第七章 电磁式传感器

1、7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 7.1.1 工作原理和结构类型工作原理和结构类型 7.1.2 动态特性动态特性 7.1.3 误差及其补偿误差及其补偿 7.1.4 信号调理电路信号调理电路 7.1.5 应用举例应用举例7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 7.2.1 霍尔效应与霍尔元件材料霍尔效应与霍尔元件材料 7.2.2 测量电路测量电路 7.2.3 特性和指标特性和指标 7.2.4 补偿电路补偿电路 7.2.5 应用举例应用举例7.3 磁敏传感器磁敏传感器 7.3.1 磁敏电阻磁敏电阻 7.3.2 磁敏二极管磁敏二极管 7.3.3 磁敏三极管磁敏三极管第第7 7章章 磁电式传感器磁电式

2、传感器知识单元知识单元与知识点与知识点电磁感应、霍尔效应的基本概念；电磁感应、霍尔效应的基本概念；磁电感应式传感器的工作原理、分类（恒磁通式：动圈式和动铁式结构，磁电感应式传感器的工作原理、分类（恒磁通式：动圈式和动铁式结构，变磁通式：开磁路和闭磁路结构）、基本特性、测量电路与应用；变磁通式：开磁路和闭磁路结构）、基本特性、测量电路与应用；霍尔式传感器的工作原理、测量电路与应用；霍尔式传感器的工作原理、测量电路与应用；霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿。霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿。能力点能力点深入理解电磁感应、霍尔效应的基本概念；理解磁电感应式传感器的工作原理、分类、基

3、本特性、测量电路；理解霍尔式传感器的工作原理；了解霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿；了解磁电感应式传感器、霍尔式传感器的应用。重难点重难点重点：电磁感应、霍尔效应的基本概念，磁敏式传感器工作原理、分类、测量电路，霍尔式传感器的工作原理。难点：磁敏式传感器的基本特性。学习要求学习要求熟练掌握电磁感应、霍尔效应的基本概念；掌握磁电感应式传感器的工作原理、分类、基本特性、测量电路；掌握霍尔式传感器的工作原理；了解霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿；了解磁电感应式传感器、霍尔式传感器的应用。磁电式传感器磁电式传感器定义：定义：通过磁电作用，将被测量的变化转通过磁电作用，将被测量的变化

4、转变为电信号的传感器。变为电信号的传感器。分类：分类： 磁电感应式传感器：利用磁电感应式传感器：利用法拉第电磁法拉第电磁感应定律感应定律，测量磁场和位置速度等，测量磁场和位置速度等 霍尔式传感器：利用霍尔式传感器：利用霍尔效应霍尔效应，测量，测量磁场、位置、速度、电压、电流等磁场、位置、速度、电压、电流等 磁敏传感器：利用磁敏传感器：利用磁阻效应磁阻效应，测量转，测量转速、磁通、电流、流量等速、磁通、电流、流量等7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器磁电感应式传感器简称磁电感应式传感器简称感应式传感器感应式传感器，根据电磁感应原，根据电磁感应原理，利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感

5、应电理，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即将运动速度转换成感应电势输出。是典型的无源传感动势即将运动速度转换成感应电势输出。是典型的无源传感器。反向使用时可构成力发生器或电磁激振器，称为器。反向使用时可构成力发生器或电磁激振器，称为电动式电动式传感器传感器。 优点优点：一种机：一种机-电能量变换型传感器，不需要供电电源，电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路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围（一般为围（一般为101000Hz），只适用于振动、转速、扭矩等），只适用于振动、转速、扭矩等动态测量。动态测量

6、。 缺点缺点：尺寸和重量都较大。：尺寸和重量都较大。磁电式传感器磁电式传感器机械能机械能电电 量量 电感式传感器是把电感式传感器是把被测量转换成电感量被测量转换成电感量的变化，磁电式传感的变化，磁电式传感器通过检测磁场的变器通过检测磁场的变化测量被测量。化测量被测量。磁电传感器磁电传感器7.1.1 工作原理和结构类型工作原理和结构类型磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。根据法拉第电磁感应定律可知，根据法拉第电磁感应定律可知，N匝线圈在磁场中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，线运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所

