第6章磁敏式传感器

1、第第 6 章章 磁敏式传感器磁敏式传感器6.1 6.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 B B16.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 A A6.3 6.3 磁敏电阻器磁敏电阻器 B B36.4 6.4 磁敏式传感器的应用磁敏式传感器的应用 C C424 磁敏式传感器是通过磁敏式传感器是通过磁电作用磁电作用将被测量（如将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。磁敏式传感器种类不同，其原理也不完感器。磁敏式传感器种类不同，其原理也不完全相同，因此各有各的特点和应用范围。全相同，因此各有各的特点和应用范围。 概述 概述 概述 磁电感应式传

2、感器也称为磁电感应式传感器也称为电动式电动式或或感应式感应式传感器。传感器。磁电感应式传感器是利用磁电感应式传感器是利用导体导体和和磁场磁场发生发生相对运动相对运动产生产生电动势电动势的，不需要辅助电源的，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就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是的电信号，是有源有源传感器。传感器。由于它输出功率大且性能稳定，具有一定由于它输出功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽（的工作带宽（10101000 Hz1000 Hz），所以得到普），所以得到普遍的应用。遍的应用。 6.1 磁电感应式传感器 6.1.1 6.1.1 磁电感应式传感器工作原理磁电

3、感应式传感器工作原理根据根据电磁感应定律电磁感应定律，当，当w w匝线圈在恒定磁场内运动匝线圈在恒定磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电势，则线圈内的感应电势E E与磁通变化率与磁通变化率d/dtd/dt有如下关系：有如下关系： 根据这一原理，可以设计成两种磁电传感器结构：根据这一原理，可以设计成两种磁电传感器结构：变磁变磁通式和通式和恒磁恒磁通式。通式。NoImage(6 1)dEwdt 6.1 磁电感应式传感器 图图6-16-1（a a）为开磁路变磁通式：）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测量齿轮线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随之

4、一起安装在被测旋转体上，随之一起转动。每转动一个齿，齿的凹凸转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路引起磁路磁阻磁阻变化一次，变化一次，磁通磁通也也就变化一次，线圈中产生就变化一次，线圈中产生感应电感应电势势，其变化频率等于被测转速与，其变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。这种传感测量齿轮齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，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且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速。不宜测量高转速。6.1 磁电感应式传感器1 1、变磁通式磁电传感器、变磁通式磁电传感器图图6-16-1（a a）测量旋转物体角速度）测量旋转物体角速度 图图6-

5、16-1（b b）为闭磁路变磁通式，它由装）为闭磁路变磁通式，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁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。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、外齿动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使轮的相对转动使气隙磁阻气隙磁阻产生周期性变产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线化，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生电动势。感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。应电势的频率与被测转速成正

6、比。6.1 磁电感应式传感器图图6-16-1（b b）2 2、恒磁通式磁电传感器、恒磁通式磁电传感器6.1.1 磁电感应式传感器磁路系统产生磁路系统产生恒定的直流磁场恒定的直流磁场，磁，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙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。其运动部件中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动圈式），当壳体随被可以是线圈（动圈式），当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，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，足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来

7、不及随振动体运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动。振动能量一起振动，近乎静止不动。振动能量几乎全被弹簧吸收，几乎全被弹簧吸收，永久磁铁永久磁铁与与线圈线圈之间的之间的相对运动速度相对运动速度接近于振动体接近于振动体振振动速度动速度，磁铁与线圈的相对运动，磁铁与线圈的相对运动切割切割磁力线磁力线，从而产生感应电势。，从而产生感应电势。补偿线圈通以经放大补偿线圈通以经放大K K倍的电流，适当选择倍的电流，适当选择补偿线圈参数，可使补偿线圈参数，可使交变磁通与传感器的交变磁通与传感器的交变磁通相互抵消交变磁通相互抵消其运动部件也可以是磁铁（动其运动部件也可以是磁铁（动铁式），动圈式

8、和动铁式的工铁式），动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的。作原理是完全相同的。6.1.1 磁电感应式传感器图图6-2 6-2 恒磁通式磁电传感器结构原理图恒磁通式磁电传感器结构原理图产生感应电势为产生感应电势为: : 式中：式中： B B0 0工作气隙磁感应强度；工作气隙磁感应强度； L L每匝线圈平均长度；每匝线圈平均长度； w w线圈在工作气隙磁场中的匝数；线圈在工作气隙磁场中的匝数； v v相对运动速度。相对运动速度。0(62)EB Lwv 6.1 磁电感应式传感器6.1.2 6.1.2 磁电感应式传感器基本特性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中，磁电传感器当测量电路

