第九章磁敏传感器

1、 9.1 霍尔传感器霍尔传感器 9.2 磁敏电阻磁敏电阻 9.3 结型磁敏管结型磁敏管第第9 9章章 磁敏传感器磁敏传感器磁场磁场 电信号电信号 9.1 霍尔传感器霍尔传感器磁场磁场 电压电压UH9.1.1 霍尔效应霍尔效应 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的的磁场中，沿着垂直于磁场的方向通以电流磁场中，沿着垂直于磁场的方向通以电流I，就会在薄片，就会在薄片的另一对侧面间产生电动势的另一对侧面间产生电动势UH，如图，如图9-1所示。这种现象所示。这种现象称为称为霍尔效应霍尔效应，所产生的电动势称为，所产生的电动势称为霍尔电动势霍尔电动势

2、，这种薄，这种薄片（一般为半导体）称为片（一般为半导体）称为霍尔片霍尔片或或霍尔元件霍尔元件。图图9-1 霍尔效应原理图霍尔效应原理图 9.1 霍尔传感器霍尔传感器 在磁场在磁场B中运动的电子将受到中运动的电子将受到Lorentz力力fLfL=evB (9-1)偏转偏转,建立的霍尔电场建立的霍尔电场EH对随后的运动电子施加一电场力对随后的运动电子施加一电场力fEfE=eEH=eUH /b (9-2) 平衡时，平衡时， fL = fE，即，即evB= eUH /b (9-3)由于电流密度由于电流密度J=-nev(v为电子运动速度为电子运动速度 )，则电流强度为，则电流强度为I=-nevbd (9

3、-4)所以所以 (9-5)式中，式中，d霍尔片度；霍尔片度；n电子浓度；电子浓度； 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。IBKdIBRnedIBUHHH9.1 霍尔传感器霍尔传感器 从式从式(9-3)知，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，有关，即与载流子的迁移率即与载流子的迁移率 有关。由于有关。由于 = v/El(El为电流方向上为电流方向上的电场强度的电场强度)，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与载与载流体材料的电阻率流体材料的电阻率 和载流子的迁移率和载流子的迁移率 的关系为

4、的关系为RH= （9-6） 金属导体：金属导体： 大，但大，但 小（小（n大）；大）； 绝缘体：绝缘体： 大（大（n小），但小），但 小；小；它们都不宜作霍尔元件它们都不宜作霍尔元件(RH太小太小)。 半导体：半导体： 、 适中适中适宜作霍尔元件。适宜作霍尔元件。9.1 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔电压霍尔电压UH还与元件的几何尺寸有关：还与元件的几何尺寸有关： KH=1/ned厚度厚度d越小越好，一般越小越好，一般d=0.01mm； 宽度宽度b加大，或长宽比（加大，或长宽比（l/b）减小时，将会使）减小时，将会使UH下降，下降，应加以修正应加以修正式中，式中，f(l/b)形状效应系数形状效应系

5、数，如表，如表9-2所示。一般取所示。一般取l/b=22.5，则，则f(l/b) 1，就足够了，就足够了。blfdIBRUHH9.1 霍尔传感器霍尔传感器 图图9-1 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9.1 霍尔传感器霍尔传感器9.1.2 霍尔元件主要技术参数霍尔元件主要技术参数 1.输入电阻输入电阻Ri和输出电阻和输出电阻Ro Ri Ro，Ri、Ro=1002000 。 2.额定控制电流额定控制电流Ic使霍尔元件在空气中产生使霍尔元件在空气中产生10 C温升的温升的控制电流控制电流Ic=(几几几十几十)mA。 3.不

6、等位电势不等位电势U0和不等为电阻和不等为电阻R0 霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时其霍尔霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时其霍尔电极间的电势为不等位电势电极间的电势为不等位电势U0，主要是由于两电极不在同，主要是由于两电极不在同一等位面上以及材料电阻率不均匀等因素引起的，一般一等位面上以及材料电阻率不均匀等因素引起的，一般U0 10mV。等效为不等为电阻。等效为不等为电阻R0= U0 /Ic。 4.灵敏度灵敏度KH 在单位磁感强度下，通以单位控制电流时所产生的开路在单位磁感强度下，通以单位控制电流时所产生的开路霍尔电压（霍尔电压（mV/mAT或或mV/mAkGs）。）。9.

7、1 霍尔传感器霍尔传感器 5.寄生直流电势寄生直流电势UoD 在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电极间产生的直流电势为寄生直流电势电极间产生的直流电势为寄生直流电势UoD。它主要是由。它主要是由于电极与霍尔片间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造于电极与霍尔片间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造成的。成的。 6.霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 为温度变化为温度变化1 C时，霍尔电势变化的百分率（时，霍尔电势变化的百分率（%/ C）。）。 7.电阻温度系数电阻温度系数 为温度变化为温度变化1 C时，霍尔元件电阻变化的百分（时，霍尔元件

8、电阻变化的百分（%/ C） 8.灵敏度温度系数灵敏度温度系数 为温度变化为温度变化1 C时，霍尔元件灵敏度的变化率。时，霍尔元件灵敏度的变化率。 9.线性度线性度 表表9-3列出几种霍尔元件的主要技术性能。列出几种霍尔元件的主要技术性能。9.1 霍尔传感器霍尔传感器9.1.3 基本误差及其补偿基本误差及其补偿9.1.3.1温度误差及其补偿温度误差及其补偿 温度变化，导致霍尔元件内阻（温度变化，导致霍尔元件内阻（Ri、Ro)和霍尔和霍尔灵敏度（灵敏度（KH）等变化，给测量带来一定误差，即）等变化，给测量带来一定误差，即温度误差。为了减温度误差，需采取温度补偿措温度误差。为了减温度误差，需采取温度

