传感器与检测技术的理论基础 7

1、中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器7.17.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器 7.27.2霍尔式传感器霍尔式传感器主要内容主要内容中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 磁电式传感器是通过磁电作用将被测量（如：磁电式传感器是通过磁电作用将被测量（如：振动、位移、转速）转换成电信号的一种传感器。振动、位移、转速）转换成电信号的一种传感器。常用的有磁电感应式传感器、霍尔式传感器。磁电常用的有磁电感应式传感器、霍尔式传感器。磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生感应式传感器是利用导体和磁场发生

2、相对运动产生感应电动势；霍尔式传感器是载流半导体在磁场中感应电动势；霍尔式传感器是载流半导体在磁场中有电磁效应而输出电动势。是典型的有源传感器。有电磁效应而输出电动势。是典型的有源传感器。 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器机械能机械能电电 量量中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器磁敏传感器磁学量磁学量电信号电信号中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器deNdt 0eBlN 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式

3、传感器磁电式传感器电压灵敏度：电压灵敏度： 0US由由 可得；可得； 传感器灵敏度：传感器灵敏度： ( (常数常数) )0eN Blvsv esv0SN Bl 0IISv电流灵敏度电流灵敏度: :中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器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： 开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 转动物体引起磁阻、磁通变化。转动物体引起磁阻、磁通变化。恒定磁通式：磁场运动部件可以是线圈也可以是磁铁。恒定磁通式：磁场运动部件可以是线圈也可以是磁铁。中国矿业大学计算机学

4、院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器动钢型动钢型动圈型动圈型中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器1 1、非线性误差、非线性误差2 2、温度误差、温度误差对铜线而言每摄氏度变化量为对铜线而言每摄氏度变化量为dL/L0.167dL/L0.1671010-4-4, , dR/R0.43dR/R0.431010-2-2 , , dB/BdB/B每摄氏度的变化量取决于永久每摄氏度的变化量取决于永久磁铁的磁性材料。磁铁的磁性材料。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器n 信号输出送测量

5、电路信号输出送测量电路 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。 放大电路基本上是由前置放大电路、中间级放大电路和放大电路基本上是由前置放大电路、中间级放大电路和功率放大电路组成功率放大电路组成中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器1)1)、积分电路、积分电路无源积分电路无源积分电路有源积分电路有源积分电路补充补充积分电路输出积分电路输出0111( )RRUUtFdtdtU dtCCRRC 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器2 2）微分电路）微分

6、电路无源微分无源微分补充补充有源微分有源微分微分电路输出微分电路输出 0( )( )( )cidU tdU tUtRiRCRCdtdt中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 磁电式振动传感器的特性：磁电式振动传感器的特性： 传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械能转化为电能输出。能转化为电能输出。 速度传感器的输出电压正比于速度信号，便于直接放大。速度传感器的输出电压正比于速度信号，便于直接放大。 输出阻抗低，对后置电路要求低，干扰小。输出阻抗低，对后置电路要求低，干扰小。磁电感应式传感

7、器的频响范围一般在几十赫兹至几百赫兹，磁电感应式传感器的频响范围一般在几十赫兹至几百赫兹，低的可至低的可至1010赫兹，高的可达赫兹，高的可达2000HZ.2000HZ.uv中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 1. 1. 动圈式振动速度传感器动圈式振动速度传感器中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 2. 2. 磁电式扭矩传感器磁电式扭矩传感器 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器磁敏传感器是对磁场参量磁敏传感器是对磁场参量(B,(B,等等) )敏感的

8、元器件或敏感的元器件或装置装置 , ,具有把磁学物理量转换为电信号的功能，基于具有把磁学物理量转换为电信号的功能，基于磁电转换原理的传感器。主要有磁敏电阻、磁敏二极磁电转换原理的传感器。主要有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器管、磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化， 微型化和集成化方向发展。微型化和集成化方向发展。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制

