第六章磁电式传感器

1第六章磁电式传感器1.概述2.磁电感应式传感器3.霍尔式传感器4.霍尔式传感器的应用5.磁敏传感器2磁电式转速传感器

磁电感应式传感器又称磁电式传感器，通过磁电作用将被测量（如振动、转速、扭矩）转换成电信号。磁电式传感器包括磁电感应式传感器和霍尔传感器。磁电式振动速度传感器磁电式位移传感器1.概述32.磁电感应式传感器

磁电感应式传感器简称感应式传感器，是利用通过回路面积的磁通量发生变化，从而回路中产生感应电动势而工作的，属于机-电能量变换型传感器。优点: 1.不需要供电电源，电路简单，

2.性能稳定，输出阻抗小

3.具有一定的工作带宽（10～1000Hz）缺点：尺寸、质量较大4一、磁电式传感器的工作原理二、磁电式传感器的类型三、磁电式传感器的应用2.磁电感应式传感器磁电式位移传感器5一些知识补充：1.磁通：给定面积内的总磁感应强度。当磁感应强度B均匀分布于磁体表面A时，磁通Φ的一般算式为Φ=B×A。磁通的SI单位是麦克斯韦。2.磁化强度：指材料内部单位体积的磁矩矢量和，用M表示，单位是安/米（A/m）。3.磁场强度：指空间某处磁场的大小，用H表示，它的单位是安/米（A/m）。4.磁感应强度：又称为磁通密度，即单位面积内的磁通量。单位是特斯拉（T）。B=μ0(H+M)，其中H和M分别是磁化强度和磁场强度，而μ0是真空导磁率。5.磁路：磁通流经的回路称为磁路。6.气隙：磁回路中磁导率为1的间隙部分，一般为空气间隙，但是也可为其它介质。2.磁电感应式传感器6

一、磁电式传感器的工作原理法拉第电磁感应定律：磁通量变化产生感应电动势。电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通变化率成正比。感应电动势大小：

2.磁电感应式传感器7

N为比例系数，E为感应电势，φ为磁通。当E的单位为伏特（V），φ的单位为韦伯（Wb），t的单位为秒（s）时，N＝1，这时感应电势为：

2.磁电感应式传感器8如果线圈是N匝，磁场强度是B，每匝线圈的平均长度L，线圈相对磁场运动的速度为:υ=dx/dt，则整个线圈中所产生的电动势为：2.磁电感应式传感器9感应电动势的种类：动生电动势和感生电动势。（1）动生电动势是因为导体自身在磁场中做切割磁感线运动而产生的感应电动势，其方向用右手定则判断。（2）感生电动势是因为穿过闭合线圈的磁场强度发生变化产生涡旋电场导致电流定向运动。2.磁电感应式传感器10

二、磁电式传感器的类型根据法拉第电磁感应定律，电路中感应电动势的大小:其影响因素主要是磁通量Ф的变化，变化方式：

1.恒定磁通：磁铁与线圈之间做相对运动；

2.变磁通：磁路中磁阻的变化；2.磁电感应式传感器11

（一）恒定磁通式如图，恒定磁通磁电感应式传感器由永久磁铁（磁钢）4、线圈3、金属骨架1和壳体5等组成。磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙是固定不变的，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。它们的运动部件可以是线圈也可以是磁铁，因此又分为动圈式和动铁式两种结构类型。2.磁电感应式传感器12演示：2.磁电感应式传感器13

磁铁4与线圈3相对运动使线圈3切割磁力线，产生与运动线速度v或角速度ω成正比的感应电动势e为:

式中：B——工作气隙磁感应强度；

N——线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数；

l——每匝线圈的平均长度；

S——每匝线圈的平均截面积。2.磁电感应式传感器14

由上式可知，在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、S均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或ω)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。2.磁电感应式传感器15（二）变磁通式变磁通式传感器又称为变磁阻磁电感应式传感器或变气隙磁电感应式传感器，常用来测量旋转物体的角速度。它们的结构原理如图。2.磁电感应式传感器16

图5-2（a）为开磁路变磁通式，线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮2（导磁材料制成）安装在被测旋转体1上，随之一起转动，每转过一个齿，它与软铁4之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈3中产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮2上齿轮齿数和转速的乘积。2.磁电感应式传感器17

