传感器与检测技术第二版陈洁黄鸿第九章霍尔传感器

1、5.1磁电感应式传感器5.2霍尔式传感器5.3磁敏式传感器主要内容 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。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。 概述 特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低。通常在10100HZ适合作机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。磁电式传感器机械能电 量概述 霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。 随着半导体技术

2、的发展，磁敏元件得到应用和发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。磁敏传感器磁学量电信号概述5.2 霍尔式传感器磁敏传感器是对磁场参量(B,等)敏感的元器件或装置 ,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， 微型化和集成化方向发展。5.2 霍尔式传感器 5.2.1 霍尔效应 霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流I，在薄片垂直方向施加磁感强度B的磁场，

3、在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势 。 通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I与磁场B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。 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： 霍尔电场霍尔电场作用于电子的力5.2 霍尔式传感器 5.2.1 霍尔效应 当两作用力相等时电荷不再向两边积累，达到动态平衡：通过（半）导体薄片的电流I与载流子浓度n， 电子运动速度v，薄片横截面积 b*d 有关： 霍尔电势：5.2 霍尔式传感器 5.2.1 霍尔效应霍尔电势： 霍尔常数 与材料有关 霍尔灵敏度 与薄片尺寸

4、有关讨论：霍尔电势与哪些因素有关？5.2 霍尔式传感器 5.2.1 霍尔效应 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，RH很小，UH很小。 讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件 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N型半导体（多电子）。 由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度 KH 越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米。5.2 霍尔式传感器 5.2.1 霍尔效应5.2 霍尔式传感器 5.2.2 霍尔传感器基本结构 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； 电源E，控制电流I； 负载RL，R可调保

5、证控制电流， B磁场与元件面垂直（向里）。 实测中可把I*B作输入， 也可把I或B单独做输入。 通过霍尔电势输出测量结果。 输出Uo与I或B成正比关系。1） 额定激励电流和最大允许激励电流 当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为额定激励电流。 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。 2） 输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源, 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205时确定的。 5.2 霍尔式传感器 5.2.3 霍尔传感器基本特性（了解）3） 不等位电势和不等位电阻 当霍尔元

6、件的激励电流为I时, 若元件所处位置磁感应强度为零, 则它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不等位电势。 不等位电势也可用不等位电阻表示 4） 寄生直流电势 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等位电势外, 还有一直流电势, 称寄生直流电势。 5.2 霍尔式传感器 5.2.3 霍尔传感器基本特性 5） 霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下, 温度每变化1时, 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。 5.2 霍尔式传感器 5.2.3 霍尔传感器基本特性5.2 霍尔式传感器 5.2.3 不等位电势补偿不等电势 当霍尔元件通以激励电流I时，若磁场B=0，理论上霍尔电势UH=0,但实际UH不等于0，这时测得的空载电势称不等位电势U0。 产生的原因：霍尔引出电极安装不对称半导体材料不均匀5.2 霍尔式传感器 5.2.3 不等位电势补偿不等电势5.2 霍尔式传感器 5.2.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器位移测量原理 2. 霍尔式转速传感器 图 7 - 13 是几种不同结构的霍尔式转速传感器。 磁性转盘的输入轴与被测转轴相连, 当