9、电流（半导体薄片）两端通以控制电流I I，在薄片垂直，在薄片垂直方向施加磁感强度方向施加磁感强度B B的磁场，在薄片的另外两侧会的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流产生一个与控制电流I I和磁场强度和磁场强度B B的乘积成比例的乘积成比例的电动势的电动势 。 通电的导体（半导体）放在磁场中，电流通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I I与与磁场磁场B B方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。势，这种现象称霍尔效应。 HU中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 在磁场中导体自由电子

10、在磁场的作用下做定向运动。在磁场中导体自由电子在磁场的作用下做定向运动。 每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧： LFe BHHUEb霍尔电场霍尔电场HHFeE霍尔电场作用于电子的力霍尔电场作用于电子的力中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 当两作用力相等时电荷不再向两边积累，达到动当两作用力相等时电荷不再向两边积累，达到动态平衡：态平衡：HLFFHeEe BIne bd 通过（半）导体薄片的电流通过（半）导体薄片的电流I I与载流子浓度与载流子浓度n n， 电子运动速度电子运动速度v v，薄片横截面

11、积，薄片横截面积 b b* *d d 有关：有关： HUBb霍尔电势：霍尔电势：HHUEbnevdIb中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器代入后：代入后： 霍尔常数霍尔常数 与材料有关与材料有关 霍尔灵敏度霍尔灵敏度 与薄片尺寸有关与薄片尺寸有关HHHI BI BUB bRKI Bn e dd1HRn e HHRKd讨论：霍尔电势与哪些因素有关讨论：霍尔电势与哪些因素有关？单位电场强单位电场强度下载流子度下载流子的平均速度的平均速度中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器讨论：讨论： 任何材料在一定条件

12、下都能产生霍尔电势，但不是都可以制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造霍尔元件 绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用；绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用； 金属材料电子浓度很高，金属材料电子浓度很高，RHRH很小，很小，UHUH很小。很小。 半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用采用N N型半导体（多电子）。型半导体（多电子）。 v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 KH KH 越大，所以霍尔元越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似件做的较薄，通常近

13、似1 1微米。微米。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 霍尔晶体外形矩形薄片有四根引线，霍尔晶体外形矩形薄片有四根引线， 两端加激励两端为输出；两端加激励两端为输出； 电源电源E E，控制电流，控制电流I I； 负载负载RLRL，R R可调保证控制电流，可调保证控制电流， B B磁场与元件面垂直（向里）。磁场与元件面垂直（向里）。 实测中可把实测中可把I I* *B B作输入，作输入， 也可把也可把I I或或B B单独做输入。单独做输入。 通过霍尔电势输出测量结果。通过霍尔电势输出测量结果。 输出输出UoUo与与I I或或B B成正比关系。成正

14、比关系。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器1 1） 额定激励电流和最大允许激励电流额定激励电流和最大允许激励电流 当霍尔元件自身温升当霍尔元件自身温升1010时所流过的激励电流称为额时所流过的激励电流称为额定激励电流。定激励电流。 以元件允许最大温升为限制所对应的激励电以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。流称为最大允许激励电流。 2 2） 输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源势对外电路来说相当于一

15、个电压源, , 其电源内阻即为输出其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在202055时确定的。时确定的。 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器3 3） 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当霍尔元件的激励电流为I I时时, , 若元件所处位置磁感应强若元件所处位置磁感应强度为零度为零, , 则它的霍尔电势应该为零则它的霍尔电势应该为零, , 但实际不为零。但实际不为零。 这时测这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。得的空载霍尔电势称不等位电势。

16、不等位电势也可用不等位不等位电势也可用不等位电阻表示电阻表示 HIUr00 4 4） 寄生直流电势寄生直流电势 在外加磁场为零在外加磁场为零, , 霍尔元件用交流激励时霍尔元件用交流激励时, , 霍尔电极输霍尔电极输出除了交流不等位电势外出除了交流不等位电势外, , 还有一直流电势还有一直流电势, , 称寄生直流电称寄生直流电势。势。 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 5 5） 霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下在一定磁感应强度和激励电流下, , 温度每变化温度每变化11时时, , 霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温

