ch磁电式传感器

磁电式传感器磁电感应式传感器霍尔式传感器磁电感应式传感器磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。由于它输出功率大，且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000Hz），所以得到普遍应用。1.1磁电感应式传感器工作原理根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为(7-1)式中:B——稳恒均匀磁场的磁感应强度；l——导体有效长度；v——导体相对磁场的运动速度。当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈内的感应电势e与磁通变化率dφ/dt有如下关系：根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。变磁通式又称为磁阻式，图7-1是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。(7-2)图7-1变磁通式磁电传感器结构图(a)开磁路；(b)闭磁路图7-1（a）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。图7-2恒定磁通式磁电传感器结构原理图（a）动圈式；(b)动铁式磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式（图7-2（a））和动铁式（图7-2(b)）的工作原理是完全相同的。当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大，当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势为(7-3)式中：B0——工作气隙磁感应强度；l——每匝线圈平均长度；W——线圈在工作气隙磁场中的匝数；v——相对运动速度。7.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应及霍尔元件1.霍尔效应置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。如图7-9所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板，导电板通以电流I，方向如图所示。导电板中的电流使金属中自由电子在电场作用下做定向运动。此时，每个电子受洛伦兹力fl的作用，fl的大小为fl=eB喊v（7-糊9）式中负：e——电子爆电荷苹；誓v——电子移运动卸平均劣速度堂；侦B——磁场爪的磁想感应赏强度至。图7-涝9霍尔朝效应淹原理桃图fl的方闸向在僻图7-枪9中是稳向内填的，寨此时储电子胸除了蛙沿电将流反威方向旺作定蛋向运核动外禁，还筋在fl的作让用下介漂移渐，结晒果使仅金属例导电渗板内第侧面劝积累围电子擦，而纠外侧供面积幅累正喂电荷培，从跪而形触成了情附加惯内电场EH，称霍街尔电氧场，孕该电蓬场强停度为近（7-贝10）式中,UH为电记位差纪。霍尔简电场毅的出余现，晕使定漂向运引动的核电子邮除了宫受洛虎伦兹侮力作岩用外瘦，还药受到壳霍尔层电场裁力的压作用抛，其也力的职大小采为eEH，此力好阻止很电荷瓶继续斯积累非。策随着笔内、痛外侧趟面积键累电侦荷的工增加策，霍肃尔电司场增季大，剃电子诸受到戴的霍疯尔电施场力淡也增曲大，功当电唐子所晌受洛银伦磁磁力与英霍尔赛电场疤作用自力大兆小相等轨方向毒相反桑，即eEH=eB题v（7-被11）时，港则EH=vB（7-浆12）此时勿电荷织不再笨向两混侧面恼积累陷，达绩到平焦衡状暖态。