感应电动势的变化频率：

f=nz/60

其中：n—每分钟齿轮的转速（r/min）

z—齿轮的齿数2.磁电感应式传感器

这种传感器结构简单，但需在被测对象上加装齿轮，使用不方便，且因高速轴上加装齿轮会带来不平衡而不宜测高转速。18

图5-2（b）为闭磁路变磁通式结构示意图，被测旋转体1带动椭圆形测量轮2在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性地变化，因而磁路阻也周期性地变化，磁通同样周期性地变化，则在线圈3中产生感应电动势，其频率f与测量轮2的转速n（r·min-1）成正比，即f=n/30。2.磁电感应式传感器19

在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮2，软铁（极掌）4制成内齿轮形式，这时输出信号频率为f=nz/60，其中z为测量齿轮的齿数。变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150℃～+90℃的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100kHz。2.磁电感应式传感器20

由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量，可直接测量振动物体的速度或旋转体的角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。2.磁电感应式传感器21

三、磁电式传感器的应用（一）磁电感应式振动速度传感器以CD-1型为例，它是一种绝对振动传感器，主要技术规格为：工作频率10~500Hz；灵敏度600mV·s/cm；最大可测速度5g；可测振幅范围0.1~100μm；精度≤10%；外形尺寸φ45mm×160mm；质量0.7kg。

2.磁电感应式传感器22

它属于动圈式恒定磁通型。其结构原理图如下所示，永久磁铁3通过铝架4和圆筒形导磁材料制成的壳体7固定在一起，形成磁路系统。工作线圈和圆环阻尼器用同心轴5连在一起组成质量块，用圆形弹簧片1和8支承在壳体上。2.磁电感应式传感器23

使用时，将传感器固定在被测振动体上随被测体振动，线圈在磁路系统的环形气隙中相对磁铁运动，以振动体的振动速度切割磁力线，产生感应电动势。同时良导体阻尼器也在磁路系统气隙中运动，感应产生涡流，形成系统的阻尼力，起衰减固有振动和扩展频率响应范围的作用。2.磁电感应式传感器24

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。2.磁电感应式传感器25

如CS-CD-1型磁电式速度传感器是专门用于安装在苏-27、苏-30飞机上的发动机进行振动测量或对飞行中的发动机进行动态监测的一种速度传感器。传感器固定在航空发动机的机匣上，当发动机处于工作状态时，磁电式速度传感器中的永久磁钢与线圈产生相对运动，线圈输出与相对运动速度成正比的电信号。参数：

测量速度范围：1～12cm/s；工作温度：-20℃～200℃2.磁电感应式传感器26（二）磁电式扭矩传感器下图是磁电式扭矩传感器的工作原理图。在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘，旁边装有两个磁电传感器。传感器的检测元件由永久磁铁、感应线圈和铁芯组成。永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，在线圈中感应出交流电压，其频率在数值上等于圆盘上齿数与转数的乘积。2.磁电感应式传感器27图磁电式扭矩传感器工作原理图2.磁电感应式传感器28图磁电式传感器结构图

当扭矩作用在扭转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1和u2存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。这样，传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。2.磁电感应式传感器29休息一下大学生竞选村官，村主任就让他整个既能普及英语又能宣传治安政策的节目。为了在金融危机下能有份工作，大学生绞尽脑汁，冥思苦想了一个晚上。第二天一大早，就听村头炮竹声声，锣鼓喧天，村主任跑来一看，就瞧见大学生边敲鼓边领村民RAP道：Don’tdon’tdon’tdon’t抢don’tdon’tdon’tdon’t抢don’t抢don’t抢don’tdon’t抢！~303.霍尔式传感器（一）霍尔传感器工作原理（二）霍尔元件的结构和基本电路（三）霍尔元件的主要特性参数（四）温度误差及其补偿31

霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展，由于霍尔效应的显著特性使霍尔传感器得到了广泛的应用。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。

霍尔元件是一种四端元件3.霍尔式传感器32

（一）霍尔传感器工作原理在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象称为霍尔效应。3.霍尔式传感器33

作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势UH可用下式表示：其中，RH为霍尔系数，KH为灵敏度系数，n为半导体中单位体积的电子数，e为电子电量，d为半导体厚度。3.霍尔式传感器34霍尔效应演示