7、产生的感应电动势圈中所产生的感应电动势e的大小取决于穿过线圈的的大小取决于穿过线圈的磁通磁通的变化率，即的变化率，即dtdNe 磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈与磁磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈与磁场的相对运动速度有关，故若改变其中一个因素，场的相对运动速度有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。都会改变线圈的感应电动势。 根据以上原理有两种磁电感应式传感器：根据以上原理有两种磁电感应式传感器： 恒磁通式恒磁通式：磁路系统恒定磁场，运动部件可以是：磁路系统恒定磁场，运动部件可以是线圈也可以是磁铁。线圈也可以是磁铁。 变磁通式变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起：线

8、圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。磁阻、磁通变化。 1.恒磁通式恒磁通式 由永久磁铁、线圈、弹簧和骨架组成，磁路系统产生恒由永久磁铁、线圈、弹簧和骨架组成，磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，气隙中的磁通定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，气隙中的磁通也恒定不变，感应电势是由于线圈相对于永久磁铁运动时切也恒定不变，感应电势是由于线圈相对于永久磁铁运动时切割磁力线产生的，运动部件可以是线圈也可以是磁铁，结构割磁力线产生的，运动部件可以是线圈也可以是磁铁，结构常分为动圈式和动磁式常分为动圈式和动磁式下图所示为动圈式磁电感应式传感器的结构原理图。当线圈在垂直于磁场方

9、向作直线运动或旋转运动时，若以线圈相对磁场运动的速度v或角速度表示，则所产生的感应电动势e为 式中l每匝线圈的平均长度； B线圈所在磁场的磁感应强度；NBlve式中l每匝线圈的平均长度； B线圈所在磁场的磁感应强度； S每匝线圈的平均截面积 。 NBse 在传感器中当结构参数确定后，在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、S均为定值，感应电动势均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运与线圈相对磁场的运动速度动速度(v或或)成正比，所以这类传感器的基本成正比，所以这类传感器的基本形式是形式是速度传感器速度传感器，能直接测量，能直接测量线速度线速度或或角速角速度度。如果在其测量电路中接入积分电路或

10、微分。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量电路，那么还可以用来测量位移位移或或加速度加速度。但。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适只适用于动态测量用于动态测量。NBseNBlve2变磁通式变磁通式开磁路式开磁路式闭磁路式闭磁路式 变磁通式的线圈和永久磁铁都是静止的，感应电势变磁通式的线圈和永久磁铁都是静止的，感应电势由变化的磁通产生。由变化的磁通产生。 图为图为开磁路开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 测量齿轮安装在被测测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，旋转体上，随被测

11、体一起转动。每转动一个齿， 齿的凹凸引起磁路磁阻变齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速转速n与测量齿轮上齿数与测量齿轮上齿数z的乘积。由频率计测得的乘积。由频率计测得f，即可求得转速，即可求得转速n。这种。这种传感器结传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。测量高转速的场合。 zfn60 图为图为闭磁路闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿

12、轮5和和外齿轮外齿轮6、永久磁铁、永久磁铁1和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。 当当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转转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、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而动，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，引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动使线圈内产生周期性变化的感应电动势。势。 显然，显然， 感应电势的频率与被测转速成正比。感应电势的频率与被测转速成正比。 7.1.4 7.1.4 信号调理电路信号调理电路 为便于各级阻抗匹配

13、，将积分为便于各级阻抗匹配，将积分电路和微分电路置于两极放大电路和微分电路置于两极放大器之间。器之间。 直接输出电动势测量速度；直接输出电动势测量速度； 接入积分电路测量位移；接入积分电路测量位移； 接入微分电路测量加速度。接入微分电路测量加速度。 xvtdvadtNBlve7.1.5磁电式传感器的应用举例磁电式传感器的应用举例v 磁电式扭距传感器：磁电式扭距传感器： 当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压电压u u1 1、u u2 2存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比，存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比，传感器可以将扭距引起的扭转

14、角转换成相位差的电信号。传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。转轴测量电路测量电路磁电传感器磁电传感器1 1磁电传感器磁电传感器2 2齿型转盘齿型转盘u u1 1u u2 2u u u电磁心音传感器电磁心音传感器u电磁血流量计电磁血流量计例子例子1：某磁电传感器的总刚度为某磁电传感器的总刚度为3200N/m，测得其固有频，测得其固有频率为率为20Hz。若欲使其固有频率降低为为。若欲使其固有频率降低为为10Hz，则其刚度应，则其刚度应该为多大？该为多大？mc0解：解：固有频率为：固有频率为：其中，其中，c为弹簧刚度；为弹簧刚度；m为质量块质量；为质量块质量；因此有：因此有：m3200