若金位属导廊电板剑单位葬体积伏内电挣子数阳为n，电子犁定向姻运动出平均屑速度送为v，则激众励电拘流I=ne为vb元d，即（7-暴13）将式漫（7-但13）代枣入式双（7-师12）得（7-格14）将上境式代灿入式特（7-宰10）得（7-弱15）式中话令RH=1缴/n燥e，称之晶为霍帮尔常唉数，钳其大伏小取鱼决于央导体胸载流蛇子密倾度,则（7-大16）式中,KH=RH/d称为驻霍尔甩片的但灵敏畅度。由式它（7-椅16）可游见，娱霍尔槽电势揭正比供于激鸽励电舱流及府磁感泊应强归度，观其灵本敏度敬与霍助尔系服数RH成正淹比而氏与霍桂尔片剂厚度d成反跪比。表为了米提高通灵敏耍度，仇霍尔袍元件常冰制成皆薄片蹲形状口。霍尔者元件古激励桐极间宫电阻R=ρl恐/(bd)，同时R=扁U/捐I=山El/I=vl/(μn脆ev赌bd)（因为μ=睛v/皆E,μ为电脾子迁付移率已），征则(7冠-1愉7)解得RH=μρ(7勒-1挥8)从式芽（7-维18）可轿知，胞霍尔忽常数检等于宇霍尔控片材钱料的雁电阻读率与尚电子化迁移贤率μ的乘巩积。队若矛要霍循尔效雨应强缓，则哲希望玻有较哈大的腐霍尔比系数RH，因此源要求盒霍尔援片材惯料有两较大棍的电烈阻率队和载游流子捎迁移贷率。膊一涂般金缠属材坛料载炮流子腥迁移蜜率很宅高，胁但电吓阻率膨很小番；而菌绝缘氏材料芳电阻膀率极蕉高，遗但载关流子笛迁移促率极黑低，宴故只纽奉有半场导体筑材料齐才适血于制跳造霍烈尔片更。目被前常宣用的裕霍尔水元件弱材料闸有：祥锗、尼硅、吹砷化丸铟、疮锑佛化铟诞等半弊导体滔材料田。其晨中N型锗快容易谢加工瘦制造即，其桌霍尔大系数头、暖温度猜性能雪和线词性度放都较哑好。N型硅捐的线玩性度无最好杆，其速霍尔莲系数顾、悔温度狂性能抵同N型锗汇。锑想化铟鼓对温巷度最仿敏感皆，尤桂其在肚低温导范围扫内温讨度系馒数大轨，但慰在室蓬温时荷其霍筛尔系蔽数较杀大。砖砷化僚铟的愤霍尔掘系数抬较小佳，温公度系驱数也稼较小火，输出贫特性缸线性料度好乱。表7-捡1为常栋用国隔产霍罢尔元怎件的伐技术练参数题。表7-沙1常用浑国产矮霍尔乓元件册的技拥术参量数2.霍尔序元件摔基本阶结构励霍尔蹦元件睁的结堵构很匀简单项，它煤是由邮霍尔圈片、煎四根困引线参和壳恳体组而成的剃，办如图7-兼10（a）所示忠。化霍尔廊片是盲一块佩矩形淘半导梳体单针晶薄以片，员引临出四每根引治线：1、1′两根肚引线沈加激盛励电夜压或店电流辞，称四激励象电极埋（控完制电英极）攻；2、2′引线洁为霍腥尔输绳出引饱线，书称恋霍尔可电极高。隆霍尔碰元件号的壳暴体是葱用非旅导磁即金属恰、路陶瓷辟或环捞氧树音脂封定装的陶。泥在电弓路中身，餐霍尔杨元件塌一般荣可用块两种纺符号甜表示惑，涨如图7-10（b）所示斧。图7-帅10霍尔肥元件（a）外形海结构橡示意偶图；雪（b）图形洒符号3.霍尔束元件戏基本阿特性(1炭)额定角激励忙电流俱和最搅大允加许激柜励电会流当霍新尔元吓件自让身温讨升10与℃时所蒜流过踏的激该励电翻流称走为额位定激催励电愁流。置以悠元件窑允许芽最大怨温升产为限船制所脏对应巾的激苏励电忙流称哪为最玻大允趣许激俗励电富流。洋因霍煮尔电梨势随挣激励末电流权增加单而线毅性增第加，贪所以岂使用熄中希鸽望选皮用尽腥可能敏大的碑激励肯电流律，因寸而需巡寿要知梳道元糖件的其最大辛允许肃激励喘电流村。改善霍塌尔元战件的稼散热寨条件倘，可烟以使仿激励冷电流产增加姐。(2）午输入蛙电阻亿和输曲出电软阻激励网电极斜间的糊电阻累值称轧为输铅入电勾阻。及霍尔雾电极燥输出住电势鸟对电夫路外硬部来院说相欢当于禾一个宏电压氏源，坏其电刮源内删阻即钟为输鼓出电揉阻。晋以咬上电例阻值渔是在狂磁感致应强或度为良零，蹲且环垂境温响度在20淘℃±5℃时所钥确定旷的。(3）适不等辉位电芹势和刻不等反位电狱阻当霍郑尔元跃件的挪激励席电流让为I时，艇若元鹿件所判处位窄置磁乡丰感应仍强度忍为零乓，兄则它举的霍再尔电跨势应斩该为断零，他但实叨际不董为零绳。这歉时测胃得的分空载集霍尔辛电势熟称为耕不等弄位电船势，东如图7-杏11所示牙。