第五章磁电式传感器

1、第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器定义定义：磁电式传感器是利用磁电作用将磁电式传感器是利用磁电作用将被测量转换成电信号的一种传感器。被测量转换成电信号的一种传感器。 磁电作用磁电作用：所有的磁信号与电信号之间所有的磁信号与电信号之间相互作用的现象。相互作用的现象。 第一节第一节 磁电感应式传感器磁电感应式传感器一、一、磁电感应式传感器工作原理磁电感应式传感器工作原理 根据电磁感应定律， 当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为 ddxeNNBlNBlvdtdt 式中: B稳恒均匀磁场的磁感应强度；l导体有效长度；v导体相对磁场的运动速度N线圈匝数；当一个N匝线圈

2、相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电势e与磁通变化率d/dt有如下关系： deNdt 根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。（一）恒定磁通式（一）恒定磁通式0eBlN v （二）变磁通式（二）变磁通式 变磁通式磁电传感器结构图 （a） 开磁路 （b） 闭磁路 图（a）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 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，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转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿

3、轮较危险而不宜测量高转速的场合。 图（b）为闭磁路变磁通式传感器，被测旋转体1带动椭圆形测量齿轮2在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性地变化，因而磁路的磁阻也周期性的变化，磁通同样周期性的变化，则在线圈3中产生感应电动势，其频率f与测量齿轮2的转速n成正比，即f=n/30。二、磁电感应式传感器的应用二、磁电感应式传感器的应用动圈式振动速度传感器动圈式振动速度传感器 1、芯轴、芯轴2、外壳、外壳3、弹簧片、弹簧片4、铝支架、铝支架5、永久磁铁、永久磁铁6、线圈、线圈7、阻尼环、阻尼环8、引线、引线上图是动圈式振动速度传感器的结构示意图。其结构主要特点是，钢制圆形外壳，里面用铝支架将圆柱形永

4、久磁铁与外壳固定成一体，永久磁铁中间有一小孔，穿过小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环，芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。工作时，传感器与被测物体刚性连接，当物体振动时， 传感器外壳和永久磁铁随之振动，而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。因而，磁路空气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势，线圈的输出通过引线输出到测量电路。该传感器测量的是振动速度参数，若在测量电路中接入积分电路，则输出电势与位移成正比；若在测量电路中接入微分电路，则其输出与加速度成正比。 第二节第二节 霍尔式传感器霍尔式传感器一、工作原理一、工作原理霍尔效应：霍尔效应： 金属或半导体处于磁场中，当有

5、电流流过时，在垂金属或半导体处于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。11 设霍耳片的长度为设霍耳片的长度为l，宽度为，宽度为w，厚度为，厚度为d。又设电子以均匀。又设电子以均匀的速度的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它的作用下，它受到受到洛仑兹力洛仑兹力q电子电量电子电量(1.6210-19C)； v电于运动速度。电于运动速度。同时，作用于电子的电场力同时，作用于电子的电场力 qvBfLwqUqEfHHE/wqUqvBH/当达到动态平衡时当达到动态平衡时HUvBw1

6、2dnqvwdjwIdnqwIv/pqdIBUH/霍耳电势霍耳电势UH与与 I、B的乘积成正比，而与的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成反比。于是可改写成：成： dIBRUHH电流密度电流密度j=nqvn nN N型半导体型半导体中的电子浓度中的电子浓度N N型半导体型半导体P P型半导体型半导体R RH H霍耳系数，由载流材料物理性质决定。霍耳系数，由载流材料物理性质决定。材料电阻率材料电阻率p pP P型半导体型半导体中的孔穴浓度中的孔穴浓度型）（型）（PqpRNqnRHH11载流子迁移率载流子迁移率, ,= =v v/E,/E,即单位电场强度作用下载流子的平均即单位电场强度作用下载流

7、子的平均速度。速度。nqdIBUH/13设设 KH=RH / d KH霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理霍耳器件的乘积灵敏度。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的大小。位控制电流时霍耳电势的大小。若磁感应强度若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角的方向与霍耳器件的平面法线夹角为为时，霍耳电时，霍耳电势势应为：应为： UH KH I B UH KH I B cos 讨论：为什么只能用半导体材料作霍尔元件。讨论：为什么只能用半导体材料作霍尔元件。 霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率霍尔常

8、数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。的乘积。 若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数RH，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。移率。 一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低，小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低，故只有半导体材料才适于制造霍尔片。故只有半导体材料才适于制造霍尔片。dIBUHen1ep1N N型材料电阻率型材料电阻率P P型材料电阻率型材料电阻率二、霍尔元件二、霍尔元件1 1、霍耳磁敏传