15、20 mx10 x32002 m/N 800 x 两个式子相比：两个式子相比：18781878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发人们发现半导体材料现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传感器是基于霍尔效应。小有利于集成化。霍尔传感器是基于霍尔效应。霍尔传感器是目前国内外霍尔传感器是目前国内外应用最广应用最广的一种磁电式传的一种磁电式传感器，利用霍尔效应实现磁电转换，可以检测微位移、感器，利用霍尔效应

16、实现磁电转换，可以检测微位移、转速、流量、角度，也可以制作高斯计、电流表、功转速、流量、角度，也可以制作高斯计、电流表、功率计、乘法器、接近开关和无刷直流电机等率计、乘法器、接近开关和无刷直流电机等7.2 霍尔传感器霍尔传感器 1 霍尔效应霍尔效应 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种，这种现象称为霍尔效应。现象称为霍尔效应。 磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况c cd

17、da ab b7.2 .1霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件 磁感应强度磁感应强度B B 较大时的情况较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势霍尔电势也就越高。霍尔电势UH可用下式表可用下式表示：示： UH=KH（霍尔常数）（霍尔常数） IB霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，兹力的作用，向内侧偏移，直至在半导体薄向内侧偏移，直至在半导体薄片片c、d方向的端面之间建立起稳定的霍尔方向的端面之间建立起稳定的霍尔电势。电势。c cd da ab b磁场不垂直于霍

18、尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度若磁感应强度B B不垂直于霍尔元件，而是不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度与其法线成某一角度 时，实际上作用于霍尔时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即片垂直的方向）的分量，即B Bcoscos ，这时的霍尔，这时的霍尔电势为电势为 U UH H= =K KH HIBIBcoscos 结论：霍尔电势与输入电流结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度、磁感应强度B成正成正比，且当比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改的方向改变时，霍

19、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。频率的交变电势。 工作原理工作原理 设霍尔片的长度为设霍尔片的长度为l，宽度为，宽度为b，厚度为，厚度为d。又设电子以均匀的速。又设电子以均匀的速度度v运动，则在垂直方向施加的磁运动，则在垂直方向施加的磁感应强度感应强度B的作用下，它受到的作用下，它受到洛仑洛仑兹力兹力 q电子电量电子电量(1.6210- -19C)； v电子运动速度。电子运动速度。同时，作用于电子的同时，作用于电子的电场力电场力 当达到动态平衡时当达到动态平衡时qvBfLbqUqEfHHE/bqUq

20、vBH/dnqvbdjbInqbdIv/pqbdIv/霍耳电势UH与 I、B的乘积成正比，而与d 成反比。dIBRdnIBUHHq电流密度j=nqvnN型半导体中的电子浓度N型半导体P型半导体HR 霍耳系数，由载流材料物理性质决定。材料电阻率pP型半导体中的空穴浓度型）（型PqpNqnRH1)(1载流子迁移率,=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。定义 KH=RH / d KH霍耳器件的灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺霍耳器件的灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。的

21、大小。若磁感应强度若磁感应强度B的方向与霍尔器件的平面法线夹角为的方向与霍尔器件的平面法线夹角为时，霍时，霍尔电尔电势势应为：应为： UH KH I B UH KH I B cos 注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍尔电霍尔电势的势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电霍尔电势并不势并不改变方向。改变方向。HHRKd1HRnq HHUKIB讨论讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可 以制造霍尔元件以制造霍尔元件; ; 绝

22、缘材料电阻率绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很大，电子迁移率很小，不适用；很小，不适用； 金属材料电子浓度金属材料电子浓度n n很高，很高，R RHH很小，很小，U UH H很小很小; ; 半导体材料电阻率半导体材料电阻率较大较大 R RH H大，非常适于做霍尔元件，大，非常适于做霍尔元件，半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件，所以霍尔元件多采用多采用 N N 型半导体（多电子）型半导体（多电子）; ; 由上式可见，厚度由上式可见，厚度d d越小，霍尔灵敏度越小，霍尔灵敏度 K KH H 越大，越大， 所以霍尔元件做的较薄，通常近似所以霍尔元

23、件做的较薄，通常近似1 1微米微米(d1(d1m)m) 。 当当RH ，d一定时，即载流材料和几何尺寸一定时，即载流材料和几何尺寸一定时，霍尔电势一定时，霍尔电势电流电流I（磁场（磁场B一定时）或一定时）或磁场磁场B（电流（电流I一定时），所以霍尔传感器可一定时），所以霍尔传感器可以用来测量磁场或检测电流。以用来测量磁场或检测电流。dIBRUHH 当霍尔元件在一个线性梯度磁场中移动时，当霍尔元件在一个线性梯度磁场中移动时，输出霍尔电势的大小反映了磁场变化，即可测量输出霍尔电势的大小反映了磁场变化，即可测量微小位移、压力或者机械振动等微小位移、压力或者机械振动等优点：优点：霍尔元件使用寿命长、可