9、补偿措施。施。 9.1 霍尔传感器霍尔传感器 1.采用恒流源供电和输入回路并联电阻采用恒流源供电和输入回路并联电阻 温度变化引起霍尔元件输入电阻温度变化引起霍尔元件输入电阻Ri变化，在稳压源供电变化，在稳压源供电时，使控制电流变化，带来误差。为了减小这种误差，最时，使控制电流变化，带来误差。为了减小这种误差，最好采用恒流源好采用恒流源(稳定度稳定度 0.1%)提供控制电流。但灵敏度系数提供控制电流。但灵敏度系数KH也是温度的函数，因此采用恒流源后仍有温度误差。为也是温度的函数，因此采用恒流源后仍有温度误差。为了进一步提高了进一步提高UH的温度稳定性，对于具有正温度系数的霍的温度稳定性，对于具有

10、正温度系数的霍尔元件，可在其输入回路并联电阻尔元件，可在其输入回路并联电阻R，如图，如图9-2所示。所示。 图图9-2 恒流源及输入并联恒流源及输入并联电阻温度补偿电路电阻温度补偿电路9.1 霍尔传感器霍尔传感器 由补偿电路图知，在温度由补偿电路图知，在温度t0和和t时时 RRIRIic00/(9-8)(RRIRIitct(9-9)001ttKKHHt(9-10)001ttRRiit(9-11)当温度影响完全补偿时，当温度影响完全补偿时，UH0=UHt，则，则BIKBIKctHt0c0H (9-12) 将式将式(9-8)式式(9-11)代入式代入式(9-12)，可得，可得 RRttRRRtti

11、ii0000010iRR 0iRR (9-13,14)9.1 霍尔传感器霍尔传感器 2选取合适的负载电阻选取合适的负载电阻RL 霍尔元件的输出电阻霍尔元件的输出电阻R。和霍尔电势都是温度的函数。和霍尔电势都是温度的函数(设设为正温度系数为正温度系数)，霍尔元件应用时，其输出总要接负载，霍尔元件应用时，其输出总要接负载RL(如电压表内阻或放大器的输入阻抗等如电压表内阻或放大器的输入阻抗等)。当工作温度改。当工作温度改变时，输出电阻变时，输出电阻R。的变化必然会引起负载上输出电势的。的变化必然会引起负载上输出电势的变化。变化。RL上的电压为上的电压为000011ttRRttURRRRUUOLHLL

12、OtLHtL1RR0OL式中，式中，Ro0温度为温度为t0时霍尔元件的输出电阻。时霍尔元件的输出电阻。 要使负载电压要使负载电压UL不随温度变化，即不随温度变化，即00ttd/dUL9.1 霍尔传感器霍尔传感器n3.采用恒压源和输入回路串联电阻采用恒压源和输入回路串联电阻 当霍尔元件采用稳压源供电，且霍尔输出开路当霍尔元件采用稳压源供电，且霍尔输出开路状态下工作时，可在输入回路中串人适当电阻来状态下工作时，可在输入回路中串人适当电阻来补偿温度误差，其分析过程与结果同式补偿温度误差，其分析过程与结果同式(9-14)。9.1 霍尔传感器霍尔传感器 4采用温度补偿元件采用温度补偿元件 这是一种常用的

13、温度误差补偿方法，尤其适用于锑化铟这是一种常用的温度误差补偿方法，尤其适用于锑化铟材料的霍尔元件。图材料的霍尔元件。图 9-3示出了采用热敏元件进行温度补示出了采用热敏元件进行温度补偿的几种不同连接方式的例子。图中偿的几种不同连接方式的例子。图中ri为激励源内阻为激励源内阻r(t)、R(t)为热敏元件如热电阻或热敏电阻。通过对电路的简单为热敏元件如热电阻或热敏电阻。通过对电路的简单计算便可求得有关的计算便可求得有关的R(t)和和r(t)的阻值。的阻值。图图93 采用热敏元件的温度误差补偿电路采用热敏元件的温度误差补偿电路(a)、 (b)、(c)为电压源激励；为电压源激励；(d)为电流源激励为电

14、流源激励9.1 霍尔传感器霍尔传感器 9.1.3.2 零位误差及其补偿零位误差及其补偿 霍尔元件的零位误差主要有不等位电势霍尔元件的零位误差主要有不等位电势Uo和寄生直流电势和寄生直流电势UoD等。不等。不等位电势等位电势Uo 如图如图9-4(a)所示。霍尔元件可等效为一个四臂电桥，如图所示。霍尔元件可等效为一个四臂电桥，如图9-4(b)所示。除了工艺上采取措施降低所示。除了工艺上采取措施降低Uo外，还需采用补偿电路加以补外，还需采用补偿电路加以补偿。如图偿。如图9-4(c)所示。所示。 改变工作电流方向，取其霍尔电势平均值，或采用交流供电亦可以。改变工作电流方向，取其霍尔电势平均值，或采用交

15、流供电亦可以。 图图9-4 不等位电势补偿电路不等位电势补偿电路(a)不等位电路；不等位电路；(b)等效电路；等效电路；(c)补偿电路补偿电路9.1 霍尔传感器霍尔传感器 9.1.4 霍尔元件的应用电路霍尔元件的应用电路 1.基本应用电路基本应用电路 图图9-5所示为霍尔元件的基本应用电路。由于霍尔元件所示为霍尔元件的基本应用电路。由于霍尔元件必须在磁场必须在磁场B与控制电流与控制电流Ic作用下才会产生霍尔电势作用下才会产生霍尔电势 UH，所以在实际应用中，可以把所以在实际应用中，可以把Ic和和B的乘积、或者的乘积、或者Ic、或者、或者B作作为输入信号，则霍尔元件的输出为输入信号，则霍尔元件的

