第07章磁电式传感器

第7章磁敏式传感器磁敏传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。本章主要介绍:磁电感应式传感器霍尔传感器7.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度转换成线圈中的感应电势输出。特点:

1)工作不需要外加电源，而是直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出，这是一种典型的发电型传感器。

2)传感器输出功率大，简化了配用的二次仪表电路。3)它的性能稳定，还可以针对使用对象做成不同的结构形式。

根据电磁感应定律，线圈两端的感应电势e正比于匝链线圈的磁通的变化率，即

Φ—匝链线圈的磁通；W—线圈匝数。

★若线圈在恒定磁场中作直线运动并切割磁力线时，则线圈两端产生的感应电势e为式中：W—线圈的有效匝数；

B—磁场的磁感应强度；

l—每匝线圈的平均长度。x—线圈与磁场相对运动的位移；v—线圈与磁场相对运动的速度；θ—线圈运动方向与磁场方向之间的夹角；当θ=90o（线圈垂直切割磁力线）时，有：

★若线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线，感应电势为式中，ω—旋转运动的相对角速度；

S—每匝线圈的截面积。

θ—线圈平面的法线方向与磁场方向间的夹角。●当θ=90o时，可写成

由上可见：当传感器的结构确定后，B、S、W、均为定值，因此，感应电势e与相对速度v（或ω

）成正比。根据上述基本原理，磁电式传感器可分为两种基本类型：变磁通式恒定磁通式1．变磁通式永久磁铁与线圈均不动，感应电势是由变化的磁通产生的。如图7-1所示的转速传感器。

●结构特点永久磁铁、线圈和外壳均固定不动，齿轮安装在被测旋转体轴上。当齿轮转动时，齿轮与软铁磁轭之间的气隙距离随之变化，从而导致气隙磁阻和穿过气隙的主磁通发生变化。结果在线圈中感应出电势。

图(b)为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。2．恒定磁通式工作气隙中的磁通保持不变，而线圈中的感应电势是由于工作气隙中的线圈相对永久磁铁运动，并切割磁力线产生的，输出感应电势与相对速度成正比。磁电式振动传感器由永久磁铁（磁钢）、线圈、弹簧、阻尼器和壳体等组成，如图7-2所示。按活动部件是磁铁还是线圈：动钢型和动圈型。

磁电式振动传感器的工作原理永久磁铁相当于二阶系统中的质量块m；阻尼c大多是由金属线圈骨架在磁场中运动产生的电磁阻尼提供的，有的传感器还兼有空气阻尼器；测量结构振动时传感器壳体刚性地固定在振动物体上，传感器壳体随物体一起振动。它是一种典型的二阶传感器，可以用一个由集中质量m、集中弹簧K和集中阻尼器C组成的二阶系统来表示，如右图磁电式传感器接入测量电路时，若测量电路输入电阻为Ri，则输出电流i0

为式中，R—线圈电阻。电流灵敏度Si为电压灵敏度Su为2基本特性说明：

B值大，灵敏度也大，因此要选用B值大的永磁材料；线圈的平均长度大也有助于提高灵敏度，但这是有条件的，要考虑两种情况：（1）线圈电阻与指示器电阻匹配问题因传感器相当于一个电压源，为使指示器从传感器获得最大功率，必须使线圈的电阻等于指示器的电阻。（2）线圈的发热问题传感器线圈产生感应电动势，接上负载后，线圈中有电流流过而发热。

●当传感器的工作环境温度发生变化，或受到外界磁场的干扰，或受到机械振动和冲击时，其灵敏度都将发生变化而产生测量误差。相对误差公式如下：3磁电式传感器的误差1．温度误差

★补偿的办法是采用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成，它在正常工作温度下将空气磁通分路掉一小部分。当温度升高时热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低，从而保持空气隙中的工作磁通不随温度变化，维持传感器的灵敏度为一常数。2．磁电式传感器的非线性误差主要原因：

当磁电式传感器在进行测量时，传感器线圈会有电流流过，这时线圈会产生一定的交变磁通，此交变磁通会叠加在永久磁铁产生的传感器工作磁通上，导致气隙磁通变化。这种影响分为两种情况:附加电场与工作电场方向相同（灵敏度增大），或反之。

★为了补偿这种磁场效应，常在传感器中加入“补偿线圈”。“补偿线圈”原理图如图7-4所示。3．永久磁铁的不稳定性误差当测量电路的输入电阻Ri>>R时，磁电式传感器的电压灵敏度Su可近似写成误差公式可写成此时永久磁铁的稳定性将成为误差的决定性因素，因为永久磁铁磁感应强度的稳定性直接影响工作气隙中的磁感应强度的稳定性。