24、靠性高、霍尔元件使用寿命长、可靠性高、结构简单，结构简单，外围电路简单、外围电路简单、体积小、体积小、动态动态特性好、频带宽、特性好、频带宽、易微型化集成化易微型化集成化 。因而。因而在很多领域得到了广泛的应用。在很多领域得到了广泛的应用。缺点：缺点：转换效率低，受温度影响大。转换效率低，受温度影响大。习题习题8：已知霍尔元件厚度已知霍尔元件厚度1mm，沿长度方向通有，沿长度方向通有1mA电流，电流，在垂直方向加均匀磁场在垂直方向加均匀磁场B=0.3T，灵敏度，灵敏度SH=22V/(AT)，试求，试求输出霍尔电势及载流子浓度？输出霍尔电势及载流子浓度？nedIBUH(V) 106 . 63 .

25、 01012233IBSUHHnedSH131012211eedSnH解：解：习题习题9：霍尔元件灵敏度霍尔元件灵敏度SH=40V/(AT)，控制电流为，控制电流为3mA，将，将其置于其置于B=1*10-45*10-4 T的线性变化磁场中，其输出霍尔电的线性变化磁场中，其输出霍尔电势的范围有多大？势的范围有多大？IBSUHH(V) 102 . 110110340543minminIBSUHH(V) 10610510340543maxmaxIBSUHH解：解：霍尔电势变化范围在霍尔电势变化范围在12uV60uV之间。之间。霍尔元件材料霍尔元件材料 材材 料料电阻率电阻率（m）载流子迁移载流子迁移

26、率率（cm2v-1s-1）霍尔系数霍尔系数（cm2c-1）锗（锗（Ge）10-23.61034.25103硅（硅（Si）（温度）（温度系数小，线性好）系数小，线性好）1.510-22.25103砷化铟（砷化铟（InAs）（温度系数小，（温度系数小，线性好）线性好）2.510-33104350锑化铟（锑化铟（InAb）（温度系数大）（温度系数大）710-3610410002 霍尔元件霍尔元件霍尔元件构造霍尔元件构造控制电极控制电极 国产霍尔元件别号的命名方法如下：国产霍尔元件别号的命名方法如下：常见的国产霍尔元件型号有常见的国产霍尔元件型号有HZHZ1 1、HZHZ2 2、HZHZ3 3、HTH

27、T1 1、HTHT2 2、HSHS1 1等。等。控制电流控制电流I；霍尔电势霍尔电势UH；控制电压控制电压V；输出电阻输出电阻R0；输入电阻输入电阻Ri；霍尔负载电阻霍尔负载电阻RL；霍尔电流霍尔电流IH。 图中控制电流图中控制电流I由电源由电源E供给供给, ,R为调节电阻为调节电阻, ,保证器件内所需控制电流保证器件内所需控制电流I。霍。霍尔输出端接负载尔输出端接负载RL， RL可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场磁场B垂直通过垂直通过霍尔霍尔器件器件, ,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。在磁场与控制电流作用下，由负载上获

28、得电压。VHRLVBIEIH霍尔器件的基本电路R实际使用时实际使用时, ,器件输入信号可以是器件输入信号可以是I I或或B B，或者，或者IBIB, ,而输出可以正比于而输出可以正比于I I或或B B, , 或者正比于其乘积或者正比于其乘积IBIB。7.2.27.2.2信号调理电路信号调理电路霍尔元件的测量电路及符号霍尔元件的测量电路及符号霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端或输出端。若霍耳端子间连接负载,称为霍耳负载电阻或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。 器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。电流端子A、

29、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。H霍耳器件符号AAABBBCCCDDDHHIRUBIK Id11HIHVRKUBUUKURdR上两式是霍尔器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍尔输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。同样，若给出控制电压U，由于U=R1I，可得控制电压和霍尔电势的关系式设霍尔片厚度d均匀，电流I和霍尔电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流I和霍耳电势UH的关系式 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。 线性型集成电路是将霍线性型集成电路是将霍尔元件和

