第7章 磁学量传感器

7.1磁电感应式传感器7.2霍尔式传感器7.3新型磁学量传感器

第7章磁学量传感器传感器原理及应用第7章磁学量传感器

7.1磁电感应式传感器

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。有源传感器。磁电式传感器机械能电量磁敏传感器磁学量电信号传感器原理及应用霍尔传感器测转速磁电传感器传感器原理及应用根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e。e的大小与穿过线圈的磁通Φ变化率有关。

传感器原理及应用7.1.1工作原理线圈内的感应电势E与磁通变化率dΦ/dt关系:E＝-w两种磁电传感器结构:变磁通式和恒磁通式。变磁通式磁电传感器,测量旋转物体的角速度。

传感器原理及应用恒磁通式：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。

恒磁通式变磁通式（a）开磁路（b）闭磁路传感器原理及应用传感器原理及应用开磁路变磁通式:线圈、磁铁静止不动,测量齿轮在被测旋转体上,一起转动。每转动一个齿,齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次,磁通变化一次,线圈中产生感应电势,变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。

传感器原理及应用

闭磁路变磁通式: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,引起磁路中磁通的变化,使线圈内产生周期性变化的感生电动势。感应电势的频率与被测转速成正比。

传感器原理及应用传感器原理及应用

恒磁通式磁电传感器,由永久磁铁、线圈、弹簧、金属骨架等组成。运动部件可以是线圈（动圈式）,也可以是磁铁（动铁式）磁铁与线圈的相对运动切割磁力线,产生感应电势传感器原理及应用

E=-B0Lwv

7.1.2基本特性

当测量电路接入磁电传感器电路中,磁电传感器的输出电流Io为

Io=

传感器原理及应用在磁场中作直线运动时，线圈中的感应电动势e=BLVsinαB为磁场磁感应强度；L为线圈导线的总长度.以m计.V为线圈和磁铁间相对直线运动的线速度m／sα为运动方向和磁感应强度间的夹角，一般α为90，sinα=1.通过测感应电动势e就可测得线速度v.传感器原理及应用线圈在磁场中作旋转运动时，感应电动势e=Bsωsinθ

ω为线圈和磁铁间的相对旋转运动的角速度，

S为线圈所包围的面积.以m2计。它的输出电动势大小与运动速度成正比，只要磁感应强度B和线圈L，S一定，它就是一只测速度的传感器。传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器的电流灵敏度为

SI=

输出电压和电压灵敏度为

测量误差产生的原因:工作温度变化,外界磁场干扰、机械振动、冲击等。传感器原理及应用

电流灵敏度相对误差为传感器原理及应用

1.非线性误差

原因:传感器线圈内有电流I流过时,产生交变磁通ΦI,叠加在永久磁铁的工作磁通上,使恒定的气隙磁通变化,产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反,减弱了工作磁场的作用,灵敏度随着被测速度的增大而降低。传感器原理及应用传感器原理及应用线圈运动速度方向不同时,传感器的灵敏度具有不同的数值,灵敏度越高,线圈中电流越大,非线性越严重。为补偿附加磁场干扰,在传感器中加入补偿线圈。如图2（a）所示。产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通互相抵消,进行补偿。

传感器原理及应用

2.温度误差

当温度变化时相对误差为

γt≈(-4.5%)/10℃

采用热磁分流器。由大负温度系数的特殊磁性材料进行温度补偿。保持空气隙的工作磁通不随温度变化,维持传感器灵敏度为常数。

传感器原理及应用7.1.3测量电路

磁电式传感器是速度传感器,要获取被测位移、加速度,需要配用积分、微分电路。

传感器原理及应用传感器原理及应用7.1.4应用

传感器原理及应用7.1.4应用1.动圈式振动速度传感器传感器原理及应用

传感器与被测物体连接,物体振动时,传感器外壳和永久磁铁也振动,产生正比于振动速度的感应电动势,线圈的输出通过引线输出到测量电路。测量振动速度。传感器原理及应用在测量电路中接入积分电路,输出电势与位移成正比;测量电路中接入微分电路,输出与加速度成正比。

