磁电式传感器75970

会计学1磁电式传感器75970第五章磁电式传感器第七章磁传感器

磁是人们所熟悉的一种物理现象，因此磁传感器具有古老的历史。最简单的把磁转换成电的磁传感器就是线圈，根据定律，在切割磁通的电路里，产生与磁通变化速率成正比的感应电动势。第五章磁电式传感器电磁感应效应霍尔效应电磁转换原理磁电感应式霍尔式磁栅式第1页/共50页§5-1磁电感应式传感器第五章磁电式传感器工作原理：N匝线圈在磁场中切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中产生的感应电动势e取决于穿过线圈磁通Φ的变化率。一、恒定磁通式二、变磁通式第2页/共50页第五章磁电式传感器一、恒定磁通式第3页/共50页第五章磁电式传感器二、变磁通式第4页/共50页§5-2霍尔传感器

霍尔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、压力等转换成电动势输出的一种传感器。一、霍尔效应

霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的物理效应。置于磁场中的静止载流体中，若电流方向与磁场方向不相同，则在载流体的垂直于电流与磁场方向所组成的两个侧面将产生电动势。这一现象为美国物理学家爱德文·霍尔于1879年发现，称为霍尔效应，相应的电动势称为霍尔电势。第五章磁电式传感器第5页/共50页bdVHIlBvF′F－＋＋－称为霍尔系数，它是由基片材料的物理性质决定常数；灵敏度系数，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势大小。当磁场感应强度B和霍尔片平面法线成角度θ时,霍尔电势为：第五章磁电式传感器设为N型半导体，载流子为电子。第6页/共50页

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、压力等转换成电动势输出的一种传感器。

优点：结构简单，体积小，坚固，频率响应宽，动态范围大,无触点,使用寿命长,可靠性高,易微型化和集成电路化。

不足：温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿。第五章磁电式传感器第7页/共50页霍尔元件砷化钠霍尔器件

温度系数小，灵敏度高，线性度好，温漂小，稳定性高，体积小

第五章磁电式传感器第8页/共50页二、霍尔片主要技术指标1、额定激励电流IH

使霍尔片温升10℃所施加的控制电流值。（限制额定激励电流的主要因素是散热条件）2、输入电阻Ri

控制电极间的电阻值，规定在室温（20±5℃）的环境温度中测取。

指霍尔电极间的电阻值，规定在（20±5℃）条件下测取。3、输出电阻RO第五章磁电式传感器第9页/共50页4、不等位电势V0及零位电阻r0

当控制磁感应强度为零，控制电流为额定值IH时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势（或零位电势）。第五章磁电式传感器不等位电势也可用不等位电阻表示：—零位电阻第10页/共50页产生不等位电势的原因主要是：①霍尔电极安装位置不正确（不对称或不在同一等电位面上）；②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；③控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。

（均是制造工艺造成的）第五章磁电式传感器第11页/共50页三、霍尔片的电路1、不等位电势的补偿

由于不等位电势与不等位电阻是一致的，因此可以用分析其电阻的方法来进行补偿。第五章磁电式传感器第12页/共50页ABCDIR1R2R3R4

补偿原理：将R1、R2、R3、R4其视为电桥的四个臂，即电桥不平衡，为使其平衡可在阻值较大的臂上并联电阻，或在两个臂上同时并联电阻。

图中A、B为控制电极，C、D为霍尔电极，在极间分布的电阻用R1、R2、R3、R4表示，理想情况是R1＝R2＝R3＝R4，即零位电势为零（或零位电阻为零）。但实际上存在着零位电势，则说明此四个电阻不等。第五章磁电式传感器第13页/共50页几种常用补偿方法:WCDAR2R3R4R1BWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）第五章磁电式传感器WCABDWABCDWABCD

第14页/共50页2、温度补偿

霍尔片是采用半导体材料制造的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。如半导体材料的电阻率，迁移率和载流子浓度等都随温度而变化。霍尔片的性能参数如输入和输出电阻，霍尔系数等也随温度而变化，致使霍尔电势变化，产生温度误差，为了减小温度差：①除选用温度系数较小的材料（如砷化铟）；②采用适当的补偿电路。第五章磁电式传感器第15页/共50页（1）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变化，在稳压源供电时，会使控制电流发生变化，带来误差。