9、接入磁电传感器电路中，磁电传感器的输出电流的输出电流I I为为: : （6-36-3）式中：式中： R Rf f测量电路输入电阻；测量电路输入电阻； R R 线圈等效电阻。线圈等效电阻。传感器的传感器的电流灵敏度电流灵敏度为为: :NoImage00ffB LwvEIRRRR00(64)IfIB LwSvRR6.1 磁电感应式传感器而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为: : 当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、 机机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化而产生测量误差。械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化而产

10、生测量误差。相对误差为相对误差为 磁电式传感器在使用时存在误差，磁电式传感器在使用时存在误差， 主要为主要为非线性非线性误差和误差和温度温度误差。误差。000(65)fffB LwvRUI RRR00(66)fUfB Lw RUSvRR(67)IIdsdBdLdRsBLR6.1 磁电感应式传感器图图6-3 6-3 传感器电流的磁场效应传感器电流的磁场效应1) 1) 非线性误差非线性误差主要原因：由于传感器线圈内有电流主要原因：由于传感器线圈内有电流I I流过时，将产生一流过时，将产生一定的交变磁通定的交变磁通 ，此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的，此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒

11、定的气隙磁通变化如图工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化如图6-36-3所示所示。 6.1 磁电感应式传感器当产生较大感生电势当产生较大感生电势E E和较大和较大电流电流I I，由此产生的附加磁场，由此产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，方向与原工作磁场方向相反，减弱工作磁场作用，此时灵减弱工作磁场作用，此时灵敏度减小，反之，灵敏度增敏度减小，反之，灵敏度增加。补偿附加磁场干扰，加加。补偿附加磁场干扰，加补偿线圈补偿线圈图图6-2a6-2aI2 2）温度误差温度误差 当温度变化时，当温度变化时，式（式（6-76-7）中右边三项都不为零，对铜线而中右边三项都不为零，对铜线而言每摄氏度变化量为言每

12、摄氏度变化量为dL/L0.167dL/L0.16710-410-4，dR/R0.43dR/R0.4310-210-2，dB/BdB/B每摄氏度的变化量取决于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴每摄氏度的变化量取决于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金，永久磁合金，dB/B-0.02dB/B-0.0210-210-2，这样由式（，这样由式（6-76-7）可得近似）可得近似值：值： 这一数值是很可观的，所以需要进行温度补偿。补偿通常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

13、将空气隙磁通分路掉一小部分。成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。 6.1 磁电感应式传感器4.5% 10tC 磁电式传感器直接输出感应电动势，且传感器通常具磁电式传感器直接输出感应电动势，且传感器通常具有较高的灵敏度，不需要高增益放大器。但磁电式传感器是有较高的灵敏度，不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测速度传感器，若要获取被测位移位移或或加速度加速度信号，则需要配用信号，则需要配用积分积分或或微分微分电路。图电路。图6-46-4为一般测量电路方框图。为一般测量电路方框图。图图6-4 6-4 磁电感应式传感器测量电路方框图磁电感应式传感器测量电路方框图6

14、.1 磁电感应式传感器6.1.3 6.1.3 磁电感应式传感器测量电路磁电感应式传感器测量电路 在磁场中有在磁场中有电磁效应电磁效应（霍尔效应）而载流半（霍尔效应）而载流半导体输出电动势的一种传感器。导体输出电动势的一种传感器。 随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。发展。广泛用于电磁测量电流、磁场、压力、加速度、广泛用于电磁测量电流、磁场、压力、加速度、振动等方面的测量。振动等方面的测量。 6.2 霍尔传感器6.2.1 6.2.1 霍尔效应及霍尔元件霍尔效应

15、及霍尔元件1 1）霍尔效应霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体，当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它的电流方向与磁场方向不一致时（右手定则），载流导体上平时（右手定则），载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍之间产生电动势，这种现象称霍尔效应，该电势称尔效应，该电势称霍尔电势霍尔电势，半，半导体薄片称霍尔元件。导体薄片称霍尔元件。图图6-56-5所示，在垂直于外磁场所示，在垂直于外磁场B B的的方向上放置一个导电板，导电板方向上放置一个导电板，导电板通以电流通以电流I I，方向如图所示。，方向如图所示。NoImag