16、输出电势分别正比于电势分别正比于IcB或或Ic或或B。 通过霍尔元件的电流通过霍尔元件的电流Ic为为则则HBAcRRREIcHcBAIRIERR9-5霍尔元件基本应用电路霍尔元件基本应用电路 9.1 霍尔传感器霍尔传感器 图图9-6为霍尔元件的几种偏置电路：为霍尔元件的几种偏置电路： (a)是无外接偏置电阻的电路。适用于是无外接偏置电阻的电路。适用于RH较大的霍尔元件较大的霍尔元件 (b)是在电源正端与霍尔片之间串接偏置电阻是在电源正端与霍尔片之间串接偏置电阻R的电路。适的电路。适用用RH较小的霍尔元件；较小的霍尔元件； (c)是在电源负端与霍尔片之间串接电阻是在电源负端与霍尔片之间串接电阻R

17、的电路。适用于的电路。适用于RH较小元件。较小元件。 图图9-6 霍尔元件偏置电路霍尔元件偏置电路9.1 霍尔传感器霍尔传感器 2霍尔元件的驱动方式霍尔元件的驱动方式 霍尔元件的控制电流可以采用恒流驱动或恒压驱动，如霍尔元件的控制电流可以采用恒流驱动或恒压驱动，如图图9-7所示。所示。图图9-7 霍尔元件的驱动方式霍尔元件的驱动方式(a)恒流驱动；恒流驱动；(b)恒压驱动恒压驱动9.1 霍尔传感器霍尔传感器 3霍尔元件的连接方式霍尔元件的连接方式 为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片霍尔元件叠加的连接为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片霍尔元件叠加的连接方式。如图方式。如图9-8(a)

18、所示，直流供电，输出电势所示，直流供电，输出电势UH为单片的两倍。图为单片的两倍。图9-8(b)为交流供电情况，控制电流端串联，各元件输出端接输出变压器为交流供电情况，控制电流端串联，各元件输出端接输出变压器B的初级绕阻，变压器的次级便有霍尔电势信号叠加值输出。的初级绕阻，变压器的次级便有霍尔电势信号叠加值输出。图图9-8 霍尔元件叠加连接方式霍尔元件叠加连接方式(a)直流供电；直流供电；(b)交流供电交流供电9.1 霍尔传感器霍尔传感器 图图9-9 GaAs霍尔元件的输出电路霍尔元件的输出电路(a)线性应用；线性应用；(b)开关应用开关应用 4霍尔电势的输出电路霍尔电势的输出电路 霍尔元件是

19、一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势霍尔元件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏数量级，在实际使用时，必须加差分放大器。一般在毫伏数量级，在实际使用时，必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式，因霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式，因此，输出电路有两种结构，如图此，输出电路有两种结构，如图9-9所示。所示。9.1 霍尔传感器霍尔传感器 如果霍尔电压信号仅为交流输出时，可采用图如果霍尔电压信号仅为交流输出时，可采用图9-10所示所示差动放大电路，用电容隔掉直流信号即可。差动放大电路，用电容隔掉直流信号即可。图图9-10 交流霍尔电压放大电路交流

20、霍尔电压放大电路9.1.5 集成霍尔器件集成霍尔器件 将霍尔元件及其放大电路、温度补偿电路和稳压电源等集将霍尔元件及其放大电路、温度补偿电路和稳压电源等集成在一个芯片上构成独立器件成在一个芯片上构成独立器件集成霍尔器件集成霍尔器件，不仅尺寸紧，不仅尺寸紧凑便于使用，而且有利于减小误差，改善稳定性。凑便于使用，而且有利于减小误差，改善稳定性。 根据功能的不同，集成霍尔器件分为根据功能的不同，集成霍尔器件分为霍尔线性集成器件霍尔线性集成器件和和霍尔开关集成器件霍尔开关集成器件两类。两类。9.1 霍尔传感器霍尔传感器9.1.5 集成霍尔器件集成霍尔器件 9.1 霍尔传感器霍尔传感器图图9-02 线性

21、集成霍尔器件输出特性线性集成霍尔器件输出特性 (a) (b) 图图9-01 线性集成霍尔器件线性集成霍尔器件(a)外形尺寸；外形尺寸； (b)内部电路框图内部电路框图9.1.5 集成霍尔器件集成霍尔器件 9.1 霍尔传感器霍尔传感器 (a) (b)图图9-03 开关型集成霍尔器件开关型集成霍尔器件(a)外形尺寸；外形尺寸； (b)内部电路框图内部电路框图图图9-04 开关型线性集成霍尔器件开关型线性集成霍尔器件的施密特输出特性的施密特输出特性9.1.5 集成霍尔器件集成霍尔器件 9.1 霍尔传感器霍尔传感器 (a) (b)图图9-05 差动输出线性集成霍尔器件差动输出线性集成霍尔器件(a)外形

22、；外形； (b)内部电路框图内部电路框图图图9-06 差动输出线性集成差动输出线性集成霍尔器件输出特性霍尔器件输出特性9.1 霍尔传感器霍尔传感器 1霍尔线性集成器件霍尔线性集成器件 霍尔线性集成器件的输出电压与外加磁场强度在一定范霍尔线性集成器件的输出电压与外加磁场强度在一定范围围内呈线性关系，它有单端输出和双端输出内呈线性关系，它有单端输出和双端输出(差动输出差动输出)两种电两种电路。其内部结构如图路。其内部结构如图9-11所示。所示。图图9-11 霍尔线性集成器件霍尔线性集成器件(a)单端输出单端输出(UGN3501T)；(b)差动输出差动输出(UGN3501M) 9.1 霍尔传感器霍尔

23、传感器 UGN3501T的的电源电压电源电压与相对灵敏度的特性如图与相对灵敏度的特性如图9-12所所示，由图可知示，由图可知Ucc高时，输出灵敏度高。高时，输出灵敏度高。UGN3501T的温度的温度与相对灵敏度的特性如图与相对灵敏度的特性如图9-13所示，随着所示，随着温度温度的升高，其灵的升高，其灵敏度下降。因此，若要提高测量精度，需在电路中增加温敏度下降。因此，若要提高测量精度，需在电路中增加温度度补偿环节。补偿环节。 图图9-12 Ucc与相对灵敏度关系与相对灵敏度关系 图图9-13 温度与相对灵敏度关系温度与相对灵敏度关系 9.1 霍尔传感器霍尔传感器 UGN3501T的的磁场强度磁场

