第五章磁电梁

5.1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。5.1.1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(5-1)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：恒磁通式和变磁通式。变磁通式又称为磁阻式，图5-1是恒磁通式磁电传感器结构图。图5-2变磁通式磁电传感器结构图

(5-2)图5-1恒定磁通式磁电传感器结构原理图（a）动圈式；(b)动铁式(5-3)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。

图5-2变磁通式磁电传感器结构图(a)开磁路；(b)闭磁路5.1.2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7-3所示，磁电传感器的输出电流Io为（5-4)式中：Rf—测量电路输入电阻；

R—线圈等效电阻。

传感器的电流灵敏度为

（5-5)而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为

(5-6)(5-7)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

(5-8)5.1.3磁电感应式传感器的测量电路

图7-5磁电式传感器测量电路方框图

5.1.4磁电感应式传感器的应用

1.动圈式振动速度传感器

图7-6动圈式振动速度传感器

图7-7磁电式扭矩传感器工作原理图2.磁电式扭矩传感器5.2.1霍耳效应

通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。+I+++－－－－ＢlwdUHvfL原因：运动电荷受磁场洛仑兹力的作用。洛仑兹力：fE霍尔电场对载流子的作用力：I称为控制电流5.2霍耳式传感器+I+++－－－－ＢlwdUHvfL洛仑兹力：fE霍尔电场的作用力：洛仑兹力与电场力相等时，电荷的积累达到动态平衡。有：又：n---单位体积内载流子数所以：其中：为霍耳系数，由材料物理性质决定，反映霍尔效应的强弱。金属材料，电子浓度n很高，不适于作霍尔器件。霍耳器件全部采用半导体材料制成。令：则：KH

霍尔尔器件的灵敏度，除与材料特性有关外，与器件的厚度成反比，减小厚度可以提高灵敏敏度。但厚度太小会增大器件的输入输出电阻。

若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为θ时，霍耳电势应为：

UH＝KHIBcosθ

注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。5.2.2

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7-10（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7-10（b）所示。图7-10霍尔元件（a）外形结构示意图；（b）图形符号5.2.3.霍尔元件基本特性

(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。

(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。

(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，如图7-11所示。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；②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。图7-11不等位电势示意图不等位电势也可用不等位电阻表示，即（7-19）式中：U0——不等位电势；

r0——不等位电阻；

I——激励电流。由式（7-19）可以看出，不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压，如图7-11所示。

(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。

(5）霍尔电势温度系数在一定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称为霍尔电势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。

5.2.4

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。

图7-12为霍尔元件的等效电路，其中A、B为霍尔电极，C、D为激励电极，电极分布电阻分别用r1、r2、r3、r4表示，把它们看作电桥的四个桥臂。理想情况下，电极A、B处于同一等位面上，r1=r2=r3=r4，电桥平衡，不等位电势U0为0。实际上，由于A、B电极不在同一等位面上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电势不等于零。此时可根据A、B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电势为零。几种补偿线路如图7-13所示。图（a）、（b）为常见的补偿电路，图（b）、（c）相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻，图（d）用于交流供电的情况。

图7-12霍尔元件的等效电路图7-13不等位电势补偿电路

5.2.5霍尔元件温度补偿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。

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)

（7-20）式中：

KH0——温度T0时的KH值；

ΔT=T-T0——温度变化量；

α——霍尔电势温度系数。

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。图7-14就是按此思路设计的一个既简单，补偿效果又较好的补偿电路。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。

图7-14恒流温度补偿电路

在图7-14所示的温度补偿电路中，设初始温度为T0，霍尔元件输入电阻为Ri0，灵敏系数为KH0，分流电阻为Rp0，根据分流概念得（7-21）当温度升至T时，电路中各参数变为（7-22）（7-23）式中：δ——霍尔元件输入电阻温度系数；

β——分流电阻温度系数。则（7-24）

虽然温度升高了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UH0=UH，则KH0IH0B=KHIHB

（7-25）有KH0IH0=KHIH

（7-26）

将式（7-20）、（7-21）、（7-24）代入上式，经整理并略去αβ(ΔT)2