为了减小这种误差，最好采用恒流源，但霍尔片的灵敏度系数KH也是温度的函数，为进一步提高VH的温度稳定性，对于具有正温度系数的霍尔元件，可在其输入回路中并联电阻R。第五章磁电式传感器第16页/共50页（2）利用输出回路的负载进行补偿ULRiRoRLIUHIUHIIRL第五章磁电式传感器(a)基本电路(b)等效电路第17页/共50页（3）采用恒压源和输入回路串联电阻

当霍尔元件采用稳压电源供电，且霍尔输出开路状态工作时，可在输入回路串入适当电阻来补偿温度误差。第五章磁电式传感器第18页/共50页对于温度系数大的半导体材料常使用。若霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。或在输出回路进行补偿。负载RL上的霍尔电势随温度上升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠近，使它们温度变化一致。（4）利用热敏电阻进行补偿第五章磁电式传感器第19页/共50页调节电位器W1可以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，使电桥的输出电压相应变化，仔细调节，即可补偿霍尔电势的变化，使其输出电压与温度基本无关。（5）利用补偿电桥进行补偿第五章磁电式传感器w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt第20页/共50页四、霍尔开关集成传感器

霍尔开关集成传感器是利用霍尔效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。－＋×稳压整形VCC输出地123霍尔元件放大

由稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作，开始输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。第五章磁电式传感器第21页/共50页－＋×稳压整形VCC输出地123霍尔元件放大

当有磁场作用在传感器上时，霍尔元件输出霍尔电压VH，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路，当放大后的VH电压大于“开启”阈值时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使半导体管导通——“开状态”；当磁场减弱时，霍尔元件输出的VH很小，经放入器放大后其值也小于施密特整形电路的“关闭”阈值，施密特整形电路再次翻转，输出低电平，使半导体管截止，这种状态为——“关状态”。一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关动作。工作原理：霍尔开关传感器的用途：霍尔开关集成传感器基本用途有：汽车点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的检测与控制、位置及角度的检测，等等。第五章磁电式传感器第22页/共50页几种不同尺寸外形的霍尔开关第五章磁电式传感器第23页/共50页五、霍尔线性集成传感器

霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场呈线性比例关系。－＋×稳压VCC输出地123霍尔元件放大－＋×稳压VCC输出地341霍尔元件放大8单端输出传感器的电路结构双端输出的电路结构第五章磁电式传感器第24页/共50页

霍尔线性集成传感器一般由霍尔元件和放大器组成，当外加磁场时，霍尔元件产生与磁场成线性比例变化的霍尔电压，经放大器放大后输出。霍尔线性传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。第五章磁电式传感器第25页/共50页六、霍尔传感器的应用

霍尔元件可以测量磁物理量及电量、还可以通过转换测量其它非电量。由于霍尔元件的输出量是比例于两个输入量的乘积，因此可以方便而准确地实现乘法运算，可构成各种非线性运算部件。霍尔元件工作从直流到数百千赫兹的频率范围内。

霍尔元件在工程技术上的应用相当广泛，具体产品有高斯计、霍尔罗盘、大电流计、功率计、位移传感器、乘法器、调制器等。第五章磁电式传感器第26页/共50页1、转速测量NS霍尔元件ωα（转角）VH0π2πNS霍尔元件ωα（转角）VH0永磁体装在轴端的转速测量方法永磁体装在轴侧的转速测量方法第五章磁电式传感器第27页/共50页第五章磁电式传感器工作原理及用途：

被测体上贴一磁钢，非接触式测量，高可靠，适用于低转速，体积小、安装方便，对环境无要求，适合各种恶劣环境、污浊环境、功耗低，适宜长期工作。霍尔式转速计第28页/共50页2、利用霍尔线性集成传感器进行磁法覆盖层厚度测量

磁法覆盖厚度测量是指对铁磁性物质表面非磁性涂层的厚度测量。例如对钢铁表面的镀膜、油漆、塑料、搪瓷等覆盖层的厚度等便可使用磁法厚度测量的方法。第五章磁电式传感器第29页/共50页U型铁心永磁体铁磁基体磁回路SL3501M覆盖层

测量时将U形铁芯的两极放到被测物体表面上，这时永磁体产生的磁通便通过U形铁芯和被测物体构成磁回路。当被测物体表面覆盖层厚度不同时，磁回路的磁阻和磁通量将会发生变化，磁回路中的霍尔集成传感器将会检测出磁场强度的不同，从而使霍尔集成传感器产生的输出电压随覆盖层厚度的不同而变化，完成覆盖层非电量到电量的转换。