9、感器的符号与基本电路、霍耳磁敏传感器的符号与基本电路 器件电流器件电流(控制电流控制电流或输入电流或输入电流):流入到器件内的电流。流入到器件内的电流。电流端子电流端子A、B相应地称为器件相应地称为器件电流端电流端、控制电流端或、控制电流端或输入电流端。输入电流端。霍耳输出端的端子霍耳输出端的端子C、D相应地称为相应地称为霍耳端霍耳端或输出端。或输出端。若霍耳端子间连接负载若霍耳端子间连接负载,称为霍耳称为霍耳负载电阻负载电阻或霍耳负载。或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为电流电极间的电阻，称为输入电阻输入电阻，或者控制内阻。，或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为霍耳端子间的电阻，称为输出电阻输

10、出电阻或霍耳侧内部电阻。或霍耳侧内部电阻。 16控制电流控制电流I；霍耳电势霍耳电势UH；控制电压控制电压E；输出电阻输出电阻R2；输入电阻输入电阻R1；霍耳负载电阻霍耳负载电阻R3；霍耳电流霍耳电流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, ,RW为调节电阻为调节电阻, ,保证器件内保证器件内所需控制电流所需控制电流I。霍耳输出端接负载。霍耳输出端接负载R3, ,R3可是一般电阻可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍垂直通过霍耳器件耳器件, ,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

11、上获得电压。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本电路霍耳器件的基本电路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, ,而输出而输出可以正比于可以正比于I I或或B B, , 或者正比于其乘积或者正比于其乘积IBIB。R3RW三、霍尔元件的误差及其补偿三、霍尔元件的误差及其补偿1 1、零位误差及补偿方法、零位误差及补偿方法零位误差：霍尔元件在加控制电流但不加外磁场时出现的霍尔电势。主要为不等位电势。ACBIDCr1r3r2r4DAB分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥， 用分析电桥平衡来补偿不等位电势分析电桥平衡来补偿不等位电势。

12、 不等位电势补偿电路 RPRPRPRPR(a)(b)(c)(d)寄生直流电动势寄生直流电动势 ：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平衡电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。 其产生的原因有： 激励电极与霍尔电极接触不良， 形成非欧姆接触， 造成整流效果； 两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同， 散热状态不同而形成极间温差电势。 寄生直流电势一般在1mV以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。 2 2、温度误差及补偿方法、温度误差及补偿方法（1）采用恒流源供电和输入回路并联电阻 为了减小霍尔元件的温度误差， 除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，由UH=KH

13、IB可看出：采用恒流源供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定。但也只能是减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流I的变化的影响。 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、 迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。 霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数，它随温度变化将引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成 KH=KH0(1+T) 式中： KH0温度T0时的KH值； T=T-T0温度变化量； 霍尔电势温度系数。 （0） 恒流温度补偿电路 IsIpRpIHUH 大多数霍尔元件的温度系数是

14、正值，它们的霍尔电势随温度升高而增加T倍。 但如果同时让激励电流Is相应地减小， 并能保持KH Is 乘积不变，也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。下图就是按此思路设计的一个既简单，补偿效果又较好的补偿电路。电路中Is为恒流源，分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极相并联。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Rp自动地增大分流，减小了霍尔元件的激励电流IH，从而达到补偿的目的。 在上图所示的温度补偿电路中，设初始温度为T0，霍尔元件输入电阻为Ri0，灵敏系数为KH0，分流电阻为Rp0，根据分流概念得 0000ipspHRRIRI 当温度升至T时，电路中各参数变为 )1 ()1 (00T

15、RRTRRppii 式中：霍尔元件输入电阻温度系数； 分流电阻温度系数。 （1）（2）（3）则 )1 ()1 ()1 (000TRTRITRRRIRIipspipspH（4） 虽然温度升高了T，为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足温升前、 后的霍尔电势不变，即UH0=UH，则 KH0IH0B=KHIHB 有 KH0IH0=KHIH 将式（0）、（1）、（4）代入上式，经整理并略去(T)2高次项后得 00)(ipRR（7） 当霍尔元件选定后，它的输入电阻Ri0和温度系数及霍尔电势温度系数是确定值。由式（7）即可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值。为了满足Rp0及两个条件，分流电阻可取温度系数不

16、同的两种电阻的串、并联组合，这样虽然麻烦但效果很好。 （2）合理选取负载电阻RL的阻值霍尔元件的输出电阻o和霍尔电动势都是温度的函数，当霍尔元件接有负载RL时，在RL上的电压为00001()1()LHLLoR UttURRtt其中 温度为t0时的霍尔元件输出电阻。0oR为使负载上的电压不随温度而变化，应使 ，即得0(1)LoRR00()LdUd tt可采用串、并联的方法使上式成立来补偿温度误差。热敏电阻Rt具有负温度系数，电阻丝具有正温度系数。a、b、c图中霍尔输出具有负温度系数。d图为用Rt补偿霍尔输出具有正温度系数的温度误差。（3）采用温度补偿元件桥路补偿电路（4）不等位电动势Uo的温度补偿四、应用四、应用1、霍尔式微位移传感器霍 尔 元 件S NN Sxxx霍 尔 元 件NSx霍 尔 元 件NSNSxxx(a)(b)(c)上图是磁场强度相同的两块永久磁铁，同极性相对地放置， 霍尔元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0，