传感器原理及应用

2.磁电式扭矩传感器由永久磁场、感应线圈和铁芯组成。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。相位差与扭转角成正比。传感器把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。

传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用7.2霍尔式传感器是基于霍尔效应的一种传感器。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。该电势称霍尔电势。传感器原理及应用传感器原理及应用导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。每个电子受洛仑磁力fm的作用，

fm大小为fm=eBv传感器原理及应用传感器原理及应用电子在fm的作用下向上漂移,使金属导电板上底面积累电子,下底面积累正电荷,形成附加内电场EH霍尔电场电场强度为

EH=

传感器原理及应用

电子除受洛仑磁力作用外,还受到霍尔电场的作用力,当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反时,即传感器原理及应用

eEH=evB

则

EH=vB

此时电荷不再向两底面积累,达到平衡状态。

传感器原理及应用整理有

UH=RH

正比于激励电流及磁感应强度,灵敏度与霍尔常数RH成正比与霍尔片厚度d成反比。传感器原理及应用若磁感应强度B和元件平面法线方向成一角度θ时

UH=KHIBCOSθ利用霍尔效应实现磁电转换的传感器称为霍尔传感器。传感器原理及应用例如，选用KH=5mV／mA．kGs，控制电流为5mA的霍尔元件作线性测量元件，若要测量1Gs-10kGs的磁场.

根据则霍尔器件最低输出电势UH为UH=5mV／mA．KGs*5mA*10-3KGs=25μV最大输出电势为UH=5mV／mA．KGs*5mA*10kGs=250mVUH=KHIB传感器原理及应用作开关元件使用时，要选择灵敏度高的霍尔器件。例如KH=20mV／mA．kGs，控制电流为2mA，施加一个300Gs的磁场，则输出霍尔电势为UH=20mV／mA．KGs*2mA*300Gs=12mV这时选用一般的放大器即可满足。(UH=KHIB)传感器原理及应用RH=μρ霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率μ的乘积。霍尔效应强,则RH值大,要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。

传感器原理及应用金属材料载流子迁移率高,电阻率小。绝缘材料电阻率极高,载流子迁移率极低。半导体材料适于制造霍尔片。传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用2.霍尔元件基本结构

由霍尔片、引线和壳体组成,包括：激励电极；霍尔电极。传感器原理及应用7.2.2霍尔传感器基本电路

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，控制电流I；

负载RL，R可调保证控制电流，

B磁场与元件面垂直（向里）。实测中可把I*B作输入，也可把I或B单独做输入。通过霍尔电势输出测量结果。输出Uo与I或B成正比关系。传感器原理及应用传感器原理及应用

3.基本特性

1）额定激励电流和最大允许激励电流霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。元件允许最大温升所对应的激励电流称为最大允许激励电流。希望选用尽可能大的激励电流,传感器原理及应用

2）输入电阻和输出电阻激励电极间的电阻值称为输入电阻。

电源内阻为输出电阻。传感器原理及应用

3）不等位电势和不等位电阻

当激励电流为I时,若元件所处位置磁感应强度为零,则它的霍尔电势应该为零,但实际不为零。空载霍尔电势称不等位电势。传感器原理及应用

原因有:①霍尔电极安装位置不对称;②半导体材料不均匀造成电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀;③激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。

传感器原理及应用不等位电势可用不等位电阻表示是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压。

传感器原理及应用

4）寄生直流电势外加磁场为零,霍尔元件用交流激励,霍尔电极输出除了交流不等位电势,还有寄生直流电势。

原因有:传感器原理及应用①激励电极与霍尔电极接触不良,形成非欧姆接触,造成整流效果;②两个霍尔电极大小不对称,两个电极点的热容不同,散热状态不同形成极向温差电势。

传感器原理及应用

5）霍尔电势温度系数

在磁感应强度和激励电流下,温度每变化1℃时,霍尔电势变化的百分率。传感器原理及应用4.不等位电势补偿

要消除不等位电势,必须采用补偿的方法。为达到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联电阻,或在两个桥臂上同时并联电阻。