24、强度与输出电压特性如图与输出电压特性如图9-14所示，由所示，由图可见，在图可见，在 0.15T磁场强度范围内，有较好的线性度，超出磁场强度范围内，有较好的线性度，超出此范围时呈饱和状态。此范围时呈饱和状态。 UGN3501的的空气间隙空气间隙与输出电压特与输出电压特性如图性如图9-15所示，由图可见，输出电压与空气间隙并不是线所示，由图可见，输出电压与空气间隙并不是线性关系。性关系。 图图9-14 磁场强度与输出电压关系磁场强度与输出电压关系 图图9-15 空气间隙与输出电压关系空气间隙与输出电压关系 9.1 霍尔传感器霍尔传感器 UGN3501M为为差动输出差动输出，输出与磁场强度成，输出

25、与磁场强度成线性线性。UGN3501M的的1、8两脚输出与磁场的方向有关，当磁场的两脚输出与磁场的方向有关，当磁场的方向相反时，其输出的极性也相反，如图方向相反时，其输出的极性也相反，如图9-16所示。所示。图图9-16 UGN3501M的输出与磁场方向关系的输出与磁场方向关系9.1 霍尔传感器霍尔传感器 UGN3501M的的5、6、7脚接一调整电位器时，可以补偿不脚接一调整电位器时，可以补偿不等位电势，并且可改善线性，但灵敏度有所下降。若允许等位电势，并且可改善线性，但灵敏度有所下降。若允许一一定的不等位电势输出，则可不接电位器。输出特性如图定的不等位电势输出，则可不接电位器。输出特性如图9

26、-17所示。所示。图图9-17 UGN3501M输出与磁场强度关系路输出与磁场强度关系路 9.1 霍尔传感器霍尔传感器 若以若以UGN3501M的中心为原点，磁钢与的中心为原点，磁钢与UGN3501M的顶的顶面之间距离为面之间距离为D，则其移动的距离与输出的差动电压如图，则其移动的距离与输出的差动电压如图9-18所示，由图可以看出，在空气间隙为零时，每移动所示，由图可以看出，在空气间隙为零时，每移动0.01英寸英寸(0.254mm)输出为输出为3mV，即相当即相当11.8mV/mm，当采用，当采用高能磁钢高能磁钢(如钐钴磁钢或钕铁如钐钴磁钢或钕铁硼磁钢硼磁钢)，每移动，每移动1mm时，能时，能

27、输出输出30mV，并且在一定距离，并且在一定距离内呈线性。内呈线性。 图图9-18 移动距离与输出关系移动距离与输出关系 9.1 霍尔传感器霍尔传感器 2霍尔开关集成器件霍尔开关集成器件 常用的霍尔开关集成器件有常用的霍尔开关集成器件有UGN3000系列，其外形与系列，其外形与UGN3501T相同。相同。+图图9-19 霍尔开关集成器件霍尔开关集成器件(a) 内部结构框图；（内部结构框图；（b）工作特性；（）工作特性；（c）工作电路；（）工作电路；（d）锁定型器件工作特性）锁定型器件工作特性9.1 霍尔传感器霍尔传感器9.1.6 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 1位移测量位移测量 图图9-2

28、0 霍尔位移测量霍尔位移测量（a）结构；（）结构；（b）输出特性）输出特性9.1 霍尔传感器霍尔传感器 2力力(压力压力)测量测量 如图如图9-21所示，当力所示，当力F作用在悬臂梁上时，梁将发生变作用在悬臂梁上时，梁将发生变形，霍尔器件将有与力成正比的电压输出，通过测试电压形，霍尔器件将有与力成正比的电压输出，通过测试电压即可测出力的大小。力与电压输出有一些非线性时，可采即可测出力的大小。力与电压输出有一些非线性时，可采用电路或单片机软件来补偿。用电路或单片机软件来补偿。图图9-21 霍尔力传感器霍尔力传感器9.1 霍尔传感器霍尔传感器 3角度测量角度测量 如图如图9-22(a)所示，将霍尔

29、器件置于永久磁铁的磁场中，所示，将霍尔器件置于永久磁铁的磁场中，其输出霍尔电势其输出霍尔电势UH为为 cosIBKUHH图图9-22 霍尔角度检测霍尔角度检测9.1 霍尔传感器霍尔传感器 4霍尔加速度传感器霍尔加速度传感器 霍尔加速度传感器的结构原理及输出特性如图霍尔加速度传感器的结构原理及输出特性如图9-23所示。所示。图图9-23 霍尔加速度传感器霍尔加速度传感器9.1 霍尔传感器霍尔传感器 5霍尔电流传感器霍尔电流传感器 霍尔传感器广泛用于测量电流，从而可以制成电流过载检霍尔传感器广泛用于测量电流，从而可以制成电流过载检测器或过载保护装置；在电机控制驱动中，作为电流反馈元测器或过载保护装

30、置；在电机控制驱动中，作为电流反馈元件，构成电流反馈回路；构成电流表。件，构成电流反馈回路；构成电流表。 UGN3501M霍尔电流传感器原理如图霍尔电流传感器原理如图9-24所示。所示。 图图9-24 霍尔电流传感器霍尔电流传感器9.1 霍尔传感器霍尔传感器 利用利用UNG3501M霍尔电流传感器与液晶数显电路组成霍尔电流传感器与液晶数显电路组成数数显电流表显电流表，如图，如图9-25所示。所示。050A电流显示电流显示0.0050.0。 图图9-25 数显霍尔电流表数显霍尔电流表9.1 霍尔传感器霍尔传感器 6霍尔功率传感器霍尔功率传感器 利用利用 UH =KHIB关系，如果关系，如果I和和

