磁电式传感器4

第九章磁电式传感器

主要内容：

9.1磁电感应式传感器9.2霍尔式传感器1概述

导体和磁场发生相对运动时，在导体两端有感应电动势输出；磁电式传感器就是利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。磁电感应式传感器工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。是典型的有源传感器。特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低，通常在10—100HZ，适合作机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。磁电式传感器机械能电量2电感式传感器是把被测量转换成电感量的变化，磁电式传感器通过检测磁场的变化测量被测量。磁电传感器霍尔传感器测转速39.1磁电感应式传感器9.1.1工作原理

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的大小与穿过线圈的磁通Φ变化率有关。式中：B磁感应强度，N0线圈匝数，L每匝线圈长度，V运动速度4

磁电式传感器灵敏度：电流灵敏度:电压灵敏度：

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。由5图为开磁路变磁通式：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。6图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。7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。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。恒磁通式89.1.2磁电感应式传感器基本特性当测量电路接入磁电传感器电路时，如图所示，磁电传感器的输出电流Io为传感器的电流灵敏度为当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为（9-1）9

1.非线性误差磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是：由于传感器线圈内有电流I流过时，将产生一定的交变磁通φI，此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化,如图所示。当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时，将产生较大的感应电势e和较大的电流I，由此而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，从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。当线圈的运动速度与图所示方向相反时，感应电势e、线圈感应电流反向，所产生的附加磁场方向与工作磁场同向，从而增大了传感器的灵敏度。其结果是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，使传感器输出基波能量降低，谐波能量增加,即这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。显然，传感器灵敏度越高，线圈中电流越大，这种非线性越严重。10普通直流电动机使用的电刷和换向器KH=KH0(1+αΔT)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。两端加激励，两端为输出，RL为负载电阻；当温度变化时，式（9-1）中右边三项都不为零，对铜线而言每摄氏度变化量为dl/l≈0.当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1、u2存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比，传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。①利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如：当线圈的运动速度与图所示方向相反时，感应电势e、线圈感应电流反向，所产生的附加磁场方向与工作磁场同向，从而增大了传感器的灵敏度。(3）不等位电势和不等位电阻实际应用中磁敏元件主要用于检测磁场，而与人们相关的磁场范围很宽，一般的磁敏传感器检测的最低磁场只能到高斯。磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势但也只能是减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流I的变化的影响。2磁电感应式传感器基本特性传感器电流的磁场效应112.温度误差当温度变化时，式（9-1）中右边三项都不为零，对铜线而言每摄氏度变化量为dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2，dB/B每摄氏度的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，这样由式（9-1）可得近似值如下：这一数值是很可观的，所以需要进行温度补偿。补偿通常采用热磁分流器。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已将空气隙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，从而保持空气隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。129.1.3磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器通常用来做机械振动测量。振动传感器结构大体分两种：①动钢型（线圈与壳体固定）②动圈型（永久磁铁与壳固定）动圈型动钢型13信号输出测量电路直接输出电动势测量速度；接入积分电路测量位移；接入微分电路测量加速度。14

磁电式扭距传感器：当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1、u2存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比，传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。转轴测量电路磁电传感器1磁电传感器2齿型转盘u1u2u

15磁电式振动传感器的特点：磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要静止的基准参考，可直接装在被测体上。传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械能转化为电能输出。速度传感器的输出电压正比于速度信号，便于直接放大。输出阻抗低几十～几千欧，对后置电路要求低，干扰小。航空，发动机等设备的振动实验；兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射；民用，机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。169.2霍尔式传感器

实际应用中磁敏元件主要用于检测磁场，而与人们相关的磁场范围很宽，一般的磁敏传感器检测的最低磁场只能到高斯。

磁场强度与磁场源的分布17测磁的方法：

①利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如：磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器；②利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件测量磁场；③利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器；④利用超导效应传感器，SQVID约瑟夫元件；⑤利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，微型化和集成化方向发展。18概述霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换原理，磁敏传感器是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。磁敏传感器磁学量电信号199.2.1霍尔效应1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传感器是基于霍尔效应。把一个导体（半导体薄片）两端通以电流I，在垂直方向施加磁感强度B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势。或通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I与磁场B方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。

2021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。22在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：

霍尔电场作用于电子的力霍尔电场当两作用力相等时电荷不再向两边积累达到动态平衡：23霍尔电势：通过（半）导体薄片的电流I与下列因素有关：载流子浓度n，电子运动速度v，导体薄片横截面积b*d，e为电子电荷量。代入后：与材料有关霍尔常数霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比与薄片尺寸有关霍尔灵敏度式中：ρ—电阻率、n—电子浓度μ—电子迁移率μ=υ/E