传感器原理及应用传感器原理及应用

5.霍尔元件温度补偿为减小温度误差,选用温度系数小的元件或采用恒温措施,

传感器原理及应用

由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电可以使霍尔电势稳定.。霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数,随温度的变化引起霍尔电势的变化。灵敏度系数与温度的关系可写成传感器原理及应用KH=KH0（1+αΔT）

温度系数α是正值,霍尔电势随温度升高而增加（1+αΔT）倍。让激励电流I相应地减小,保持KHI乘积不变,可抵消灵敏系数KH增加的影响。传感器原理及应用传感器原理及应用

电路中用一个分流电阻Rp与激励电极相并联。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Rp自动地分流,减少了霍尔元件的激励电流I,达到补偿的目的。传感器原理及应用在温度补偿电路中,电流值根据分流概念得

IH0=

温度升至T时,电路中各参数变为传感器原理及应用

Ri=Ri0（1+δΔT）Rp=Rp0（1+βΔT）

则

传感器原理及应用

当温度升高ΔT,为使霍尔电势不变,补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电势不变,即传感器原理及应用

UH0=UH

KH0IH0B=KHIHB则

KH0IH0=KHIH

经整理并略去α、β、(ΔT)2高次项后得

Rp0=

传感器原理及应用

当霍尔元件选定后,Ri0、δ及α是确定值。可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数β值。传感器原理及应用7.2.2应用1.微位移传感器

由于磁铁中间的磁感应强度B=0,霍尔元件输出的霍尔电势UH也等于零,位移Δx=0。传感器原理及应用

若霍尔元件在两磁铁中产生相对位移,霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变,这时UH不为零,其值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量。

传感器原理及应用传感器原理及应用7.2霍尔式传感器7.2.4霍尔传感器的应用传感器原理及应用霍尔传感器位移测量原理霍尔压力传感器结构原理传感器原理及应用传感器原理及应用霍尔元件和磁体运动方式2.转速传感器

磁性转盘的输入轴与被测转轴相连,当被测转轴转动时,磁性转盘随之转动,固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲,检测出单位时间的脉冲数,便可知被测转速。传感器原理及应用传感器原理及应用

3.计数装置

霍尔开关传感器SL3501是集成霍尔元件,能感受到的磁场变化,可对金属零件进行计数检测。

传感器原理及应用

当钢球通过霍尔开关传感器时,传感器可输出脉冲电压,经运算放大器放大后,驱动半导体三极管工作,VT输出端便可接计数器进行计数,由显示器显示检测数值。

传感器原理及应用传感器原理及应用检缺口检齿传感器原理及应用霍尔元件测位置霍尔元件测角度传感器原理及应用

线性集成电路(测位移、测振动)

传感器原理及应用形成切换回差

开关集成器件(测转速、开关控制、判断NS极性)

B’、B’’形成切换回差,这是位置式作用传感器的特点,

作无触点开关时可防止干扰引起的误动作。传感器原理及应用霍尔开关元件性能演示动画传感器原理及应用无触点开关传感器原理及应用接口电路传感器原理及应用

五、霍尔传感器的应用根据UH=KHIBcosθ，有三个方面应用.A.维持元件的输入激励电流I不变，使B变化、相对位置、相对角度改变，从而引起霍尔电势改变。传感器原理及应用应用有测磁场强度的高斯计、测转速的转速表、角位移测量仪、磁性产品计数器、霍尔式角度编码器、基于微小位移测量原理的霍尔加速度计、微压力计等.传感器原理及应用b.当I与B两者都作为变量时，传感器的输出与I、B的乘积成正比。应用有模拟乘法器、功率计等。传感器原理及应用c.保持磁感应强度恒定不变，利用UH与I成正比的关系，做成过流控制装置。传感器原理及应用主要用做无触点开关，与后级电路接口.如图所示，驱动几种常用元器件的接口电路。传感器原理及应用传感器原理及应用

1．接近开关

磁极的轴线与霍尔器件的轴线在同一直线上，当磁铁随运动部件移动到距霍尔器件几毫米时，霍尔器件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，运动部件停止移动。传感器原理及应用传感器原理及应用

