传感器与检测技术第二版胡向东著第七章 磁电式传感器

1、第第7 7章章 磁敏式传感器磁敏式传感器7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器本章要点本章要点下页下页返回返回 磁电式传感器是通过磁磁电式传感器是通过磁电作用将被测量（如电作用将被测量（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。7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器下页下页上页上页返回返回一一、 类型及工作原理类型及工作原理 磁电感应式传感器也称为电动式传感器（感应磁电感应式传感器也称为电动式传感器（感应式传感器），它是式传感器），它是利用导体和磁场发生相对运动而利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感

2、应电动势的原理在导体两端输出感应电动势的原理工作的。工作的。（发电（发电机原理）机原理） 特点：不需要电源，可特点：不需要电源，可直接从被测物体吸取机直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出，械能量并转换成电信号输出，电路简单，性能稳定，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，输出电压灵敏度高，频率响应（输出阻抗小，输出电压灵敏度高，频率响应（101000Hz），但体积、重量较大，一般适于测量振动、），但体积、重量较大，一般适于测量振动、转速、扭矩等参数。转速、扭矩等参数。 根据法拉第电磁感应定律：根据法拉第电磁感应定律：W匝线圈在恒定匝线圈在恒定磁场中运动并切割磁力线时，线圈中将产生感应磁场中运

3、动并切割磁力线时，线圈中将产生感应电动势：电动势：下页下页上页上页返回返回deNdt eNBLv 线圈相对磁场运动速度为线圈相对磁场运动速度为v v或或NBSe下页下页上页上页返回返回（一（一） 恒定磁通式恒定磁通式 分动圈式（分动圈式（a）和动铁式（）和动铁式（b）两种结构（相）两种结构（相对于壳体）对于壳体）图图7-1 恒定磁通路电感应式传感器结构原理图恒定磁通路电感应式传感器结构原理图图图7-2 7-2 变磁通式磁电感应式传感器结构原理图变磁通式磁电感应式传感器结构原理图 （a) a) 开磁路开磁路 (b) (b) 闭磁路闭磁路下页下页上页上页返回返回（二二） 变变磁通式磁通式二、测量电

4、路二、测量电路图图7-5 磁电感应式传感器测量电路方框图磁电感应式传感器测量电路方框图下页下页上页上页返回返回三、磁电感应式传感器应用举例三、磁电感应式传感器应用举例下页下页上页上页返回返回图图7-6 动圈式恒磁通振动速度传感器动圈式恒磁通振动速度传感器下页下页上页上页返回返回图图7-7 磁电感应式转速传感器（变磁通式）磁电感应式转速传感器（变磁通式）1 1转轴转轴 2 2转子转子 3 3永久磁铁永久磁铁 4 4线圈线圈 5 5定子定子上页上页返回返回下页下页EBDv244VDDEqvK EB图图7-9 电磁流量计（恒磁通式）电磁流量计（恒磁通式）7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔效应和霍尔

5、元件材料霍尔效应和霍尔元件材料霍尔元件构造及测量电路霍尔元件构造及测量电路霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的补偿电路霍尔元件的补偿电路霍尔式传感器的应用举例霍尔式传感器的应用举例 霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量、如电流、磁场、位移、压力等转换理而将被测量、如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。成电动势输出的一种传感器。上页上页返回返回下页下页 1. 霍尔效应：霍尔效应： 一块长为一块长为l、宽为、宽为b、厚为、厚为d的半导体薄片置于磁感应的半导体薄片置于磁感应强度为强度为B的磁场的磁场(磁场方向

6、垂直于薄片磁场方向垂直于薄片)中，当有电流中，当有电流I流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH。这种现象称为霍尔效应。霍尔式传感器是由霍尔元件所这种现象称为霍尔效应。霍尔式传感器是由霍尔元件所组成。组成。上页上页返回返回下页下页图图7-10 霍尔效应原理图霍尔效应原理图7.2.1 工作原理工作原理bUeeEFHHHevBFLl电场力电场力: :l洛伦兹力洛伦兹力: :LHFF 平衡时平衡时: :上页上页返回返回下页下页nebdIvbdnevbdjIIBKdIBRnedIBBbUHHHRH霍尔系数 KH灵敏度2.2.霍尔元件霍尔元件l 外

7、形、结构和符号外形、结构和符号下页下页上页上页返回返回l 霍尔元件的命名霍尔元件的命名下页下页上页上页返回返回图图7-12 霍尔元件的线性特性和开关特性霍尔元件的线性特性和开关特性上页上页返回返回下页下页l 特性特性线性器件：输出模拟量线性器件：输出模拟量开关器件：输出数字量开关器件：输出数字量负载特性负载特性 ：当霍尔电极间接有负载时（阻抗非无：当霍尔电极间接有负载时（阻抗非无穷大），有电流流过内阻产生压降，实际的霍尔电穷大），有电流流过内阻产生压降，实际的霍尔电动势将比理论值略小。动势将比理论值略小。温度特性温度特性 ：半导体材料受温度影响大，将影响霍：半导体材料受温度影响大，将影响霍尔系