31、B是两个独立变量，霍尔是两个独立变量，霍尔器件就是一个简单实用的模拟乘法器；如果器件就是一个简单实用的模拟乘法器；如果I和和B分别与某分别与某一负载两端的电压和通过的电流有关，则霍尔器件便可用一负载两端的电压和通过的电流有关，则霍尔器件便可用于负载功率测量。图于负载功率测量。图9-26是霍尔功率传感器原理图。是霍尔功率传感器原理图。图图9-26 霍尔器件测电功率霍尔器件测电功率9.1 霍尔传感器霍尔传感器 负载负载ZL所取电流所取电流i流过铁芯线圈以产生交变磁感强度流过铁芯线圈以产生交变磁感强度B，电源电压电源电压U经过降压电阻经过降压电阻R得到的交流电流得到的交流电流ic流过霍尔器流过霍尔器

32、件，则霍尔器件输出电压件，则霍尔器件输出电压UH便与电功率便与电功率p成正比，即成正比，即ttIKUtIKtUKKBiKummmBmiHcHHsinsinsinsin则霍尔电压则霍尔电压uH平均值为平均值为PKUIKIKUdttIKUTdtuTUPPmmmmBHcoscos212coscos2111 若将图若将图9-26中的电阻中的电阻R改用电容改用电容C代替，使代替，使ic移相移相90 ，则，则可测无功功率可测无功功率 Q，即，即QKIKUUPmmHsin219.1 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔元件还可以完成乘方和开方功能。霍尔元件还可以完成乘方和开方功能。 乘方运算乘方运算极为简单，只需将电

33、流端子和电磁铁的线圈串极为简单，只需将电流端子和电磁铁的线圈串联起来，使输入电流联起来，使输入电流Ii既形成磁感应强度既形成磁感应强度B，又给元件提供，又给元件提供控制电流控制电流Ii，结果必然得到，结果必然得到UHIi2的关系，见图的关系，见图9-27所示。所示。图图9-27 霍尔元件平方器霍尔元件平方器 9.1 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔元件霍尔元件开方器开方器是利用平方负反馈原理实现的。在图是利用平方负反馈原理实现的。在图9-28(a)中，设放大器的放大倍数足够大，则可认为放大器的中，设放大器的放大倍数足够大，则可认为放大器的输入信号输入信号 0，于是整个电路的输入电压，于是整个电路的输

34、入电压Ui和负反馈电压和负反馈电压UH几乎相等，即几乎相等，即Ui UH 。若负反馈方框是用和图。若负反馈方框是用和图9-27一样一样的霍尔平方器构成的，即如图的霍尔平方器构成的，即如图9-28(b)所示，则输出电流所示，则输出电流Io必必然正比于然正比于Ui的平方根，即的平方根，即故得故得20KIUUHiiiUKKUI0图图9-28 霍尔元件开方器霍尔元件开方器 9.1 霍尔传感器霍尔传感器 7.霍尔高斯计霍尔高斯计 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 9-29所

35、示。电所示。电源电压为源电压为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脚接一可调灵敏度的脚接一可调灵敏度的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。若在的电压表。若在5、 6两脚上各接一只两脚上各接一只47 电阻后，再接电阻后，再接20 电位器，其线性范围可达电位器，其线性范围可达0.3T。图图929 简易高斯计简易高斯计 9.1 霍尔传感器霍尔传感器 8.霍尔计数装置霍尔计数装置 UGN3501T具有较高的灵敏度，能感受到很小的磁场变具有较高的灵敏度，能感受到很小的磁场变化，因而可以检测铁磁物质的有无。利用这一特性可

36、以制成化，因而可以检测铁磁物质的有无。利用这一特性可以制成计数装置，其应用电路及计数装置如图计数装置，其应用电路及计数装置如图9-30所示。所示。图图9-30 钢球计数装置及电路图钢球计数装置及电路图 从图中还可以看出，霍尔器件也是一种接近开关。从图中还可以看出，霍尔器件也是一种接近开关。 9.1 霍尔传感器霍尔传感器 9.霍尔转速传感器霍尔转速传感器 图图9-31为霍尔转速测量装置电路图。当磁钢与霍尔器件重合时，霍尔为霍尔转速测量装置电路图。当磁钢与霍尔器件重合时，霍尔传感器输出低电平，信号经非门整形后，形成脉冲，然后经传感器输出低电平，信号经非门整形后，形成脉冲，然后经ADVFC32把频率

37、转换成模拟电压输出，再送人把频率转换成模拟电压输出，再送人ICL7106进行转换和驱动进行转换和驱动LCD。为。为了提高转速测量的分辨率，可增加薄片圆周上磁钢的个数。了提高转速测量的分辨率，可增加薄片圆周上磁钢的个数。图图931 霍尔转速测量装置霍尔转速测量装置 9.1 霍尔传感器霍尔传感器 10.霍尔开关电子点火器霍尔开关电子点火器 图图9-32为霍尔开关电子点火器分电盘及电路原理图。在分为霍尔开关电子点火器分电盘及电路原理图。在分电盘上装几个磁钢电盘上装几个磁钢(磁钢数与汽缸数相对应磁钢数与汽缸数相对应)，在盘上装一霍，在盘上装一霍尔开关器件，每当磁钢转到霍尔器件时，输出一个脉冲，尔开关器

38、件，每当磁钢转到霍尔器件时，输出一个脉冲，经经放大升压后送人点火线圈。放大升压后送人点火线圈。图图9-32 霍尔开关电子点火器霍尔开关电子点火器9.1 霍尔传感器霍尔传感器 11霍尔电机霍尔电机 霍尔无刷直流电机工作原理如图霍尔无刷直流电机工作原理如图9-33所示。电机的转子是由磁钢制成所示。电机的转子是由磁钢制成(一对磁极一对磁极)，定子由四个极靴绕上线圈，定子由四个极靴绕上线圈W1、W2、W3、W4组成，各个线组成，各个线圈都通过相应的三极管圈都通过相应的三极管VT1VT4供电。四个开关型霍尔器件供电。四个开关型霍尔器件H1H4配配置在四个极靴电极上。可实现电机的双极性、四状态电子换向电路