30、恒流源、线性差动尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，放大器等做在一个芯片上，输出电压与外加磁场强度呈输出电压与外加磁场强度呈线性关系。广泛用于位置、线性关系。广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁力、重量、厚度、速度、磁场、电场等的测量和控制。场、电场等的测量和控制。输出电压为伏级，比直接使输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如型的线性型霍尔器件如UGN3501等。等。 线性型三端线性型三端 霍尔集成电路霍尔集成电路霍尔集成传感器霍尔集成传感器单端输出传感器的电路结构框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大地H稳压H3VCC地4输

31、出输出18675 双端输出传感器的电路结构框图 单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是UGN3501T。 双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是UGN3501M。开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发开关型霍尔集成电路将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。特点是输门（集电极开路输出门）等电路做

32、在同一个芯片上。特点是输出电压为高低电平两种状态。当外加磁场强度超过规定的工作点时，出电压为高低电平两种状态。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平低电平；当外加磁场强度低于；当外加磁场强度低于释放点时，释放点时，OC门重新变为高阻态，输出门重新变为高阻态，输出高电平高电平。较典型的开关型霍尔。较典型的开关型霍尔器件如器件如CS系列和系列和UGN3020等。可做成无触点、无抖动、高可靠、长寿等。可做成无触点、无抖动、高可靠、长寿命的接近开关或按键开关，广泛用于计数装置以及汽车点火等系统。命的接近开关或按键开关，广泛用于计数装

33、置以及汽车点火等系统。温度特性温度特性（a）RH与温度的关系；与温度的关系； （b）与温度的关系与温度的关系RH/cm2/A-1-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/0246/710-3cmLnAs20015010050LnSbT/07.2.3误差分析及补偿方法误差分析及补偿方法1、温度补偿、温度补偿 霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、 迁移率、电阻率及霍尔迁移率、电阻率及霍

34、尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。温度误差的补偿温度误差的补偿 温度变化会引起霍尔元件输入电阻变化，才用恒温度变化会引起霍尔元件输入电阻变化，才用恒压源供电时，控制电流将发生变化而带来误差。为了压源供电时，控制电流将发生变化而带来误差。为了减小输入电阻随温度变化而引起的误差，减小输入电阻随温度变化而引起的误差， 除选用温度除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，采用系数小的元件或采用恒温措施外，采用恒流源恒流源供电是供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定。个有效措施，可以使霍尔电势稳定。 电路中电路中I Is s为恒流源，分流电阻为恒流

35、源，分流电阻R RT T与霍尔元件的激励电极与霍尔元件的激励电极相并联。为了使霍尔电势在温度升高前后保持不变，当霍尔相并联。为了使霍尔电势在温度升高前后保持不变，当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻R RT T自动自动地增大分流，减小了霍尔元件的激励电流地增大分流，减小了霍尔元件的激励电流I IH H，从而达到补偿，从而达到补偿的目的。的目的。 T 2 不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的控制电流为当霍尔元件的控制电流为I时，不加外磁场时，时，不加外磁场时， 则则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的它

36、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。空载霍尔电势称为不等位电势。 产生这一现象的原因产生这一现象的原因有：有： 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；上； 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是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；几何尺寸不均匀； 电极与霍尔元件接触不良造成激励电流不均匀电极与霍尔元件接触不良造成激励电流不均匀分布等。分布等。 霍尔元件不等位电势补偿霍尔元件不等位电势补偿 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势

37、，霍尔电势， 而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。分析不等位电势时，可以把霍尔元件等须采用补偿的方法。分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效效为一个电桥，为一个电桥， 用分析电桥平衡来补偿不等位电势。用分析电桥平衡来补偿不等位电势。 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，不等位电压分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥，不等位电压相当于桥路四个电阻不相等，初始有不平衡输出相当于桥路四个电阻不相等，初始有不平衡输出U U0 000，可在电，可在电阻大的桥臂上并联电阻。或在相邻桥臂上

38、同时并联电阻，仔细阻大的桥臂上并联电阻。或在相邻桥臂上同时并联电阻，仔细调节并联电阻的阻值，就可以补偿霍尔元件的不等位电势。调节并联电阻的阻值，就可以补偿霍尔元件的不等位电势。7.2.4 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用1、霍尔式位移传感器、霍尔式位移传感器2、霍尔式压力传感器、霍尔式压力传感器7.2.4霍尔传感器的应用霍尔元件霍尔元件测量铁心测量铁心 气隙的气隙的B值值霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔转速表霍尔转速表60 22fn 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取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机械系统

