第6章 磁电磁敏式传感器

1、主要内容：主要内容： 6.1 6.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.3 6.3 磁敏磁敏元元件件 ddENtWb利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）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。工作时不需要外加电源，就能转换成电信号的一种传感器。工作时不需要外加电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号（把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号（有源传感有源传感器器）。）。动钢型动钢型动圈型动圈型 恒磁通式恒磁通式传感器通常传感器通常用做用做机械振动测量机械振动测量。 结构大体分两种结构大体分两种

2、: : 动圈型动圈型 永久磁铁与壳固定永久磁铁与壳固定 动钢型动钢型 线圈与壳体线固定线圈与壳体线固定恒磁通式恒磁通式: : 磁路系统产生恒定磁场，运动部件是磁路系统产生恒定磁场，运动部件是线圈线圈也可也可以是以是磁铁磁铁。 磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之间磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之间作相对运动；磁路中磁阻的变化等；一般可将磁电感应式传作相对运动；磁路中磁阻的变化等；一般可将磁电感应式传感器分为感器分为恒磁通式恒磁通式和和变磁通式变磁通式两类。两类。变磁通变磁通式又称为变磁阻式，线圈、磁铁静止不动，感应电式又称为变磁阻式，线圈、磁铁静止不动，感应电动

3、式是由变化的磁通产生。根据磁路系统的结构不同又分动式是由变化的磁通产生。根据磁路系统的结构不同又分为：为：开磁路开磁路和和闭磁路闭磁路两种。两种。开磁路闭磁路（a）开磁路）开磁路 （b）闭磁路）闭磁路例如例如：测转速时：测转速时, , 转动物体（齿轮的凹凸）引起转动物体（齿轮的凹凸）引起磁阻或磁磁阻或磁 通通变化。变化。电压电压灵敏度灵敏度： 0/USV cm s由由 可确定可确定eNBlvsv SNBl 0/IISA cm sv电流电流灵敏度灵敏度: :ev 定义磁电感应式传感器灵敏度定义磁电感应式传感器灵敏度 对于结构确定的磁电式传感器，输出正比于运动速度对于结构确定的磁电式传感器，输出正

4、比于运动速度理想输出特性理想输出特性灵敏度灵敏度 为为常数常数 实际输出特性（灵敏度）是不线性的，实际输出特性（灵敏度）是不线性的， 偏离的原因：偏离的原因：当振动速度很小时（当振动速度很小时（a a），惯性力不），惯性力不足以克服传感器活动部件的足以克服传感器活动部件的静摩擦力静摩擦力，因此线圈与磁铁不存在相对运动，因此因此线圈与磁铁不存在相对运动，因此无输出；无输出；当当 a a时，惯性力克服静摩擦力，有相时，惯性力克服静摩擦力，有相对运动，但对运动，但摩擦阻尼摩擦阻尼使输出特性非线性；使输出特性非线性；当速度超过当速度超过 c c时时惯性惯性太大超过弹性形变太大超过弹性形变范围，输出出现

5、饱和；范围，输出出现饱和；传感器的运动速度通常工作在传感器的运动速度通常工作在( b ,b , c c)范范围之间，保证有足够的线性范围围之间，保证有足够的线性范围。灵敏度曲线灵敏度曲线超过弹性形变范围超过弹性形变范围输出出现饱和输出出现饱和n 直接输出直接输出电动势，测量速度信号；电动势，测量速度信号； 信号输出经测量电路转换：接入信号输出经测量电路转换：接入积分积分电路可测量电路可测量位移位移信信 号；接入号；接入微分微分电路可测量电路可测量加速度加速度信号。信号。esvxvtdvadt 磁电感应式传感器可直接输出感应电动势磁电感应式传感器可直接输出感应电动势，通常具有较高，通常具有较高的

6、灵敏度，对测量电路无特殊要求。的灵敏度，对测量电路无特殊要求。esvxvtdvadt位移位移速度速度加速度加速度v 速度经时间积分，可测量位移速度经时间积分，可测量位移01( )ciu tuu dtRC If CIi Re = uiu u0 0- -+ +xvt 0iutu dtvtx0UU/ifiIIuR 理想运放理想运放RC 称积分时间常数称积分时间常数根据根据001( )tfu tI dtC 设电容上初始电压为零，输出电压是输入电压对时间积分设电容上初始电压为零，输出电压是输入电压对时间积分uitu0tiuesvv 速度经微分电路速度经微分电路 可测量加速度可测量加速度 0( )iffd