39、。置在四个极靴电极上。可实现电机的双极性、四状态电子换向电路。图图933 霍尔直流无刷霍尔直流无刷电机工作原理图电机工作原理图9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻9.2.1 磁阻效应磁阻效应 某些材料某些材料(如霍尔元件如霍尔元件)的电阻值受磁场的影响而改变的的电阻值受磁场的影响而改变的现象称为现象称为磁阻效应磁阻效应，利用磁阻效应制成的元件称为，利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电磁敏电阻阻。 在外加磁场作用下，某些载流子受到的洛伦兹力比霍尔在外加磁场作用下，某些载流子受到的洛伦兹力比霍尔电场作用力大时，它的运动轨迹就偏向洛伦兹力的方向；电场作用力大时，它的运动轨迹就偏向洛伦兹力的方向；这些载流子从

40、一个电极流到另一个电极所通过的路径就要这些载流子从一个电极流到另一个电极所通过的路径就要比无磁场时的路径长些，因此增加了电阻值。电阻的增值比无磁场时的路径长些，因此增加了电阻值。电阻的增值可以用载流子在磁场作用下的可以用载流子在磁场作用下的平均偏移角平均偏移角 霍尔角霍尔角来衡来衡量，平均偏移角量，平均偏移角 与磁场与磁场B及载流子迁移率及载流子迁移率 之间有如下关系之间有如下关系tan = B (9-21)9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻 磁阻效应磁阻效应(物理物理)方程方程为为 B= 0(1+0.273 2B2) (9-22)式中，式中， B一存在磁感应强度为一存在磁感应强度为B时的电阻率

41、；时的电阻率； 0一无磁场时一无磁场时的电阻率；的电阻率； 一电子迁移率；一电子迁移率；B一磁感应强度。电阻率的变化一磁感应强度。电阻率的变化为为= B0 ，则电阻率的相对变化为，则电阻率的相对变化为/ 0=0.273 2B2=K 2B2 (9-23) 物理磁阻效应物理磁阻效应 磁阻效应磁阻效应 几何磁阻效应几何磁阻效应 半导体磁敏电阻半导体磁敏电阻 磁敏电阻磁敏电阻 强磁性金属薄膜磁敏电阻强磁性金属薄膜磁敏电阻9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻9.2.2 半导体磁敏电阻半导体磁敏电阻 利用半导体材料的磁阻效应制成的磁敏电阻可以有如图利用半导体材料的磁阻效应制成的磁敏电阻可以有如图9-34所示的

42、几种形式，这些形状不同的半导体薄片都处在垂直所示的几种形式，这些形状不同的半导体薄片都处在垂直于纸面向外的磁场中，电子运动的轨迹都将向左前方偏移，于纸面向外的磁场中，电子运动的轨迹都将向左前方偏移，因此出现图中箭头所示的路径因此出现图中箭头所示的路径(箭头代表电子运动方向箭头代表电子运动方向)。图图9-34 半导体磁敏电阻元件内电流分布半导体磁敏电阻元件内电流分布(a)纵长形器件纵长形器件;(b)横长形器件横长形器件;(c)科比诺圆盘科比诺圆盘;(d)栅格式器件栅格式器件9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻 半导体磁敏电阻效应与器件几何形状半导体磁敏电阻效应与器件几何形状(lw)之间关系为之间关系

43、为/ 0K( B)2 1 f(lw ) (9-24)式中，式中，l，W，一分别为器件的长和宽；，一分别为器件的长和宽；f (lw)一一形状效应系数形状效应系数。 对于以上讨论的四种形状的磁敏电阻，其形状效应特性可表示为图对于以上讨论的四种形状的磁敏电阻，其形状效应特性可表示为图9-35(a)所示曲线；磁敏电阻的特性所示曲线；磁敏电阻的特性(灵敏度灵敏度)如图如图9-35(b)；应用电路多接成；应用电路多接成分压形式，如图分压形式，如图9-35(c)。图图9-35 半导体磁敏电阻特性及应用电路半导体磁敏电阻特性及应用电路 9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻 半导体磁敏电阻的半导体磁敏电阻的材料材料

44、与霍尔元件的要求相似，通常也与霍尔元件的要求相似，通常也是是InSb和和InAs等等(当当 B 1时，时，RBR0B进入线性区，若取进入线性区，若取B=0.3T，要满足，要满足 B1，则，则 3.3 104cm2Vs，由此选择材，由此选择材料料)，片的，片的厚度厚度也是尽可能小。实用的半导体磁敏电阻制成也是尽可能小。实用的半导体磁敏电阻制成栅格式栅格式，它由基片、电阻条和引线三个主要部分组成。基，它由基片、电阻条和引线三个主要部分组成。基片又称衬底，一般用片又称衬底，一般用 0.10.5mm厚的高频陶瓷片或玻璃厚的高频陶瓷片或玻璃片，也可以是硅片经氧化处理后作基片；基片上面利用薄片，也可以是硅

45、片经氧化处理后作基片；基片上面利用薄膜技术制作一层半导体电阻层，其典型厚度为膜技术制作一层半导体电阻层，其典型厚度为20 m；然后；然后用光刻的方法刻出若干条与电阻方向垂直排列的金属条用光刻的方法刻出若干条与电阻方向垂直排列的金属条(短短路条路条)，把电阻层分割成等宽的电阻栅格，其横长比，把电阻层分割成等宽的电阻栅格，其横长比w/l40；磁敏电阻就是由这些条形磁敏电阻串联而成的，初；磁敏电阻就是由这些条形磁敏电阻串联而成的，初始电阻约为始电阻约为100 ，栅格金属条在，栅格金属条在100根以上。通常用非铁磁根以上。通常用非铁磁质如质如50100 m的硅铝丝或的硅铝丝或1020 m的金线作磁敏电