39、中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变统靠近齿盘。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。直、放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿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，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，当齿轮放大、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

40、低电平。的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生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。动状态有助于控制刹车力的大小。带有微带有微型磁铁型磁铁的霍尔的霍尔传感器传感器钢质钢质霍尔霍尔霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置 采用霍尔式采用霍尔式无触点电子点火无触点电子点火装置能较好地克装置能较好地克服汽车合金触点服汽车合金触点点火时间不准确、点火时间不准确、触点易烧坏、

41、高触点易烧坏、高速时动力不足等速时动力不足等缺点。缺点。 汽车点火线圈汽车点火线圈高压输出高压输出接头接头12V低压电源低压电源输入接头输入接头汽车电子点火装置使用的汽车电子点火装置使用的 点火控制器、霍尔传感器点火控制器、霍尔传感器及点火总成及点火总成磁铁磁铁点火总成点火总成霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了换霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电

42、动机的正常运转。换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在电刷磨损等问题，所以它在录像录像机、机、CD唱机唱机、光驱等家用电器中、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用得到越来越广泛的应用。 普通直流电动机使用普通直流电动机使用的电刷和换向器的电刷和换向器无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车电动自行车可充电可充电电池组电池组无刷电动机无刷电动机无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用 无刷直流电无刷直流电动机的动机的外转子采用外转子采用高性能位置传感器高性能位置传感器产生六个

43、状态编码产生六个状态编码信号，控制逆变桥信号，控制逆变桥各功率管通断，使各功率管通断，使三相内定子线圈与三相内定子线圈与外转子之间产生连外转子之间产生连续转矩，具有效率续转矩，具有效率高、无火花、可靠高、无火花、可靠性强等特点。性强等特点。电动自行车的电动自行车的无刷电动机及控制电路无刷电动机及控制电路 去速度去速度控制器控制器 利用利用PWM调速调速光驱用的无刷电动机内部结构光驱用的无刷电动机内部结构霍尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁当磁铁的有效磁极接近、并达到动作极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕开关一般还

44、配一块钕铁硼磁铁。铁硼磁铁。霍尔式接近开关用于转霍尔式接近开关用于转速测量演示速测量演示n= = 6060f4(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T霍尔电流传感器霍尔电流传感器 将被测电流的导线将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流的检测孔。当有电流通过导线时，在导线通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍生与电流成正比的霍尔电压。尔电压。霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示铁心铁心 线性霍线性霍

45、尔尔IC EH=KH IB 所实现的多媒体界面：所实现的多媒体界面：其他霍尔其他霍尔 电电流传感器流传感器其他霍尔电流传其他霍尔电流传感器（续）感器（续）霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示直流直流200A量程量程被测电流的被测电流的导线未放入导线未放入铁心时示值铁心时示值为零为零70.9A70.9A钳形表的环形铁钳形表的环形铁心可以张开，心可以张开， 导线由此穿过导线由此穿过霍尔钳形霍尔钳形 电电流表演示流表演示霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示电流表演示霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示电流表演示70.9A70.9A霍尔钳形电流表

46、的使用霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心钳形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的手指按下此处，将钳形表的铁心张开铁心张开将被测电流导线逐根夹将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中到钳形表的环形铁心中霍尔钳形电流表的使用（续）霍尔钳形电流表的使用（续） 叉叉形形钳形表钳形表漏磁稍大，漏磁稍大，但使用方便但使用方便 用用钳形表测量钳形表测量 电动机的相电流电动机的相电流霍尔式电流谐霍尔式电流谐波分析仪波分析仪 被测电流的被测电流的谐波频谱谐波频谱铁心的铁心的 开合缝隙开合缝隙 铁心的铁心的 杠杆压舌杠杆压舌霍尔元件在无损损伤中的应用霍尔元件在无损

47、损伤中的应用铁磁材料具有高磁导特性，外加磁场作用铁磁材料具有高磁导特性，外加磁场作用下无缺陷时，磁力线绝大部分通过铁磁材下无缺陷时，磁力线绝大部分通过铁磁材料且材料内部磁力线均匀分布。料且材料内部磁力线均匀分布。有缺陷时，缺陷处磁导率远比铁磁材料本有缺陷时，缺陷处磁导率远比铁磁材料本身小，则磁力线发生弯曲，且有一部分磁身小，则磁力线发生弯曲，且有一部分磁力线泄漏出材料表面，采用霍尔元件检测力线泄漏出材料表面，采用霍尔元件检测出该泄漏磁场强度的变化，即可有效检测出该泄漏磁场强度的变化，即可有效检测出缺陷的存在。出缺陷的存在。7.4.1 磁敏电阻磁敏电阻7.4 磁敏传感器磁敏传感器 磁敏电阻是一种