7、uu tI RRCdt If RfIc Cuiu0- -+ +0UUcfII理想运放理想运放icduIcdt因为因为dvadtiuesv 0idudvutadtdt u0tuit磁电感应式传感器的特点磁电感应式传感器的特点磁电感应式传感器是磁电感应式传感器是惯性惯性式传感器，不需要静止的基准参式传感器，不需要静止的基准参考，可直接装在被测体上，适合作机械振动测量、转速测考，可直接装在被测体上，适合作机械振动测量、转速测量。量。磁电式传感器是磁电式传感器是一种一种有源传感器有源传感器，工作时无需加电压，直，工作时无需加电压，直接将机械能转化为电能输出。接将机械能转化为电能输出。测速度时，传感器的

8、输出电压正比于速度信号测速度时，传感器的输出电压正比于速度信号 ，可，可以直接放大。以直接放大。输出功率大输出功率大，稳定可靠，但传感器尺寸大、重，输出阻抗，稳定可靠，但传感器尺寸大、重，输出阻抗低，通常几十几千欧，对后置电路要求低，干扰小。低，通常几十几千欧，对后置电路要求低，干扰小。uv1 1、8 8圆形弹簧片；圆形弹簧片；2 2圆环形阻尼器；圆环形阻尼器；3 3永久磁铁；永久磁铁；4 4铝架；铝架；5 5芯芯轴；轴；6 6工作线圈；工作线圈；7 7壳体；壳体；9 9引线引线工作频率工作频率1010500500 HzHz最大可测加速度最大可测加速度5 50m/s0m/s2 2线性度线性度5

9、 5固有频率固有频率1212 HzHz可测位移范围可测位移范围0.10.110001000 外形尺寸外形尺寸45mm45mm160160 mmmm灵敏度灵敏度60600 0 mVmVs scmcm-1-1工作线圈内阻工作线圈内阻1.91.9kk质量质量0.70.7 kgkg磁敏传感器磁敏传感器磁学量磁学量电信号电信号 把一个导体（半导体薄片）两端通以电流，在垂直方向把一个导体（半导体薄片）两端通以电流，在垂直方向施加磁感强度施加磁感强度 B 的磁场，在导体薄片的另外两侧会产生的磁场，在导体薄片的另外两侧会产生一个与控制电流一个与控制电流 I 和磁场强度和磁场强度 B 的乘积成比例的电动势的乘积

10、成比例的电动势UH ，这种现象称，这种现象称霍尔效应霍尔效应。 霍尔电动势与磁场强度霍尔电动势与磁场强度B、 电流强度电流强度 I 有关有关HUIB霍尔传感器基于霍尔传感器基于霍尔效应霍尔效应 磁场强度磁场强度B 的方向改的方向改变时霍尔电动势的电变时霍尔电动势的电压极性也随之改变。压极性也随之改变。LbdBIHEIHUxyz半导体 在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动时每个电子在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动时每个电子受受洛仑兹力洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：作用被推向导体的另一侧： LFe BHHUEbHHFeE 磁场下导体中的电子运动时，因霍尔电势产生霍尔电场，磁场下导体中的电

11、子运动时，因霍尔电势产生霍尔电场，其中霍尔电场强度为：其中霍尔电场强度为：并有作用于电子的力：并有作用于电子的力： 当两作用力相等时电荷不再向两边积累达到动态平衡：当两作用力相等时电荷不再向两边积累达到动态平衡：HLFFHeEe BIne bd u 通过（半）导体薄片的通过（半）导体薄片的电流电流 I与下列因素有关：与下列因素有关：HUBb 霍尔电势为霍尔电势为HHUEb n 载流子浓度载流子浓度， v 电子运动速度电子运动速度，b d 导体薄片横截面积导体薄片横截面积 ，e 电子电荷量。电子电荷量。代入后：代入后：HHHIBIBUBbRK IBnedd 1HRne HHRKd与薄片尺寸有关与

12、薄片尺寸有关与材料有关与材料有关霍尔灵敏霍尔灵敏度度霍尔常数霍尔常数式中：式中：电阻率、电阻率、n 电子浓度、电子浓度、电子迁移率电子迁移率 = / E 单位电场强度作用下载流子运动速度。单位电场强度作用下载流子运动速度。 可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比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造霍尔元件;金属材料金属材料因电子浓度因电子浓度n很高，很高，RH 很小，灵敏度低，很小，灵敏度低，UH 很小很小;绝缘材料绝缘材料电阻率电阻率很大，但电子迁移率很大，但电子迁移率很