2．霍尔转速表

在被测转速的转轴上安装一个齿盘，将霍尔器件及磁路系统靠近齿盘，随着齿盘的转动，磁路的磁阻也周期性地变化，测量霍尔器件输出的脉冲频率就可以确定被测物的转速.传感器原理及应用

3．角位移测量仪

霍尔器件与被测物连动，霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，霍尔电势EH就反映了转角θ的变化。传感器原理及应用传感器原理及应用

4．汽车无触点点火装置传感器原理及应用

发动机主轴带动磁轮鼓转动时，霍尔器件感受的磁场极性交替改变，传感器原理及应用

输出一连串与汽缸活塞运动同步的脉冲信号去触发晶体管功率开关，点火线圈二次侧产生很高的感应电压，火花塞产生火花放电，完成汽缸点火过程。传感器原理及应用

5．微压力传感器

被测压力p使弹性波纹膜盒膨胀，带动杠杆向上移动，使霍尔器件在磁路系统中运动，改变了霍尔器件感受的磁场大小及方向，引起霍尔电势的大小和极性的改变。用于测量微小压力的变化。传感器原理及应用传感器原理及应用

6．纱线定长和自停装置

霍尔元件H1和H2分别作为断线和定长的检测元件。传感器原理及应用传感器原理及应用

测长轮每转一圈，H2每输出一个脉冲对应的纱线长度就是2πR(R为测长轮半径).输出的脉冲被送至计数器EN端，然后由4位BCD计数器进行计数。控制原理为：测长轮上的磁体每掠过霍尔元件H2一次，H2便导通一次，输出一个低电平。传感器原理及应用

当计到预先设定的纱线长度值时，A1-A4均为高电平，控制门打开，输出低电平，使控制门2的输出为高电平，三极管T导通，继电器吸合，推动执行机构将机器停下，完成定长控制过程。纱线在运行中突然断裂，张力轮便因失去纱线的张力而下落，轮上的磁钢A紧靠霍尔元件H1,使H1由平时的关状态转为通态，引脚(3)输出低电平。传感器原理及应用

该低电平作用于控制门2后，同样会使继电器及关机执行机构动作，机器关停后等待操作人员处理断线。电路中，控制门2的输出端还与IC1的CL端连接，这样一旦发生断线，门2输出的高电平立即将IC1封住，不让计数器计数，避免因测长轮惯性转动而产生的误差计数现象。传感器原理及应用

应用还有许多:电流传感器、电度表、高斯计、液位计、加速度计等。传感器原理及应用

7.3新型磁学量传感器

应用霍尔效应开发出霍尔元件;应用磁敏电阻效应及半导体集成电路技术，开发出MR(磁敏电阻)、半导体磁敏器件新型磁敏元件与传感器；利用磁光旋转效应开发光磁通计；利用热敏铁氧体磁特性与温度的关系开发热敏磁开关等。传感器原理及应用磁敏传感器

传感器原理及应用磁敏元件也是基于磁电转换原理,60年代西门子公司研制了第一个磁敏元件,68年索尼公司研制成磁敏二极管,目前磁敏元件应用广泛。磁敏元件磁敏传感器主要有：磁敏电阻；磁敏二极管；磁敏三极管；霍尔式磁敏传感器。一、磁敏电阻

1．概念

简称MR元件，基于磁阻效应的磁敏元件。磁阻效应:当一载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化.当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。传感器原理及应用器件在电子参与导电的情况下，磁阻效应方程为

ρB=ρ。(1+0．273μ2B2)ρB为磁感应强度为B的电阻率；ρ。为零磁场下的电阻率；μ为电子迁移率；

传感器原理及应用

B为磁感应强度。当电阻率变化为Δρ=ρB-ρ。时，则电阻率的相对变化为

Δρ/ρ。=0．273μ2B2=Kμ2B2

主要性能:磁敏电阻施加磁场，其电阻值比未加磁场时发生明显的变化。传感器原理及应用磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。此时电阻率的相对变化与磁场强度和迁移率的关系可表达为Δρ/ρ。=K(μB)2[1-f(L/b)]

式中，L，b—分为电阻的长和宽；f(L/b)