48、电阻值随磁场变化而变化的磁敏元件，也称MR元件。它的理论基础为磁阻效应。1 1、磁阻效应、磁阻效应 将通以电流的金属或半导体材料的薄片置于与将通以电流的金属或半导体材料的薄片置于与电流相垂直的磁场中，除产生电流相垂直的磁场中，除产生霍尔效应霍尔效应外，由于运动外，由于运动的载流子收到磁场力的作用会产生偏转，使载流子经的载流子收到磁场力的作用会产生偏转，使载流子经过的路程增加，迁移率减小，电阻率增加，电阻值就过的路程增加，迁移率减小，电阻率增加，电阻值就增加。此种现象称为增加。此种现象称为磁致电阻变化效应磁致电阻变化效应，简称为，简称为磁阻磁阻效应效应。选择合适的磁敏电阻。选择合适的磁敏电阻形状

49、形状，可以使霍尔效应减，可以使霍尔效应减弱或消除，磁阻效应增强。弱或消除，磁阻效应增强。 在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子 (电子和空穴电子和空穴 )的迁移率十的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化 ,它可表示为：它可表示为：2000npPBN 为磁感应强度；为磁感应强度；N,P:电子和空穴的数量；电子和空穴的数量；材料在磁感应强度为时的电材料在磁感应强

50、度为时的电阻率；阻率；0 材料在磁感应强度为材料在磁感应强度为0时的电阻率；时的电阻率；载流子的迁移率。载流子的迁移率。20(1)BnpPBN 电阻率变化主要由迁移率较大的一种载流子引起，它可表示为：电阻率变化主要由迁移率较大的一种载流子引起，它可表示为：22000273. 0B当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如若在电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。）中，则磁阻效应很强。 磁阻效应还与样品的形状、磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。尺寸

51、密切相关。这种与样品形这种与样品形状、尺寸有关的磁阻效应称为状、尺寸有关的磁阻效应称为几何磁阻效应几何磁阻效应。 长方形磁阻器件只有在长方形磁阻器件只有在L(长度长度)W（宽度）的条件下，（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。才表现出较高的灵敏度。把把LW长方形磁阻材料上面制作长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即许多平行等间距的金属条（即短短路栅格路栅格），），以短路霍耳电势以短路霍耳电势，这，这种栅格磁阻器件种栅格磁阻器件,如图如图b）所示，就）所示，就相当于许多相当于许多LW扁条状磁阻串联。扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提

52、高了磁场电阻值、又提高了磁阻器件的阻器件的灵敏度。灵敏度。 L几何磁阻效应WBIa)BIb) 常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部有制作成半桥或全桥等多种形式。内部有制作成半桥或全桥等多种形式。1） 灵敏度特性灵敏度特性 磁阻元件的灵敏度特性是在我国某些厂家是用在一定磁场强度下的电阻变化率一定磁场强度下的电阻变化率来表示来表示，即磁场电阻特性的斜率。国际上通用的标准是用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，RB为在施加0.3T磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于2.7。 2

53、2、磁阻元件的主要特性、磁阻元件的主要特性2）磁场电阻特性 15RBR0105温度(25)弱磁场下呈平方特性变化强场下呈直线特性变化0(b) 电阻变化率特性0.2 0.40.6 0.81.0 1.21.4B/T在0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过0.1T后呈现线性变化 当输入电流当输入电流I，在垂直方向外加磁感应强度，在垂直方向外加磁感应强度B时，由于磁感应强度时，由于磁感应强度B的作用会使的作用会使电流方向发生倾斜而导致电阻值增大，其电阻值与磁感应强度的变化曲线如图电流方向发生倾斜而导致电阻值增大，其电阻值与磁感应强度的变化曲线如图a0.30.20.100.10.2 0.3R/

54、1000500S级级(a) S、N级之间电阻特性B/TN级级磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加3）电阻温度特性 半导体磁阻元件半导体磁阻元件的温度特性不好。电阻值在的温度特性不好。电阻值在35的变化范围的变化范围内减小了内减小了1/2。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。10384210242106-4002060100温度/电阻变化率% 半导体元件电阻-温度特性曲线 7.4.2 7.4.2 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管 霍尔元件和磁敏电阻是用霍尔元件和磁敏电阻是用N型半导体型半导体材材料制成的体型元件。