13、小，不适用；很小，不适用； 半导体材料半导体材料电阻率电阻率较大，电子迁移率较大，电子迁移率适中，非常适于做霍适中，非常适于做霍尔元件；尔元件；半导体中半导体中电子电子迁移率一般大于迁移率一般大于空穴空穴的迁移率，所以霍尔元件的迁移率，所以霍尔元件多采用多采用N 型半导体（多电子）型半导体（多电子）;由霍尔灵敏度可见由霍尔灵敏度可见:厚度厚度d越小霍尔灵敏度越小霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔越大，所以霍尔元件通常做的较薄，近似元件通常做的较薄，近似1微米微米(d1m)，工作电压很低工作电压很低。HHRKd1HRne HHUK IB 讨论讨论霍尔元件外形和符号霍尔元件外形和符号 霍尔元件的外形为矩

14、形薄片，有四根引线，霍尔元件的外形为矩形薄片，有四根引线，两端加激励，两端为输出，两端加激励，两端为输出，RL为负载电阻为负载电阻 ；电源电源E通过通过 Rp 控制激励电流控制激励电流 I；B 磁场与元件面垂直（向里）磁场与元件面垂直（向里） 实测中可把实测中可把 IB 作输入，作输入， 也可把也可把 I 或或 B单独做输入；单独做输入； 通过霍尔电势输出测量结果。通过霍尔电势输出测量结果。 输出输出UH与与I 或或B成正比关系，成正比关系， 或与或与 IB 成正比关系。成正比关系。 当霍尔元件通以激励电流当霍尔元件通以激励电流 I 时，若磁场时，若磁场 B=0，理论，理论上霍尔电势上霍尔电势

15、 UH=0，但实际，但实际 UH0，这时测得的空载，这时测得的空载电势称电势称不等位电势不等位电势 U0 。 产生的原因：产生的原因：霍尔引出电极安装不对称，霍尔引出电极安装不对称，不在同一等位面上，不在同一等位面上，或激励电极接触不良。或激励电极接触不良。半导体材料不均匀，几何尺寸半导体材料不均匀，几何尺寸不均匀，造成电阻率不均匀。不均匀，造成电阻率不均匀。HHUK IB(1) (1) 不等位电势不等位电势 不等位电势的补偿不等位电势的补偿 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不等位电压相当于桥路初始有路初始有不平衡输出不平衡

16、输出，U00，可在电阻大的，可在电阻大的桥臂上并联电阻。桥臂上并联电阻。 霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温度变化时，载流子浓度当温度变化时，载流子浓度n、迁移率、迁移率、电阻率、电阻率，霍尔系数霍尔系数RH都会变化。都会变化。0001()1HtHHKKttKT (2) (2) 温度误差及补偿温度误差及补偿 灵敏度与温度系数关系灵敏度与温度系数关系 恒流源补偿：恒流源补偿： 由由 UH = KH I B 可见，恒流源可见，恒流源 I 供电可使供电可使UH稳定，稳定， 但灵敏度系数但灵敏度系数 KH = RH /d = /d 也是温度

17、的函数，也是温度的函数， 温度温度T变化时，灵敏度变化时，灵敏度KH也变化。也变化。 恒流源补偿方法恒流源补偿方法: :在霍尔元件上并联一分流电阻在霍尔元件上并联一分流电阻RpI IH H R RININ当当T TI IP PU UH H 由于恒流源电流由于恒流源电流 I 不变，不变，R p自动增加自动增加分流，使分流，使 I p 增大，增大， IH 下降，下降，UH下降；下降； 补偿电阻补偿电阻 Rp 可选择负温度系数可选择负温度系数.I IH HR RP PT TI IP PU UH HKH = RH /d =/d 多数霍尔器件是多数霍尔器件是正温度系数正温度系数，T KH ，可通过减小，

18、可通过减小 I 保持保持 KHI 不变，抵消温度造成不变，抵消温度造成 KH 增加的影响。增加的影响。 位移测量；位移测量； 测转速；测转速； 测磁场；测磁场； 计数装置计数装置( (导磁产品导磁产品) )检缺口检缺口 检齿检齿霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁F只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突 起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。尔电势的变化，产生转速信号。 1.1.测转速测转速汽汽车车转转速速测测量量输出信号输出信号整形滤波整形滤波显示显示2.2.霍尔传感器霍尔传感器位移位移测量原理测量原理