17、度系数。它同时也是霍霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。尔系数的温度系数。 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 当霍尔元件通以激励电流当霍尔元件通以激励电流I I时，若磁场时，若磁场B=0B=0，理论上霍尔电势，理论上霍尔电势U UH H=0,=0,但实际但实际U UH H不等于不等于0 0，这时测得的空载电势称，这时测得的空载电势称不等位电势不等位电势U U0 0。 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半导体材料不均匀半导体材料不均匀中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院

18、第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器(2)(2)温度误差及补偿温度误差及补偿霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温度霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温度T T变化时，载流子浓度变化时，载流子浓度n n、迁移率、迁移率、电阻率、电阻率，霍尔系数，霍尔系数R RH H 都会都会变化。以下是几种补偿方法：变化。以下是几种补偿方法：恒流源补偿：恒流源补偿： ( (举例举例) )由由 UH=KHIB UH=KHIB 可见恒流源供电可使可见恒流源供电可使U UH H稳定但灵敏度系数稳定但灵敏

19、度系数 K KH H = RH/d = /d= RH/d = /d也是温度的函数：也是温度的函数：0001()1HtHHKKt tKT 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器u具体补偿方法具体补偿方法: : 在霍尔元件上并联一在霍尔元件上并联一RpRp分流，分流， 当当T T增大时增大时RiRi增大增大UH UH 增大增大 IH IH 减小减小IpIp增大增大UH UH 下降，下降， Rp Rp 自动加强分流，使自动加强分流，使Ip Ip 增大增大 IH IH 下降下降UHUH下降下降, ,补偿电阻补偿电阻 RpRp可选择负温度系数可选择负温度系数

20、. .目的保持目的保持K KH HIBIB为常值为常值(2)(2)温度误差及补偿温度误差及补偿中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器在的温度补偿电路中在的温度补偿电路中, , 设初始温度为设初始温度为T T0 0, , 霍尔元件输入电阻霍尔元件输入电阻为为R Ri0i0, , 灵敏系数为灵敏系数为K KH1H1, , 分流电阻为分流电阻为R Rp0p0, , 根据分流概念得根据分流概念得 I IH0H0= = 当温度升至当温度升至T T时时, , 电路中各参数变为电路中各参数变为 R Ri i=R=Ri0i0（1+T1+T） R Rp p=R=Rp

21、0p0（1+T1+T）式中式中: : 霍尔元件输入电阻温度系数霍尔元件输入电阻温度系数; ; 分流电阻温度系数。分流电阻温度系数。000iPPRRIR中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器则则 iPPHRRIRI)1 ()1 ()1 (000TRTRITRiPP 虽然温度升高虽然温度升高T, T, 为使霍尔电势不变为使霍尔电势不变, , 补偿电路必须补偿电路必须满足温升前、满足温升前、 后的霍尔电势不变后的霍尔电势不变, , 即即 U UH0H0=U=UH H K KH0H0I IH0H0B=KB=KH HI IH HB B 则则 K KH0H0I

22、 IH0H0=K=KH H I IH H 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器经整理并略去经整理并略去、 (T)2(T)2高次项后得高次项后得 R Rp0p0= = 当霍尔元件选定后当霍尔元件选定后, , 它的输入电阻它的输入电阻R Ri0i0和温度系数和温度系数及霍及霍尔电势温度系数尔电势温度系数是确定值。即可计算出分流电阻是确定值。即可计算出分流电阻R Rp0p0及所需及所需的温度系数的温度系数值。为了满足值。为了满足R R0 0及及两个条件两个条件, , 分流电阻可取分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合温度系数不同的两种电阻的串、并联组合, , 这样虽然麻烦但这样虽然麻烦但效果很好。效果很好。 aRai0)(中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔传感器位移测量原理霍尔传感器位移测量原理 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 2. 2. 霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 3. 3. 霍尔计数装置霍尔计数装置中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院第第7 7章章 磁电式传感器