单位电场强度作用下载流子运动速度。24磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势

若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度

时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos

，这时的霍尔电势为

UH=KHIBcos

结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。

25讨论：

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ρ很大，电子迁移率μ很小，不适用；金属材料电子浓度n很高，RH很小，UH很小;

半导体材料电阻率ρ较大RH大，非常适于做霍尔元件，半导体中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(d≈1μm)

。269.2.2霍尔元件的基本结构与基本测量电路1.霍尔元件基本结构霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的，如图（a）所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线：1、1′两根引线加激励电压或电流，称激励电极（控制电极）；2、2′引线为霍尔输出引线，称霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的。在电路中，霍尔元件一般可用两种符号表示，如图（b）所示。27

国产霍尔元件别号的命名方法如下：常见的国产霍尔元件型号有HZ—1、HZ—2、HZ—3、HT—1、HT—2、HS—1等。282.霍尔传感器基本电路霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线，两端加激励，两端为输出，RL为负载电阻；电源E通过R控制激励电流I；

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，或与I*B成正比关系。29霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，为了获得较大的霍尔电压，可将几个霍尔元件的输出串联起来，如图所示，在这种连接方法中，激励电流极应该是并联的，如果将其接成串联，霍尔元件将不能正常工作，虽然霍尔元件的串联可以增加输出电压，但其输出电阻也将增大。30霍尔元件的输出电路31霍尔元件输出叠加连接方式32霍尔式位移传感器原理示意图339.2.3霍尔元件的主要技术参数(1)额定激励电流和最大允许激励电流当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以使用中希望选用尽可能大的激励电流，因而需要知道元件的最大允许激励电流。改善霍尔元件的散热条件，可以使激励电流增加。34(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。霍尔电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在20℃±5℃时所确定的。35当霍尔元件的激励电流为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。国产霍尔元件别号的命名方法如下：当测量电路接入磁电传感器电路时，如图所示，磁电传感器的输出电流Io为当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。3霍尔元件的主要技术参数每转动一个齿，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。⑤利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为回差越大，抗振动干扰能力就越强。当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时，将产生较大的感应电势e和较大的电流I，由此而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，从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。①利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如：回差越大，抗振动干扰能力就越强。为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定。2.齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。(3）不等位电势和不等位电阻

当霍尔元件的激励电流为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。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。产生这一现象的原因有：①霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；

36②半导体材料不均匀造成了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。

37(4）寄生直流电势在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。其产生的原因有：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，则两个电极点的热容不同，散热状态不同而形成极间温差电势。寄生直流电势一般在1mV以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。389.2.4测量误差及误差的补偿

1.霍尔元件不等位电势补偿

不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电势。39不等位电势的补偿：分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥，不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出U0≠0，可在电阻大的桥臂上并联电阻。40霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定。但也只能是减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流I的变化的影响。41霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数，它随温度变化将引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成KH=KH0(1+αΔT)

大多数霍尔元件的温度系数α是正值，它们的霍尔电势随温度升高而增加αΔT倍。但如果同时让激励电流Is相应地减小，并能保持KH·Is乘积不变，也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。42电路中Is为恒流源，分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极相并联。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自动地增大分流，减小了霍尔元件的激励电流IH，从而达到补偿的目的。43

霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。线性型三端霍尔集成电路9.2.5霍尔集成传感器44线性型霍尔特性右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时，输出为正；磁场反向时，输出为负。请画出线性范围45开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。46开关型霍尔集成电路的外形及内部电路OC门施密特触发电路双端输入、单端输出运放霍尔元件.Vcc47开关型霍尔集成电路的史密特输出特性

回差越大，抗振动干扰能力就越强。489.2.6霍尔传感器的应用霍尔电势是关于I、B、

三个变量的函数，即EH=KHIBcos

。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。49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50

霍尔转速表在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。SN线性霍尔磁铁5152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。53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54霍尔式无触点汽车电子点火装置

采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。

汽车点火线圈高压输出接头12V低压电源输入接头552霍尔式传感器若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为当霍尔元件的激励电流为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。当磁场为零时，它的输出电压等于零；电路中Is为恒流源，分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极相并联。以制造霍尔元件;实测中可把I*B作输入，兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射；霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。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。产生这一现象的原因有：②两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同，散热状态不同而形成极间温差电势