当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势（用左手判断，电子是载流子）。cdab3.霍尔式传感器35

若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为

EH=KHIBcos

结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。3.霍尔式传感器36霍尔电势:=霍尔常数:其中：n为半导体中单位体积电子数，e为电子电量①霍尔常数大小取决于导体的载流子密度金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。②霍尔电势与导体厚度d成反比为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。③霍尔元件灵敏度（灵敏系数）半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。3.霍尔式传感器37

（二）霍尔元件的结构和基本电路图（a）中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1-1电极用于加控制电流，称控制电极。另一对2-2电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。图（b）是霍尔元件通用的图形符号。3.霍尔式传感器38图（c）所示，霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。图（d）是基本测量电路。3.霍尔式传感器39（三）霍尔元件的主要特性参数(1)输入电阻和输出电阻

输入电阻：控制电极间的电阻

输出电阻：霍尔电极之间的电阻(2)额定控制电流和最大允许控制电流

额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在空气中产生10℃温升时，对应的控制电流值。

最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对应的控制电流值。3.霍尔式传感器40

(3)不等位电势Uo和不等位电阻ro

不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。不等位电势是由霍尔电极2和2’之间的电阻决定的，r0称不等位电阻。3.霍尔式传感器41U0产生的原因是由于①制造工艺不可能保证将两个霍尔学电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两极点不能完全位于同一等位面上；②霍尔片电阻率不均匀；③霍尔片厚薄不均匀；④控制电流极接触不良，都将使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势。一般要求U0<1mV。除了工艺上采取措施降低U0外，还需采用补偿电路加以补偿。3.霍尔式传感器42霍尔元件的主要特性参数(4)霍尔电势温度系数在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1度时，霍尔电势变化的百分率。3.霍尔式传感器43（四）温度误差及其补偿

1.温度误差产生原因： 霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。 当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。2.减小霍尔元件的温度误差

①选用温度系数小的元件②采用恒温措施③采用恒流源供电3.霍尔式传感器444.霍尔式传感器的应用

霍尔电势是关于I、B、

三个变量的函数，即EH=KHIBcos

。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。451.霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔元件4.霍尔式传感器的应用磁铁462.直接使用霍尔传感器的电路测量磁场强度

霍尔元件测量铁心气隙的B值4.霍尔式传感器的应用47

3.霍尔转速表在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。SN线性霍尔磁铁4.霍尔式传感器的应用48

霍尔转速表原理当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。4.霍尔式传感器的应用49霍尔转速表的一些安装方法

只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。

霍尔元件磁铁4.霍尔式传感器的应用504.霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用

带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔

紧急制动通常会造成轮胎抱死，这时，滚动摩擦变成滑动摩擦，制动力大大下降。如果前轮抱死，车辆就失去了转向能力；如果后轮先抱死，车辆容易产生侧滑，使车行方向变得无法控制。ABS防抱制动系统由汽车微电脑控制，当车辆制动时，它能使车轮保持转动，从而帮助驾驶员控制车辆达到安全的停车。系统使用速度传感器检测车轮速度，然后把车轮速度信号传送到微电脑里，微电脑根据输入车轮速度，通过重复地减少或增加在轮子上的制动压力来控制车轮的打滑率，保持车轮转动，确保轮胎的最大制动力以及制动过程中的转向能力，使车辆在紧急制动时也具有躲避障碍的能力。4.霍尔式传感器的应用一位白人到黑人区发表竞选演说，为了赢得黑人选民的支持，演说中他竟脱口而出：“虽然我的皮肤是白的，但心却和你们一样黑。”

51休息一下525.霍尔式无触点汽车电子点火装置

采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。

汽车点火线圈高压输出接头12V低压电源输入接头4.霍尔式传感器的应用53汽车电子点火装置使用的----点火控制器、霍尔传感器及点火总成磁铁点火模块4.霍尔式传感器的应用546.霍尔式无刷电动机

霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。普通直流电动机使用的电刷和换向器4.霍尔式传感器的应用554.霍尔式传感器的应用56无刷电动机在电动自行车上的应用电动自行车可充电电池组无刷电动机4.霍尔式传感器的应用57

无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。4.霍尔式传感器的应用58光驱用的无刷电动机内部结构4.霍尔式传感器的应用597.霍尔式接近开关