姓产生宽这一警现象吃的原睬因有淡：伶①喘霍尔渔电极修安装料位置旬不对地称或割不在盼同一峡等电城位面更上；衫②驱半导奋体材朴料不呜均匀秧造成张了电牧阻率腿不均敲匀或渴是几策何尺产寸不阁均匀鸭；歪③苏激励晒电极黄接触骑不良悔造成呜激励疼电流难不均筋匀分敌布等苗。图7-湿11不等挎位电妹势示稠意图不等朵位电温势也娃可用映不等叉位电扔阻表滴示，小即（7-引19）式中拳：U0——不等犬位电埋势；夺r0——不等刷位电暑阻；湖I——激励坏电流该。由式季（7-盼19）可玩以看深出，脾不等絮位电桨势就朽是激木励电已流流瓶经不紫等位杜电阻r0所产基生的戒电压，安如究图7-鼓11所示滑。(4）枝寄免生直顾流电棒势在外筑加磁扁场为喇零、乡丰霍尔裁元件愤用交毯流激贸励时画，霍需尔电抖极输欺出除含了交露流不谈等位岔电势胶外，狼还有班一直劣流电扎势，滚称为暗寄生糊直流推电势澡。刻其产头生的奔原因袋有：隙①氏激励厉电极页与霍忠尔电寄极接腰触不卵良，琴形鉴成非冷欧姆领接触侍，你造成朝整流栗效果辰；敲②贸两个铜霍尔构电极障大小愉不对峡称，晴则两泳个电番极点棒的热那容不哀同，蛛散忌热状师态不间同而涝形成信极间添温差套电势炒。缘瑞寄生哄直流幻玉电势家一般块在1m倘V以下救，它攻是影雨响霍吵尔片见温漂评的原栽因之喂一。(5）题霍估尔电售势温怜度系兴数在一将定磁顷感应鹿强度扮和激源励电蛙流下猫，温恢度每务变化1℃时，蝇霍尔言电势揉变化郊的百已分率宝称为霍斜尔电史势温斯度系俩数。驻它同不时也诉是霍伴尔系豪数的龙温度私系数愈。态4.霍尔群元件柜不等盟位电决势补谈偿不等疤位电狠势与恶霍尔缎电势肆具有芦相同峡的数漂量级菌，有执时甚损至超胃过霍贞尔电奥势，摸而椒实用澡中要妨消除撞不等狮位电漏势是录极其谨困难誓的，莫因而碍必须毯采用葡补偿踪蝶的方逐法。旱分析肾不等凯位电拴势时绞，可善以把拌霍尔贱元件专等效为烫一个庙电桥证，炒用分敢析电菜桥平面衡来却补偿浸不等贡位电毛势。图7-栗12为霍闷尔元吨件的砌等效裤电路恒，其模中A、B为霍扯尔电长极，C、D为激稍励电恼极，拉电极则分布话电阻浩分别积用r1、r2、r3、r4表示踏，把慌它们劫看作增电桥根的四吗个桥隐臂。具理想败情况雄下，依电极A、B处于冒同一敬等位竖面上停，r1=r2=r3=r4，电桥棵平衡罪，不较等位滔电势U0为0。实添际上朽，由店于A、B电极蹈不在当同一柿等位群面上形，此指四个布电阻振阻值下不相咐等，折电桥陶不平勺衡，怠不等椒位电签势不忘等于跨零。靠此时手可根扮据A、B两点霸电位思的高而低，渴判断员应在渴某一补桥臂捕上并棍联一模定的北电阻保，使特电桥着达到赢平衡访，插从而锹使不做等位悬电势储为零背。几逗种补羽偿线拨路如沫图7-馒13所示唤。图而（a）、帐（b）为常劲见的抢补偿写电路衬，筝图（b）、子（c）相当年于在帮等效赶电桥非的两个桥差臂上能同时归并联霞电阻梦，旬图（d）用于称交流签供电民的情梁况。图7-阔12霍尔驶元件叠的等峡效电拨路图7-潜13不等爷位电党势补自偿电炸路5.霍尔夹元件演温度依补偿追霍尔停元件镜是采促用半蛋导体叶材料喉制成己的，狸因此志它们架的许虏多参鬼数都卡具有狡较大店的温纲度系奸数。妙当温睁度变络化时勒，霍旋尔元秀件的旋载流烤子浓烤度、猎迁影移率例、电斗阻率南及霍劫尔系宵数都跑将发垂生变悲化，偏从而恐使霍巴尔元夹件产岸生温雹度误糊差。端为了跌减小湿霍尔牢元件免的温扮度误朝差，尖除赚选用遥温度马系数远小的昆元件棍或采扯用恒炒温措垮施外损，由UH=KHIB可看模出：注采用鸡恒流构源供县电是援个有轻效措篮施，淹可以帮使霍戴尔电谈势稳辱定。幕但也闪只能伴是减肠小由于输掀入电渠阻随异温度庆变化交所引孩起的皆激励细电流I的变黄化的渴影响宵。霍尔损元件唱的灵奏敏系挺数KH也是抄温度喇的函睛数，强它随伸温度势变化愧将引膝起霍窑尔电郊势的妇变化。削霍尔州元件踢的灵押敏度匙系数幅与温功度的坊关系羞可写博成KH=KH0(1+αΔT)（7-伶20）式中海：KH0——温度T0时的KH值；竭ΔT=T-锻T0——温度妈变化涉量；遥α——霍尔助电势贸温度灭系数县。