第七章磁电式传感器

传感器原理及工程应用

第7章磁电式传感器

霍尔式传感器概述传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器

利用霍尔效应制成的传感器称霍尔式传感器，是基于磁电转换原理，把磁学物理量转换成电信号。随着半导体技术的发展，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。霍尔元件磁电量电信号霍尔式传感器传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器霍尔传感器测转速概述霍尔式传感器7.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应及霍尔元传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器1.霍尔效应

金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。工作原理：假设在N型半导体薄片上通以电流I，则半导体中的自由电荷沿着和电流相反的方向运动，由于在垂直于半导体薄片平面的方向施加磁场B，所以电子受到洛仑兹力FL的作用向一边偏转，并使该边形成电子积累，而另一边则为正电荷的积累,于是形成电场，该电场阻止运动电子的继续偏转。传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器7.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应及霍尔元件1.霍尔效应霍尔电势UH的大小：式中：RH—霍尔系数（m3/C）I—控制电流（I）B—磁感应强度（T）d—霍尔元件厚度（m）霍尔系数RH=ρμ，ρ为载流子的电阻率，μ为载流子的迁移率。令：KH=RH/d称霍尔元件的灵敏度则：UH=KHIB7.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应及霍尔元传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器1.霍尔效应

UH=KHIB

霍尔元件的灵敏度KH—就是指单位磁感应强度和单位控制电流作用时，所能输出的霍尔电势的大小当控制电流的方向或磁场的方向改变时，输出电动势的方向也将改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电动势极性不变。如果磁感应强度B和元件平面法线成一角度θ时则作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量：

UH=KHIBcosθ传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器7.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应及霍尔元1.霍尔效应1)霍尔电压UH与材料的性质有关。根据公式，材料的ρ、μ大，RH就大。金属的μ虽然很大，但ρ很小，故不宜做成霍尔元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，且μn>μp，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。

2)霍尔电压UH与元件的尺寸有关。根据公式d愈小，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄。

3）霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。根据公式UH正比于I及B。当控制电流I恒定时B愈大UH愈大。当磁场改变方向时，UH也改变方向。同样，当霍尔灵敏度及磁感应强度B恒定时，增加控制电流I，也可以提高霍尔电压UH的输出。RH=ρμ讨论：7.2霍尔式传感器7.2.2霍尔传感器基本电路传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器

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产生控制电流I；负载RL，R可调,调节控制电流，B磁场与元件面垂直。实测中可把I*B作输入，也可把I或B单独做输入。而霍尔电势输出测量信号U0

与I或B成正比关系。2.霍尔元件基本结构7.2霍尔式传感器7.2.2霍尔传感器基本电路2.霍尔元件基本结构传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器7.2霍尔式传感器7.2.3霍尔传感器的误差及补偿

3.不等位电势补偿

传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器

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如图所示，电桥臂的四个电阻分别是r1、r2、r3、r4，当两个霍尔电极c、d处在同一等位面上时，r1=r2=r3=r4这时电桥平衡，不等位电势U0=0，当两个霍尔电极不在同一等位面上时，电桥不平衡，不等位电势不等于零，此时可根据c、d两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电势为零。传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器7.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应及霍尔元件3.不等位电势补偿

传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器7.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应及霍尔元件3.不等位电势补偿

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磁电式传感器7.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应及霍尔元件4.霍尔元件温度补偿

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。

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磁电式传感器

选用温度系数小的元件采用恒温措施采用恒流源供电恒流源补偿：霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系:

7.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应及霍尔元件4.霍尔元件温度补偿

KH0为温度T0时的KH值；ΔT温度变化量；α霍尔元件的温度系数。传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器具体补偿方法:在霍尔元件上并联一Rp分流，无Rp时：当T增大时—KH增大—UH

增大;(UH=KHIB)有Rp时：当T增大时—Ri增大，Ip增大—IH减小—

Rp自动加强分流.7.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应及霍尔元件4.霍尔元件温度补偿

恒流温度补偿电路大多数霍尔元件的温度系数α是正值时，它们的霍尔电势随温度的升高而增加（1+α△t）倍。如果让控制电流I相应地减小，能保持KHI不变就抵消了灵敏系数值增加的影响。

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磁电式传感器7.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应及霍尔元件4.霍尔元件的连接方式

1、连接方式为了得到较大的霍尔电动势输出，当元件的工作电流为直流时，可把几个霍尔元件输出串联起来，但控制电流极应该并联图a），输出的电动势就等于单个元件的两倍，不能接成如图b）的形式。如图为交流供电情况。控制电流端串联，各元件输出端接输出变压器B的初级绕组，变压器的次级便有霍尔电势信号叠加值输出。7.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应及霍尔元件4.霍尔元件的连接方式

传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器霍尔电势一般为毫伏级输出，所以实际使用时都采用运算放大器将信号进行放大。霍尔元件的体积一般较小。可以与放大电路一起集成在一块很小的晶片上，便于微型化。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式。7.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应及霍尔元件4.霍尔元件输出电路传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器1.微位移和压力的测量7.2霍尔式传感器7.2.2霍尔传感器的应用.传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器测量原理： 霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。应用：

位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度、测转速

检缺口检齿7.2霍尔式传感器7.2.2霍尔传感器的应用传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器霍尔传感器位移测量原理在两个极性相反，磁感应强度相同的磁钢的气隙中，放置一个霍尔元件。这种传感器灵敏度很高，位移量较小，适于测量微位移和机械振动磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线型度越好。7.2霍尔式传感器7.2.2霍尔传感器的应用传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器霍尔压力传感器结构原理b螺旋型波登管c扭转型波登管aC型波登管7.2霍尔式传感器7.2.2霍尔传感器的应用传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器霍尔压力传感器结构原理7.2霍尔式传感器7.2.2霍尔集成传感器传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器霍尔开关集成传感器7.2霍尔式传感器7.2.2霍尔集成传感器传感器原理及工程应用第7章

磁电式传感器自动供水装置霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用

若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感