将U型硅钢片铁芯中间断开，然后将SL3501M霍尔线性集成传感器和一片钕铁硼永磁体夹在中间，用502胶粘牢。第五章磁电式传感器第30页/共50页

霍尔集成传感器内部虽然设有差分放大器，但其输出的电压仍然满足不了使用电路的要求，为此，将信号加一级放大，便可得到足够大的信号幅度。－5VIC1IC2＋5VUOUT第五章磁电式传感器第31页/共50页3、霍尔元件在电流测量上的应用

用霍尔元件测量电流，都是通过霍尔元件检测通电导线周围的磁场来实现的。第五章磁电式传感器

在现代工程技术中，往往要测量大直流电流，有时直流电流值高达10KA以上。过去，多采用电阻器分流的方法来测量这样大的电流。这种方法有许多缺点，如分流器结构复杂、笨重、耗电、耗铜等。利用霍尔效应原理测量大电流可以克服上述的一些缺点。霍尔效应大电流计结构简单、成本低、准确度高，在很大程度上与频率无关，便于远距离测量，测量时不需要断开回路。第32页/共50页

（1）导线旁测法这种方法是一种最简单的方法，将霍尔元件放在通电导线的附近，给霍尔元件通以恒定电流，用霍尔元件测量被测电流产生的磁场，就可以从元件输出的霍尔电压中确定被测电流值。这种方法虽然结构简单，但测量精度较差，受外界干扰也大，只适用一些不重要的场合。BICI通电电流VH第五章磁电式传感器第33页/共50页

当导线中有电流流通时，导线周围产生磁场，使导磁体铁芯磁化成暂时性磁铁，在环形气隙中就会形成一个磁场，导体中的电流越大，气隙处的磁感应强度就越大，霍尔元器件输出的霍尔电压VH就越大。可以通过霍尔电压检测到导线中的电流。这种方法可以提高电流测量的精度。导磁铁心霍尔元器件通电导线I（2）导线贯串磁芯法如果用铁磁材料做成磁导体的铁芯，使被测通电导线贯串它的中央，将霍尔元件或霍尔集成传感器放在磁导体的气隙中，这样，可以通过环形铁芯集中磁力线，如下图所示。第五章磁电式传感器测量原理第34页/共50页

在实际应用中，为了测量的方便，还可以把导磁铁芯做成钳式形状，或非闭合磁路的形状，如下图所示。I霍尔元器件通电导线导磁铁心霍尔元器件通电导线导磁铁心I钳式非闭合磁路式第五章磁电式传感器第35页/共50页

（3）磁芯绕线法

这种方法如下图所示。它由标准环形导磁铁芯和SL3501M霍尔线性集成传感器组合而成。SL3501M通电导线导磁铁心I第五章磁电式传感器第36页/共50页第五章磁电式传感器数字钳型表用途：

主要用于大电流测量，可用于机械加工车间，工厂，及各种耗电量较大的任何场合。第37页/共50页4、霍尔线性位移传感器霍尔线性位移传感器第五章磁电式传感器第38页/共50页第五章磁电式传感器若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。图中3种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微位移传感器。从曲线可见，结构（b）在Z<2mm时，VH与Z有良好的线性关系，且分辨力可达1μm，结构（C）的灵敏度高，但工作距离较小。

几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔位移传感器的静态特性霍尔线性位移传感器原理第39页/共50页霍尔传感器隔磁罩磁钢缺口霍尔传感器隔磁罩磁钢缺口当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔传感器形成闭合回路，电路导通，霍尔电路输出≤0.4V的低电平；当隔磁罩竖边的凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，电路截止，霍尔电路输出高电平。5、汽车霍尔电子点火器第五章磁电式传感器第40页/共50页上文回顾磁电式传感器磁电感应式传感器霍尔传感器原理：霍尔效应特点：应用不等位电势及其补偿方法恒流源+输入回路并联电阻恒压源+输入回路串联电路温度效应及其补偿方法负载补偿热敏电阻补偿电桥补偿第41页/共50页第五章磁电式传感器特点：磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易于安装，测量范围宽可超过十几米，抗干扰能力强。类型：磁栅可分为长磁栅和圆磁栅。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。组成：磁栅传感器主要由磁栅、磁头和信号处理电路组成。§5-3磁栅传感器简介第42页/共50页第五章磁电式传感器工作原理：类似于磁带录音原理，把周期性的电信号以录磁的方式记录在磁性介质上，通过磁头读出该信号，当磁头与磁性介质发生相对位移时，完成位移信号到电信号的转变。§5-3磁栅传感器简介

磁栅－相当于磁