46、阻的金线作磁敏电阻内引线，而用薄紫铜片作外引线。内引线，而用薄紫铜片作外引线。 9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻 除了以上栅格式之外，还有一种由除了以上栅格式之外，还有一种由InSb和和NiSb构成的共构成的共晶式半导体晶式半导体(在拉制在拉制 InSb单晶时，加入单晶时，加入1的的Ni，可得，可得InSb和和NiSb的共晶材料的共晶材料)磁敏电阻。这种共晶里，磁敏电阻。这种共晶里，NiSb呈具有一呈具有一定排列方向的针状晶体，它的导电性好，针的直径在定排列方向的针状晶体，它的导电性好，针的直径在1 m左左右，长约右，长约100 m，许多这样的针横向排列，代替了金属条起，许多这样的针横向排列，

47、代替了金属条起短路霍尔电压的作用，见图短路霍尔电压的作用，见图9-36。由于。由于InSb的温度特性不的温度特性不佳，往往在材料中加人一些佳，往往在材料中加人一些N型碲或硒，形成掺杂的共晶，型碲或硒，形成掺杂的共晶，但灵敏度要损失一些。但灵敏度要损失一些。 图图9-36 共晶式半导体磁敏电阻共晶式半导体磁敏电阻9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻9.2.3 强磁性金属薄膜磁敏电阻强磁性金属薄膜磁敏电阻 具有高磁导率的金属称为具有高磁导率的金属称为强磁性金属强磁性金属。强磁性金属处于磁。强磁性金属处于磁场中时，主要产生两种效应：场中时，主要产生两种效应：强制磁阻效应强制磁阻效应和和定向磁阻效定向磁阻

48、效应应。磁场强度。磁场强度H大于某一磁场大于某一磁场H1的强磁场时，产生强制磁场的强磁场时，产生强制磁场效应，电阻率随效应，电阻率随H增加而下降，负的磁阻效应。当增加而下降，负的磁阻效应。当HH 之后，磁滞回线重合，这时之后，磁滞回线重合，这时输出电压变化量输出电压变化量 U才和才和H、 有确定关系。上述有确定关系。上述H 称为称为“可逆磁场强可逆磁场强度度”。在。在H HHs之后才之后才成成为水平直线，此时为水平直线，此时 U与与H无关而仅仅取决于无关而仅仅取决于 ，此处，此处Hs称为称为“饱和磁饱和磁场场强度强度”。但。但H不能大于某一值不能大于某一值H1。9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻

49、 根据上述特点，若采用较强的磁场使得根据上述特点，若采用较强的磁场使得HsHHl，并且令，并且令磁场的方向平行于图磁场的方向平行于图9-37的纸面旋转，则分压输出的纸面旋转，则分压输出UO将只取将只取决于磁场的转角决于磁场的转角 ，运用这一原理就能构成，运用这一原理就能构成无滑点的电位器无滑点的电位器。若磁场连续不断地旋转，则若磁场连续不断地旋转，则UO将呈将呈正弦曲线正弦曲线变化，于是便可变化，于是便可构成构成正弦信号发生器正弦信号发生器或或转速传感器转速传感器。图图9-38 金属磁敏电阻特性金属磁敏电阻特性9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻9.2.4 磁敏电阻传感器的应用磁敏电阻传感器的应用

50、 9.2.4.1 磁敏电阻器件磁敏电阻器件 磁敏电阻器件一般在衬底上作两个相互串联的磁敏电阻，磁敏电阻器件一般在衬底上作两个相互串联的磁敏电阻，或四个磁敏电阻接成电桥形式，以便用于不同场合，其线路或四个磁敏电阻接成电桥形式，以便用于不同场合，其线路形式如图形式如图9-39所示。所示。图图9-39 磁敏电阻线路结构磁敏电阻线路结构 磁敏电阻的阻值为磁敏电阻的阻值为100 到几到几k ，工作电压一般在，工作电压一般在12V以下，以下，频率特性好频率特性好 (可达可达MHz)，动态范围宽，噪声低，动态范围宽，噪声低(信噪比高信噪比高)。 9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻n1.MR214A/223A

51、磁敏电阻的电阻值为磁敏电阻的电阻值为100 到几到几k ，工作电压一般在，工作电压一般在12V以下，频率以下，频率特性好特性好 (可达可达MHz)，动态范围宽，噪声低，动态范围宽，噪声低(信噪比高信噪比高)。 图图9-40 MR214A/223A外形及等效电路外形及等效电路9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻n2DMI106B(索尼索尼) DMI106B是在硅基板上附着强磁性体，其外形及等效电路如图是在硅基板上附着强磁性体，其外形及等效电路如图9-41所所示。示。图图941 DM106B的外形及等效电路的外形及等效电路 9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻 DMI106B在在8000A/m磁场强度下工

52、作，应用于旋转磁磁场强度下工作，应用于旋转磁场。当场。当Ucc=5V时，输出可达时，输出可达 80mV，功耗，功耗11W，其温度特性，其温度特性如图如图9-42所示。特性参数见教材表所示。特性参数见教材表9-8。图图942 DM106B的温度特性的温度特性9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻n3FPC/FPA系列系列 FPC/FPA(田村田村)系列内部有放大器、整形电路系列内部有放大器、整形电路(FPA并有发光二极管作并有发光二极管作工作状态指示工作状态指示)，其特点是信噪比高，具有良好的频率特性，可用于位，其特点是信噪比高，具有良好的频率特性，可用于位置、旋转速度的检出，也可作接近开关。其输出电

53、压与间隙特性如图置、旋转速度的检出，也可作接近开关。其输出电压与间隙特性如图9-43所示。它们的特性参数见教材表所示。它们的特性参数见教材表9-9。图图943 FPC/FPA系列系列输出电压与间隙特性输出电压与间隙特性9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻n4M413A/414A M413A/414A是由四个磁阻元件组成的器件，有两相输出，可测出旋是由四个磁阻元件组成的器件，有两相输出，可测出旋转方向、角度等参数，其元件配置、外形及等效电路如图转方向、角度等参数，其元件配置、外形及等效电路如图9-44所示。所示。图图944 M413A/414A元件配置、外形及等效电路元件配置、外形及等效电路9.2