19、在结构范围内在结构范围内位移位移测量线性好测量线性好霍尔传感器测电流霍尔传感器测电流铁心铁心 线性霍尔线性霍尔IC UH=KH IXB 霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件测量铁心测量铁心 气隙的气隙的B值值n 磁敏元件也是基于磁电转换原理磁敏元件也是基于磁电转换原理,60,60年代西门子公司研制年代西门子公司研制了第一个磁敏元件了第一个磁敏元件,68,68年索尼公司研制成磁敏二极管年索尼公司研制成磁敏二极管, ,目前目前磁敏元件应用广泛。磁敏元件应用广泛。磁敏元件磁敏元件主要有：磁敏元件主要有：霍尔元件；霍尔元件；磁敏电阻；磁敏电阻；磁敏二极管；磁敏二极管；

20、磁敏三极管磁敏三极管。220(1 0.273)BB（1） 磁阻效应磁阻效应 霍尔电场作用会抵消洛伦兹力，磁阻效应被大大减弱；霍尔电场作用会抵消洛伦兹力，磁阻效应被大大减弱； 由于霍尔电场强度与导体薄片的宽度由于霍尔电场强度与导体薄片的宽度b成反比关系，成反比关系， 磁阻效应还与元件的几何尺寸有关磁阻效应还与元件的几何尺寸有关。长方形样品长方形样品 扁条状长形扁条状长形 圆盘样品圆盘样品电阻变化很小电阻变化很小 磁阻变化明显磁阻变化明显 不产生霍尔电场不产生霍尔电场HHUEb长方形HHUEb 磁敏电阻磁敏电阻与与霍尔元件霍尔元件属同一类属同一类, ,都是磁电转换元件都是磁电转换元件, ,本质不同

21、是磁敏电阻没有判断极性的能力本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力, ,只有与只有与辅助材料辅助材料( (磁铁磁铁) )并用才具有识别磁极的能力并用才具有识别磁极的能力. .（2）磁敏电阻的输出特性）磁敏电阻的输出特性磁阻元件在工作时通常需要加偏置磁磁阻元件在工作时通常需要加偏置磁场，使磁敏电阻工作在线性区域。场，使磁敏电阻工作在线性区域。无偏置磁场时只能检测磁场不能无偏置磁场时只能检测磁场不能判别磁性。输出弱磁场时磁阻与判别磁性。输出弱磁场时磁阻与磁场关系为：磁场关系为： R =R0（1+MB2） R0 为零磁场内阻；为零磁场内阻； M 为零磁场系数；为零磁场系数；外加偏置磁场时磁阻具有极性，

22、外加偏置磁场时磁阻具有极性，相当在检测磁场外加了偏置磁场，相当在检测磁场外加了偏置磁场，工作点移到线性区，磁极性也作工作点移到线性区，磁极性也作为电阻值变化表现出来，这时电为电阻值变化表现出来，这时电阻值的变化为：阻值的变化为： R = RB（1+MB） RB 为加偏置磁场电阻为加偏置磁场电阻 器件特点：器件特点： P-N为掺杂区，本征区为掺杂区，本征区I长度较长构成高阻半导体；长度较长构成高阻半导体； 磁敏二极管在长磁敏二极管在长“基区基区”的一侧面设置了的一侧面设置了复合区复合区 r，r 面是个面是个 粗糙面，粗糙面，载流子复合速度非常高；载流子复合速度非常高； r 区对面是复合率很小的区

23、对面是复合率很小的光滑面，光滑面，载流子不易复合。载流子不易复合。（1）磁敏二极管（）磁敏二极管（锗管锗管2ACM2ACM，硅管，硅管2DCM2DCM） 工作过程：加工作过程：加正向电压正向电压时，空穴、电子同时注入时，空穴、电子同时注入 I 区区v 无磁场无磁场时时B = 0，大部分，大部分 P 区空穴注入区空穴注入 N 区，区，N 区电子注区电子注 入入 P 区形成电流；区形成电流；v 加正向磁场加正向磁场时，由于洛仑磁力作用，空穴电子偏向时，由于洛仑磁力作用，空穴电子偏向r区，区， 并在并在r区很快复合区很快复合 ，I 区载流子减小区载流子减小，电流减小，电流减小，相当，相当 于电阻增加压降增加于电阻增加压降增加 ；v 加反向磁场加反向磁场时，空穴电子偏向时，空穴电子偏向r区背面，复合减少，区背面，复合减少，I区载区载 流子增加，相当电阻减小电流增加流子增加，相当电阻减小电流增加，压降减小，压降减小。 以锗管以锗管NPNNPN型为例：型为例：磁敏三极管也是以长基区为特征，磁