55、料制成的体型元件。 磁敏二极管、三极管是继霍尔元件和磁磁敏二极管、三极管是继霍尔元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的敏电阻之后迅速发展起来的PN结型结型的新型磁的新型磁电转换元件。它们具有磁灵敏度高（电转换元件。它们具有磁灵敏度高（磁灵敏磁灵敏度比霍尔元件高数百甚至数千倍度比霍尔元件高数百甚至数千倍）；输出信）；输出信号大；能识别磁场的极性；体积小、电路简号大；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点，因而正日益得到重视，并在检测、单等特点，因而正日益得到重视，并在检测、控制等方面得到普遍应用。控制等方面得到普遍应用。 （一）磁敏二极管（一）磁敏二极管 1 1磁敏二极管的结构与工作原理磁敏二极管的

56、结构与工作原理 （1）磁敏二极管的结构）磁敏二极管的结构 有硅磁敏二级管和锗磁敏二级有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。磁敏二级管的结构是管两种。磁敏二级管的结构是P+iN+型。与普通二极管区型。与普通二极管区别：别：普通二极管普通二极管PN结的基区结的基区i很很短，以避免载流子在基区里复短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二级管的合，磁敏二级管的PN结却有结却有很很长的基区长的基区i，大于载流子的扩散，大于载流子的扩散长度。长度。H+H-N+区p+区i区r区电流（a）磁敏二极管的结构和电路符号(a)结构; (b)电路符号+（b）H+H-N+区p+区i区r区电流（a）以以2ACM2ACM1A1A磁

57、敏二级管为例，在高纯度锗半导体的两磁敏二级管为例，在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的端用合金法制成高掺杂的P P型和型和N N型两个区域，并在本型两个区域，并在本征区（征区（i i）区的一个侧面上，设置表面粗糙的高复合区）区的一个侧面上，设置表面粗糙的高复合区(r(r区区) )，而与，而与r r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。 图图a）当磁敏二极管的）当磁敏二极管的P区接电源正极，区接电源正极，N区接区接电源负极电源负极,即即外加正偏压外加正偏压时时，P+向向

58、I区注入大量空区注入大量空穴，穴，N+区向区向I区注入大量区注入大量电子，只有少数电子和空电子，只有少数电子和空穴在穴在I区复合掉，大部分区复合掉，大部分的电子和空穴通过的电子和空穴通过I区分区分别到达别到达P+和和N+区，从而区，从而产生电流。产生电流。2 2）磁敏二极管的工作原理）磁敏二极管的工作原理 PNPNPNB=0B+B-电流电流电流（a）（b）（c）磁敏二极管的工作原理示意图iii电子空穴复合区 图图b）当磁敏二极管受到正）当磁敏二极管受到正向磁感应强度向磁感应强度B+作用时，电作用时，电子和空穴受到洛伦兹力向子和空穴受到洛伦兹力向r区区偏移，由于偏移，由于r区电子和空穴复区电子和

59、空穴复合速度很快，进入合速度很快，进入r区的电子区的电子和空穴很快被复合掉，因此电和空穴很快被复合掉，因此电流迅速减小。流迅速减小。2 2）磁敏二极管的工作原理）磁敏二极管的工作原理 PNPNPNB=0B+B-电流电流电流（a）（b）（c）磁敏二极管的工作原理示意图iii电子空穴复合区 图图c）当磁敏二极管受到反）当磁敏二极管受到反向磁感应强度向磁感应强度B-作用时，电作用时，电子和空穴受到洛伦兹力偏离子和空穴受到洛伦兹力偏离r区，电流明显增大。区，电流明显增大。结论：结论：磁敏二极管不仅能实现磁敏二极管不仅能实现磁电转换，而且随着磁场大小磁电转换，而且随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输和

60、方向的变化，可产生正负输出电压的变化、也能判断磁场出电压的变化、也能判断磁场的方向。特别是在较弱的磁场的方向。特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。作用下，可获得较大输出电压。若若r区和区和r区之外的复合能力之区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。敏度就越高。 磁敏二极管反向偏置时，磁敏二极管反向偏置时，则在则在 r区仅流过很微小的电流，区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。显得几乎与磁场无关。磁敏二极管的工作原理示意图PNPNPNB=0B+B-电流电流电流（a）（b）（c）iii电子空穴复合区1 1磁敏三极管的结构与原理磁敏三极管的结构