当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。4.霍尔式传感器的应用60

用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。

在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。

4.霍尔式传感器的应用61霍尔式接近开关用于转速测量演示软铁分流翼片

开关型霍尔ICTn=60f4(r/min)4.霍尔式传感器的应用628.霍尔电流传感器

将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。4.霍尔式传感器的应用63霍尔钳形电流表

（交直流两用）压舌豁口4.霍尔式传感器的应用64霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的铁心张开将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中

将空调电源的“三芯护套线”夹到钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？4.霍尔式传感器的应用65霍尔钳形电流表的使用（续）

叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便

用钳形表测量电动机的相电流4.霍尔式传感器的应用9.霍尔计数装置当钢球滚过霍尔传感器位置时，传感器输出一个峰值为20mV的脉冲，此脉冲信号经μA741运放放大后驱动2N5812三极管，使之完成导通、截止过程。把计数器接于三极管2N5812输出端即可构成计数器。664.霍尔式传感器的应用67休息一下有两条蛇遇到了一起。

其中有一条蛇问:“大哥，我们有毒吗?"

另一条蛇问:"你说这干啥."

那条蛇说:"我咬到了自己的舌头"一、磁敏电阻二、磁敏二极管三、磁敏传感器的应用685.磁敏传感器磁敏测速传感器磁敏角度传感器69第3章半导体传感器

早在1856年和1879年，人们就发现了磁阻效应和霍尔效应，但作为实用的磁敏传感器则产生于半导体材料发现之后。20世纪60年代初，西门子公司研制出了第一个实用的磁敏元件；1968年索尼公司研制出性能优良、灵敏度高的磁敏二极管；1974年美国韦冈德发明了双稳态磁性元件。

3.1磁敏式传感器5.磁敏传感器

磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器，按其结构可分为体型和结型两大类，体型磁敏传感器包括霍尔传感器（材料主要有InSb，InAs，GaAs等）和磁敏电阻(材料主要有InSb，InAs)；结型磁敏传感器有磁敏二极管(Ge,Si)、磁敏晶体管(Si)。本节主要介绍磁敏电阻和磁敏二极管。705.磁敏传感器71一、磁敏电阻（一）磁阻效应半导体材料的电阻率随磁场强度的增强而变大，这种现象称为磁阻效应，利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻。

5.磁敏传感器

当温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。如果器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为：电阻率的相对变化：为电子迁移率，指载流子(电子和空穴)在单位电场作用下的平均漂移速度725.磁敏传感器73

可以看出，在磁感应强度Ｂ一定时，迁移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半导体材料）磁阻效应越明显。从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因磁场的作用而加长所致。5.磁敏传感器74（二）磁敏电阻的结构磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽度的比越小，电阻率的相对变化越大。5.磁敏传感器75

长方形磁阻器件只有在l<b的条件下，才表现出较高的灵敏度。在实际制作磁阻器件时，需在l>b的长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（短路栅格），以短路霍尔电势。图14长方形磁阻器件5.磁敏传感器76图15圆盘形磁阻器件圆盘形的磁阻最大，常见的磁敏电阻是圆盘形的，中心和边缘处为两电极。这种圆盘形磁阻器叫科尔比诺圆盘。其磁阻效应叫科尔比诺效应。5.磁敏传感器77（三）磁阻元件的主要特性1.灵敏度特性磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场—电阻变化率特性曲线的斜率。在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下磁阻元件的电阻值，RB为施加0.3T磁感应强度时磁阻元件的电阻值。

5.磁敏传感器78(b)电阻变化率特性RB/R015105温度(25℃)弱磁场下呈平方特性变化强场下呈直线特性变化00.20.40.60.81.01.21.4B/T(a)S、N级之间电阻特性S级N级0.30.20.100.10.20.3R/Ω1000500B/T图16灵敏度特性5.磁敏传感器792.电阻—温度特性半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的电阻值在不大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。温度（℃）020150504080100电阻（Ω）100605.磁敏传感器80二、磁敏二极管1.结构磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成，在P、N之间有一个较长的本征区I。本征区I的一面磨成光滑的无复合表面（为I区），另一面打毛，设成高复合区（为r区），因为电子—空穴对易于在粗糙表面复合而消失。图17磁敏二极管结构示意图5.磁敏传感器812.磁敏二极管的工作原理当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外加正