ch7成都信息工程学院 传感器技术

被测量感应电动势E主要内容：一、磁电式传感器二、霍尔传感器第七章电动势传感器霍尔传感器霍尔传感器工作原理霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件的主要特性参数霍尔元件误差及补偿霍尔式传感器的应用7.2.1霍尔传感器工作原理

半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。产生的电动势称霍尔电势UH

半导体薄片称霍尔元件霍尔效应演示

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。cdab霍尔效应原理每个电子受到的洛仑兹力为：所形成的霍尔电场的场强为：霍尔电场作用于电子的力：

平衡时：霍尔电势：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；则，霍尔电势霍尔常数霍尔灵敏度霍尔常数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。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。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，综上：

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；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。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。5.2.2霍尔元件的结构和基本电路图（b）是霍尔元件通用的图形符号。图（a）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（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。霍尔元件的结构和基本电路输出Uo与I或B成正比关有四根引线，两端加激励，两端为输出；电源为E，控制电流I；负载RL；B磁场与元件垂直向里。实测中，可把I和B作为输入，也可单独输入，通过霍尔电势输出测量结果。得到U0与I或B成正比关系。霍尔元件的主要特性参数当磁场和环境温度一定时:

霍尔电势与控制电流I成正比当控制电流和环境温度一定时:

霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比当环境温度一定时:

输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比测量以上电阻时，应在没有外磁场和室温变化的条件下进行。

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)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，则霍尔电势应该为零，实际不为零，测得的空载霍尔电势。不等位电势是由霍尔电极之间的电阻决定的，r

0称不等位电阻，Ｉ流经不等位电阻所产生的电势。

(4)寄生直流电势当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势。控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势。(5)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。霍尔元件误差及补偿1.不等位电势误差的补偿2.温度误差及其补偿不等位电势当霍尔元件通以电流I时，若磁场B＝0，理论上UH＝0。这是测得的电势称为U0。产生原因：霍尔引出电极安装不对称

半导体材料不均匀

1.不等位电势误差的补偿可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。电势的补偿电路对称电路

当温度变化时，补偿的稳定性要好些2.温度误差及其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。减小霍尔元件的温度误差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温度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KH0

为温度T0时的KH值；温度变化量；霍尔电势的温度系数。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。同时，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。恒流源温度补偿电路当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流具体补偿方法:具体补偿方法：霍尔元件上并联一Rp分流，当T增大时—Ri增大—UH增大—IH减小—Ip增大—UH下降。Rp

自动加强分流，使Ip

增大—IH下降—UH下降,补偿电阻Rp可选择负温度系数。霍尔式传感器的应用优点:

结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长应用：电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；自动检测系统：多用于位移、压力的测量。1.微位移和压力的测量测量原理： 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、加速度产生梯度磁场的示意图位移量较小，适于测量微位移和机械振动2.磁场的测量 在控制电流恒定条件下，霍尔电势大小与磁感应强度成正比，由于霍尔元件的结构特点，它特别适用于微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线方向之间夹角的函数。应用：霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器霍尔转速表原理

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。霍尔高斯计（特斯拉计）的使用

霍尔元件磁铁将霍尔元件垂直置于磁场B中，输入恒定的控制电流I，则霍尔输出电压UH正比于磁感应强度B，此方法可以测量恒定或交变磁场的高斯数。霍尔传感器用于测量磁场强度

霍尔元件测量铁心气隙的B值霍尔式接近开关用于转速测量演示n=60f4(r/min)软铁分流翼片

开关型霍尔IC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器钢质霍尔7.1磁电式传感器 通过磁电作用将被测量（如振动、转速、扭矩）转换电势信号的传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势；属于机-电能量变换型传感器

优点:

不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小7.1.1磁电式传感器的工作原理

法拉第电磁感应定律：k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，k＝1，这时感应电势为：

线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势E。如果线圈是N匝，磁感应强度是B，每匝线圈的平均长度la（磁场中的有效长度），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：（υ垂直B，又垂直la)不同类型的磁电式传感器磁通量Ф的变化实现办法:

磁铁与线圈之间做相对运动；磁路中磁阻的变化；恒定磁场中线圈面积的变化.直接应用：测定速度在信号调节电路中接积分电路，或微分电路，磁电式传感器就可以用来测量位移或加速度。根据以上原理有两种磁电感应式传感器：恒磁通式：磁路系统恒定，磁场运动部件可以是线圈也可以是磁铁。变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。磁阻式动圈式结构动圈式磁电传感器

1.动圈式磁电传感器原理2.动圈式磁电传感器结构1.动圈式磁电传感器原理动圈式磁电传感器原理图传感器原理如果在线圈运动部分的磁感应强度B是均匀的，则当线圈与磁场的相对速度为υ时，线圈的感应电动势：α为运动方向与磁场方向间夹角，当α＝90°，线圈的感应电动势为：当N、B和la恒定不变时，E与υ=dx/dt成正比，根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。E∝V2.动圈式磁电传感器结构磁电式传感器构成：

1、磁路系统由它产生恒定直流磁场。为了减小传感器的体积，一般都采用永久磁铁；

2、线圈由它运动切割磁力线产生感应电动势。作为一个完整的磁电式传感器，除了磁路系统和线圈外，还有一些其它元件，如壳体、支承、阻尼器、接线装置等。磁电式振动传感器的结构原理图5.1.2磁电式振动传感器的结构原理图1-弹簧片2-永久磁铁3-阻尼器4-引线5-芯杆6-外壳7-线圈8-弹簧片基本工作原理：该传感器在使用时，把它与被测物体紧固在一起，当物体振动时，传感器外壳随之振动，此时线圈、阻尼环和芯杆的整体由于惯性而不随之振动，因此它们与壳体产生相对运动，位于磁路气隙间的线圈就切割磁力线，于是线圈就产生正比于振动速度的感应电动势。该电动势与速度成一一对应关系，可直接测量速度，经过积分或微分电路便可测量位移或加速度。

磁阻式磁电传感器线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，在线圈中产生感应电动势。 用来测量转速，线圈中产生感应电动势的频率作为输出，而感应电动势的频率取决于磁通变化的频率。

结构：开磁路、闭磁路开磁路磁阻式转速传感器1－永久磁铁3－感应线圈2－软铁4－齿轮结构比较简单，但输出信号较小，当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。闭磁路磁阻式转速传感器闭磁路磁组式转速传感器5－永久磁铁4－感应线圈2－内齿轮3－外齿轮1-转轴特点：

传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度，因而它是与被测速度成一定比例关系的。当转速太低时，输出电势很小，以致无法测量。所以这种传感器有一个下限工作频率，一般为50Hz左右，闭磁路转速传感器的下限频率可降低到30Hz左右。其上限工作频率可达100Hz。

原理：磁阻变化→线圈产生感应电动势→周期感应脉冲信号。

开磁通

f=Zn/60

式中，Z—齿轮的齿数；n—转速(r/min)；f—感应脉冲信号频率。原理：椭圆轮旋转→空气隙磁阻周期性变化→输出感应电动势（e=Emsint→周期脉冲频率。闭磁通转速（）低→e小→存在下限频率（一般为50Hz左右），上限频率可达100kHz转速特点：磁电式传感器的应用线速度型磁电式传感器的应用测速电机角速度型1、磁电式传感器测量电路中引入积分电路是为了测量（）。A．位移