54、9.2 磁敏电阻磁敏电阻nM413A/414A接线与输出波形如图接线与输出波形如图9-45所示。所示。图图945 M413A/414A接线及输出波形图接线及输出波形图9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻n5BS系列系列 BS系列系列(图形识别传感器图形识别传感器)磁阻元件除用来检测磁性体的位置及旋转磁阻元件除用来检测磁性体的位置及旋转外，主要用于纸币识别及磁性墨水印刷物识别等。在元件表面采用特殊外，主要用于纸币识别及磁性墨水印刷物识别等。在元件表面采用特殊金属层，具有良好的耐磨性。识别纸币的波形如图金属层，具有良好的耐磨性。识别纸币的波形如图9-46(a)所示，如经过所示，如经过有磁性油墨印刷的有

55、磁性油墨印刷的“1000”字样时，输出信号很大，若是伪币则无此信字样时，输出信号很大，若是伪币则无此信号。这种传感器同样可检测用磁性墨水印刷的标签和磁尺上的信号。它号。这种传感器同样可检测用磁性墨水印刷的标签和磁尺上的信号。它的外形如图的外形如图9-46(b)，特性参数见教材表，特性参数见教材表9-10。图图946 BS外形及纸币外形及纸币真伪识别输出波形真伪识别输出波形9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻9.2.4.2 应用买例应用买例 1.非接触式磁阻角度传感器非接触式磁阻角度传感器 非接触式角度传感器的外形及工作原理如图非接触式角度传感器的外形及工作原理如图 9-47所示。它是由两个所示。它

56、是由两个半环形的磁阻元件组成，半圆形磁铁与磁阻元件之间的间隙为半环形的磁阻元件组成，半圆形磁铁与磁阻元件之间的间隙为0.2mm左右，当磁铁转动时，磁铁则以差动方式将磁场加于两个磁阻元件左右，当磁铁转动时，磁铁则以差动方式将磁场加于两个磁阻元件上，可获得上，可获得50 (机械角度机械角度)的线性范围。其输出电压与转角间特性如的线性范围。其输出电压与转角间特性如图图9-48所示。所示。 图图9-47 角度传感器的外形及工作原理图图角度传感器的外形及工作原理图图 9-48 角度传感器输出特性角度传感器输出特性9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻 这种非接触式这种非接触式磁阻角度传感器磁阻角度传感器由于没

57、有机械摩擦，所以由于没有机械摩擦，所以工作寿命长；装置上安装了滚珠轴承，转动损耗也较小。工作寿命长；装置上安装了滚珠轴承，转动损耗也较小。这种传感器的输出电压为这种传感器的输出电压为 由图由图9-48可以看出，其输出电压较大，在可以看出，其输出电压较大，在100 范围内，输范围内，输出线性电压大于出线性电压大于2V。inoutUMRMRMRU2129.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻 2磁阻式旋转传感器磁阻式旋转传感器 磁阻旋转传感器可以检测磁性齿轴、齿轮的转数或转速，若采用四磁磁阻旋转传感器可以检测磁性齿轴、齿轮的转数或转速，若采用四磁阻元件传感器，还能检测旋转的方向。阻元件传感器，还能检测旋转

58、的方向。 采用双元件磁阻旋转传感器的工作原理如图采用双元件磁阻旋转传感器的工作原理如图9-49所示。当齿轮的齿顶所示。当齿轮的齿顶对准对准MRl，而齿根对准，而齿根对准MR2时，时， MRl的电阻增加，而的电阻增加，而MR2的电阻不变，的电阻不变，则则Uout Uin/2；另外，当齿轮的齿顶对准；另外，当齿轮的齿顶对准MR2 ，而齿根对准，而齿根对准MRl时，则时，则Uout Uin/2；当齿顶；当齿顶(或齿根或齿根)在在MRl和和MR2之间时，之间时， Uout Uin/2，其输出，其输出电压波形见图电压波形见图9-49。图图9-49 旋转传感器的工作原理旋转传感器的工作原理 9.2 9.2

59、 磁敏电阻磁敏电阻 采用采用四元件磁阻传感器四元件磁阻传感器时，传感器内磁阻元件与齿轮齿间间隔之间时，传感器内磁阻元件与齿轮齿间间隔之间应满足一定关系，如图应满足一定关系，如图9-50所示。所示。 PA(1 2)=PB(1 2)=T/2；PAB=T/4式中，式中，PA (1 2) A相元件相元件MRAl和和MRA2的间隔；的间隔；PB (1 2) B相元件相元件MRBl和和MRB2的间隔；的间隔；PABA相元件相元件MRAl和和B相元件相元件MRBl的间隔；的间隔；T齿轮的齿距。齿轮的齿距。 图图9-50 内磁阻元件旋转传感器内磁阻元件旋转传感器 (a)电路图；电路图；(b)图形图图形图 由于

60、由于A相与相与B相输出波形相位差相输出波形相位差90 ，所以很容易检测，所以很容易检测旋转方向旋转方向和和转转速速，转速的检测范围很宽，很适用于检测电动机的转速。，转速的检测范围很宽，很适用于检测电动机的转速。9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻 3磁阻式图形识别传感器磁阻式图形识别传感器 图形识别传感器能检测纸片、纸币等上面的磁性图形或记图形识别传感器能检测纸片、纸币等上面的磁性图形或记号，输出相对应于图形的信号波形。由于磁性图形印刷在纸号，输出相对应于图形的信号波形。由于磁性图形印刷在纸片上，所以检测信号十分微弱片上，所以检测信号十分微弱(比旋转传感器小三个数量比旋转传感器小三个数量级级)，需