★永久磁铁的磁性能会随着时间的推移而发生变化，为提高永磁材料的时间稳定性，永磁材料在充磁前需要先进行退火处理消除内应力。

★为了提高永久磁铁耐受机械冲击或振动的能力，可以事先使永久磁铁经受约上千次的机械振动或冲击的环境实验，最后使材料的组织结构稳定下来。

★

经过这些稳定措施之后，磁电式传感器的灵敏度就可以稳定在某一数值上

，不随环境的变化而变化，可以提高测量精度，减小测量误差。7.1.2测量电路7.1.3磁电感应式传感器的应用磁电感应式振动速度传感器

磁电感应式扭矩传感器电磁流量计测量导电液体的体积流量7.2霍尔式传感器霍尔式传感器是基于霍尔效应将被测量（如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等）转换成电动势输出的一种传感器。霍尔式传感器特点:

★优点:结构简单、体积小、坚固、频率响应宽（从直流到微波）、动态范围（输出电动势的变化）大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化。★缺点：转换率较低、温度影响大、要求转换精度较高时必须进行温度补偿。7.2.1霍尔效应图7-5霍尔效应N型半导体簿片：长度l

、宽度w、厚度d位于磁感应强度为B的磁场中，B垂直于l-w平面。沿l通电流I。UHwldIFBFHvBEHabcd

半导体薄片置于磁场强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电势，上述半导体薄片称为霍尔元件。当N型半导体通电流I时，半导体中电子受到洛伦兹力霍尔电场产生的电场力FH为当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有故霍尔电场的强度为流过霍尔元件的电流为所以：RH被定义为霍尔元件的霍尔系数。显然，霍尔系数由半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。1)当电子运动的方向与外磁场强度的方向相互垂直时，则有霍尔电势n是单位体积中的载流子数设KH即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小.单位是mV/（mA·T）结论：

霍尔器件的灵敏度，不仅与霍尔器件的材料有关，还与尺寸有关。当外界磁场强度B和激励电流I中的一个量为常数而另一个为输入量时，则输出霍尔电势正比于B或I。当B和I均为输入变量时，则输出霍尔电势正比于B和I的乘积。

2）如果磁场方向与半导体簿片法线方向不垂直，其角度为α，则霍尔电势为霍尔元件的外形如图7-6所示，它是由霍尔片、4根引线和壳体组成，如图7-6（b）所示。7.2.2霍尔元件7.2.3霍尔元件的测量误差和补偿1.不等位电势的产生及补偿方法定义：霍尔元件在额定激励电流作用下，不加外磁场时，霍尔电极间的空载电势Uo，称为不等位电势，它是一个主要的零位误差。产生原因：

1）在制作霍尔元件时，两个霍尔电极不可能保证装在同一等位面上，如图7-7所示；

2）霍尔元件材料的电阻率不均，霍尔片的厚度、宽度不一致，电极与片子的接触不良等也会产生不等位电势。

图7-7不等位电势图7-8霍尔元件的等效电路AIU0BCDDAR1R2BCR3R4不等位电势几种常用补偿方法WCDAR2R3R4R1BWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）图7-9不等位电势的补偿电路WABCDWABCD(b)WCABD2．温度误差及补偿霍尔元件与一般半导体元件一样，对温度的变化是很敏感的。这是因为霍尔元件的电阻率、载流子迁移率、浓度等都是温度的函数。因此，在工作温度变化时，它的一些特性参数，如内阻、霍尔电势等都要发生相应的变化，从而使霍尔传感器产生温度误差，必须采用适当电路进行补偿。温度补偿

（1）输入端并联电阻法

由，因Ri随温度变化，影响流过Ri的控制电流IH。现采用恒流源供电，使总电流I保持不变。为补偿IH和KH随温度的变化，可在输入端并联一适当的电阻RP，如图7-10所示。图7-10输入端并联电阻补偿（2）采用热敏元件法图7-11给出了几种最常用的补偿电路的例子。图7-11采用热敏元件的温度误差补偿电路1、磁电式传感器是一种把非电量的变化转换为_______的传感器。它的基本型是一种

传感器。2、电感式传感器的基本型是

传感器。3、霍尔灵敏度，它是表示

。4、什么是霍尔效应？为什么半导体材料适合于作霍尔元件？练习7.2.4集成霍尔传感器集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点。1）霍尔式传感器按被测量的性质可分成电量型和非电量型两大类，电量型又有电流型、电压型两类；非电量型按用途可分为开关型（用于控制）和线性型（用于测量）两大类。

2）按被检测的对象的性质可将霍尔开关的应用分为：直接应用和间接应用。前者直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检测对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测信息的载体。1开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器和输出级五部分组成。霍尔开关集成传感器内部结构框图23输出+－稳压VCC1霍尔元件放大BT整形地H2线性集成霍尔传感器

线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出电压与外加磁场成线性比例关系。一般由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成。

霍尔线性集成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。7.2.5霍尔式传感器的典型应用例7-1检测磁场检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。例7-2霍尔位移传感器将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从a端通入电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1-VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。例7-3霍尔转速传感器输入轴输入轴霍尔传感器下图所示为两种形式的霍尔转速传感器工作原理图。例7-4汽车霍尔电子点火器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