8、数、电阻率、灵敏度等。尔系数、电阻率、灵敏度等。1锗锗(Ge) 输出小，但温度性能和线性度较好；输出小，但温度性能和线性度较好； 2硅硅(Si) 线性度最好，但带负载能力较差，通常不作单个霍尔元线性度最好，但带负载能力较差，通常不作单个霍尔元件；件；3砷化铟砷化铟(InAs) 输出较大，受温度影响小，线性度较好，应用较多；输出较大，受温度影响小，线性度较好，应用较多； 4锑化铟锑化铟(InSb) 输出大，但受温度影响大（尤其是低温）输出大，但受温度影响大（尤其是低温）上页上页返回返回下页下页l 材料材料 q 额定激励电流额定激励电流IH 使霍尔元件温升使霍尔元件温升10所施加的控制电流值称为额

9、定激所施加的控制电流值称为额定激励电流。通常用励电流。通常用IH表示。表示。 q 输入电阻输入电阻Ri 它是指控制电流极间的电阻值。它规定要在室温它是指控制电流极间的电阻值。它规定要在室温(205)的环境温度中测取。的环境温度中测取。 q 输出电阻输出电阻Rs 它是指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在它是指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在(205)的条件下测取。的条件下测取。 q热阻热阻RQ 它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输入它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输入lmW的电功率时产生的温升，单位为的电功率时产生的温升，单位为CmW。l 主要技术指标主要技术指标 下页下页上页上页返

10、回返回上页上页返回返回下页下页7.2.2 测量电路测量电路 霍尔元件的基本测量电路如图所示。霍尔元件的基本测量电路如图所示。 激励电流由电源激励电流由电源E供给，可变电阻供给，可变电阻RP用来调节激励电流用来调节激励电流I的大小。的大小。RL为输出为输出霍尔电势霍尔电势UH的负载电阻。的负载电阻。图图7-15 基本测量电路基本测量电路上页上页返回返回下页下页（a a）线性型）线性型（b b）开关型）开关型l 精确跟踪磁密度的变化精确跟踪磁密度的变化l 单极性单极性 靠近单磁极靠近单磁极低电平（关）低电平（关）l 双极性双极性l 全极性全极性q 不等位电势不等位电势 当霍尔元件通以控制电流当霍尔

11、元件通以控制电流IH而不加外磁场时，而不加外磁场时，它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势就它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势就称为不等位电势称为不等位电势(或零位电势或零位电势)。上页上页返回返回下页下页产生原因：产生原因：l 霍尔电极不在同一等位面上；霍尔电极不在同一等位面上；l 半导体材料（电阻率、几何尺寸等）不均匀；半导体材料（电阻率、几何尺寸等）不均匀；l 控制电极接触不良。控制电极接触不良。l 测量误差及补偿测量误差及补偿图图7-13 不等位电势的补偿电路不等位电势的补偿电路上页上页返回返回下页下页q 寄生直流电势寄生直流电势 产生原因：产生原因：l 控制电极和霍尔电极

12、接触不良控制电极和霍尔电极接触不良接触电阻；接触电阻；l 两霍尔电极大小不对称两霍尔电极大小不对称热容量不同。热容量不同。 与工作电流有关，随工作电流减小而减小。与工作电流有关，随工作电流减小而减小。q 温度误差及其补偿温度误差及其补偿 霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多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化，从载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生化，从而使霍尔元件产生温度误差。而使霍尔元件产生温度误差。 为了减小温度误差

13、，除了选择温度系数小的霍尔为了减小温度误差，除了选择温度系数小的霍尔元件元件(如如InAs)或采取恒温措施外，由或采取恒温措施外，由 可看出：可看出：采用恒流源供电是个有效措施，减小元件内阻随温度采用恒流源供电是个有效措施，减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化，但是还不能完全解决变化而引起的控制电流的变化，但是还不能完全解决霍尔电动势的稳定问题。霍尔电动势的稳定问题。IBkUHH上页上页返回返回下页下页)1 (0TRRHH)1 (0TKKHH)1 (0TRRPP并联分流电阻并联分流电阻R RP P，当霍尔元件的输入电阻随温度升高当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，而增加时，R RP

14、 P会自动加强分流，减小了霍尔元件的会自动加强分流，减小了霍尔元件的控制电流控制电流I IH H，从而达到补偿目的。，从而达到补偿目的。00PHIII0000PPHHRIRI00HPRRBIKBIKHHHH00图图7-14 温度补偿电路温度补偿电路下页下页上页上页返回返回IRRRIHPPH0000IRRRIHPPH上页上页返回返回下页下页图图7-25 桥路补偿法的温度补偿电路桥路补偿法的温度补偿电路 桥路补偿法桥路补偿法 元件补偿元件补偿上页上页返回返回下页下页l 要求热敏元件尽量靠近霍尔元件要求热敏元件尽量靠近霍尔元件 7.2.3 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用上页上页返回返回下页下页图图7-16 霍尔式位移传感器原理示意图霍尔式位移传感器原理示意图上页上页返回返回下页下页图图7-19 霍尔式压力传感器结钩原理图及磁钢外形霍尔式压力传感器结钩原理图及磁钢外形 霍尔汽车点火器结构示意图霍尔汽车点火器结构示意图上页上页返回返回下页下页转速计转速计上页上页返回返回下页下页r/sN nNrtt n上页上页返回返回下页下页 磁转子磁转子M M旋转带动磁极旋转，霍尔元件旋转带动磁极旋转，霍尔元件H H感受到磁场感受到磁场强度发生变化，产生的霍尔电势经差动运算放大器强度发生变化，产生的霍尔电势经差动运算放大器A A放放大后输出矩形波，输出信