大多外数霍甲尔元嗽件的罪温度恨系数α是正轻值，陵它们策的霍究尔电煎势随篇温度粒升高设而增约加αΔT倍。持但器如果承同时役让激狸励电壁流Is相应森地减示小，欧并帅能保蚕持KH·Is乘积某不变千，也煮就抵休消了仿灵敏步系数KH增加主的影惑响。崖图7-愁14就是趣按此饶思路编设计薪的一豆个既仁简单最，补舌偿效翅果又立较好木的补输偿电暑路。艇电路府中Is为恒缝流源炉，分我流电怎阻Rp与霍奏尔元劣件的宫激励庆电极匙相并脱联。茂当霍尼尔元闯件的氏输入犯电阻晌随温蹦度升舌高而菊增加拿时，询旁路央分流远电阻Rp自动箭地增任大分搂流，恢减小厨了霍狮尔元糠件的据激励悉电流IH，从而帐达到税补偿堤的目的。图7-币14恒流怀温度染补偿柜电路在图7-毙14所示攀的温权度补厅偿电焦路中欢，设纷初始离温度摇为T0，霍尔咏元件季输入披电阻桶为Ri0，灵敏稍系数摔为KH0，分流搅电阻透为Rp0，根据伙分流茶概念莲得（7-栏21）当温扯度升拼至T时，拨电路扮中各肝参数孝变为（7-估22）（7-优23）式中桑：δ——霍尔辨元件包输入惧电阻盼温度森系数扭；横β——分流顺电阻酱温度刑系数倦。则（7-吸24）虽然面温度巡寿升高树了ΔT，为使桥霍尔丸电势谁不变物，补弯偿电妇路必械须满气足温知升前秧、轧后的筋霍尔奖电势不变设，即UH0=UH，则KH0IH0B=KHIHB（7-泼25）有KH0IH0=KHIH（7-炕26）将式届（7-牙20）、哥（7-识21）、躺（7-栋24）代症入上商式，尼经整霉理并龟略去αβ(ΔT)2高次缝项后丸得（7-搁27）当霍沿尔元剩件选撤定后术，它前的输彻入电买阻Ri0和温繁度系滔数δ及霍植尔电喝势温困度系置数α是确孔定值呢。由勤式（7-叉27）即耳可计专算出流分流捞电阻Rp0及所欲需的咏温度券系数β值。嫁为了劫满足Rp0及β两个超条件患，分流克电阻殃可取碍温度马系数篇不同劈燕的两缎种电虑阻的盏串、烈并联什组合皱，这闻样虽舍然麻幕烦但间效果央很好怀。7.涛2.男2霍尔牲传感拿器的霞应用识1.霍尔肾式微袖位移维传感棉器霍尔解元件嫩具有刃结构筝简单衬、体习积小究、动解态特阻性好姓和寿菠命长钳的优哑点，义它不纯仅用缠于磁肝感应内强度胖、有麦功功盘率及陷电能开参数酿的测痰量，后也画在位怠移测狭量中毛得到勇广泛粪应用扯。美图7-蛙15霍尔永式位古移传需感器父的工旧作原船理图(a民)磁场迹强度财相同冤传感厦器；(b贷)简单镇的位教移传恶感器翠；(c群)结构猎相同馋的位淡移传计感器图7-酬15给出邮了一搬些霍往尔式扛位移贝传感索器的存工作熄原理前图。腿图7-甲15（a）是虫磁场曾强度妥相同恰的两坡块永脸久磁捎铁，们同极蛇性相勿对地闻放置恩，弯霍尔逗元件和处在泻两块被磁铁题的中勿间。危由于点磁铁牢中间胡的磁坐感应授强度B=摸0，饭因此箭霍尔事元件首输出址的霍析尔电轧势UH也等雪于零以，此垄时位作移Δx=0。若洪霍尔意元件奔在两真磁铁怜中产垮生相巾对位械移，摇霍尔膨元件朗感受激到的妈磁感么应强存度也惧随之首改变隙，这弹时UH不为脾零，铸其量视值大饲小反址映出杀霍尔富元件品与磁雹铁之爬间相槐对位喷置的岁变化灵量。退这种选结构鸽的传麻感器晋，衰其动判态范斩围可鹊达5伸mm，分气辨率伏为0.思00项1m堂m。图7-篮15（b）是一历种结记构简答单的藏霍尔危位移辫传感握器，骨是由和一块尺永久帽磁铁驶组成毫磁路闲的传压感器匀，在寺霍尔祸元件负处于女初始复位置Δx=0时，柱霍洗尔电州势UH不等淡于零掩。刑图7-渐15（c）是一贩个由抵两个强结构揪相同妨的磁辟路组引成的持霍尔溪式位婆移传位感器阿，为建了获扛得较砌好的且线性移分布蝴，在苹磁极剃端面嗽装有乌极靴砍，参霍尔个元件业调整填好初械始位玩置时伴，翁可以叮使霍爆尔电么势UH=0。这种棵传感尼器灵拦敏度到很高梳，闷但它爆所能题检测阿的位旋移量舒较小宁，撕适合师于微痰位移女量及岩振动眠的测景量杀。2.霍尔说式转拨速