚过霍尔传感器位置时,传感器输出一个峰值为20mV的脉冲,此脉冲信号经A741运放放大后驱动2N5812三极管,使之完成导通、截止过程。把计数器接于2N5812输出端即可构成计数器。图图19 钢球计数电路图钢球计数电路图4.霍尔式接近开关霍

44、尔式接近开关当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，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。关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。4.霍尔式接近开关霍尔式接近开关当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔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，使继电器吸合或释放，控制运的输出由高电平变为低电平，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动部件停止移动否则将撞坏霍尔IC），起限位的作用。），起限位的作用。 用霍尔IC只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的

45、闭合磁场。 图图20 霍尔接近开关霍尔接近开关n= = 6060f4(r/min)软铁分流翼片软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T5.霍尔转速表霍尔转速表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，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的一个齿轮，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。的转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁图图21 霍尔转速表霍尔转速表5.霍尔转速表霍尔转速表原理：当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可原理：当齿对准霍尔元件时，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；反之，产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。5.霍尔转速表霍尔转速表应用：霍尔转速传感器在汽车防抱死装置应用：霍尔转速传感器在汽车防抱死装置ABS中的应用中的应用 带有微型磁铁的霍尔传