16、e图图6-5 6-5 霍尔效应原理图霍尔效应原理图6.2 霍尔传感器6.2 霍尔传感器导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下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。此时，每个电子受洛仑磁力的定向运动。此时，每个电子受洛仑磁力FmFm的作的作用（左手定则），用（左手定则），FmFm的大小为：的大小为：式中：式中：e e- -电子电荷；电子电荷； v v- -电子运动平均速度；电子运动平均速度； B B- -磁场的磁感应强度。磁场的磁感应强度。 mFevB 6.2 霍尔传感器 则则 此时电荷不再向两底面积累，达到平衡状态。此时电荷不再向两底面积累，达到平衡状态。 NoImage(

17、610)HHUEb(6 11)HeEevB (6 12)HEvB(6 13)HUbvB6.2 霍尔传感器FmFm的方向在的方向在图图6-56-5中是向里的，此时电子除了沿电流反方向中是向里的，此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在作定向运动外，还在FmFm的作用由外向里漂移，结果使金属导电的作用由外向里漂移，结果使金属导电板里底面积累电子，而外底面积累正电荷，从而形成了附加内板里底面积累电子，而外底面积累正电荷，从而形成了附加内电场电场E EH H，称霍尔电场，该电场强度为，称霍尔电场，该电场强度为: : 若金属导电板单位体积内电子数为若金属导电板单位体积内电子数为n n，电子定向运动平均

18、，电子定向运动平均速度为速度为v v，则激励电流，则激励电流I=nvbdI=nvbd（-e-e），则），则: : 将式（将式（6-146-14）代入式（）代入式（6-126-12）得）得: : 将上式代入式（将上式代入式（6-106-10）得）得: : 6 14Ivbdne （ ）615HIBEbdne （）616HIBUned （）6.2 霍尔传感器式中令式中令R RH H = = -1/-1/（nene），称之为），称之为霍尔常数霍尔常数， 其大小取决于导体载流子密度，则其大小取决于导体载流子密度，则: : 式中式中: :K KH H=R=RH H/d/d称为称为霍尔片的灵敏度霍尔片的灵敏

19、度， 指在单位磁感应强度和单位控制电流作用指在单位磁感应强度和单位控制电流作用 时所能输出的霍尔电势的大小。时所能输出的霍尔电势的大小。由式（由式（6-176-17）可见：）可见： 霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度， 灵敏度与霍尔常数灵敏度与霍尔常数R RH H成正比而与霍尔片厚度成正比而与霍尔片厚度d d成反比。成反比。 为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。HHHIBURK IBd6.2 霍尔传感器617（）对霍尔片材料的要求，对霍尔片材料的要求， 希望有较大的霍尔常数希望有较大的霍尔常数R RH H， 霍尔元件

20、激励极间电阻霍尔元件激励极间电阻 ， 同时，同时， 其中其中U UI I为加在霍尔元件两端的激励电压，为加在霍尔元件两端的激励电压，E EI I为霍尔为霍尔 元件激励极间内电场，元件激励极间内电场，v v为电子移动的平均速度。为电子移动的平均速度。 则：则：6.2 霍尔传感器/()RLbdIIUE LvLRIIunevbd(620)LLbdnebd 解得解得 : : NoImage(621)HR6.2 霍尔传感器从式（从式（6-216-21）可知，霍尔常数等于霍尔片材料）可知，霍尔常数等于霍尔片材料的电子迁移率的电子迁移率与电阻率的乘积。若要霍尔效应与电阻率的乘积。若要霍尔效应强，即霍尔电势大

21、，则强，即霍尔电势大，则R RH H值大，因此要求霍尔片值大，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。材料有较大的电阻率和载流子迁移率。 一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小； 而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低； 故只有半导体材料适于制造霍尔片。故只有半导体材料适于制造霍尔片。 目前常用材料有：锗、目前常用材料有：锗、 硅、砷化铟、硅、砷化铟、 锑化铟等半导体材料。锑化铟等半导体材料。其中其中N N型锗易加工制造，霍尔系数、温度性能和线性度都较好；型锗易加工制造，霍尔系数、温度性能和线性

22、度都较好；N N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N N型锗相近；型锗相近； 锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。温时其霍尔系数较大。 砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。 书中表书中表6-2 6-2 为常用国产霍尔元件的技术参数。为常用国产霍尔元件的技术参数。6.2 霍尔传感器 此外，霍尔电势的大小还与霍尔元件的几何此外，霍尔电势的大小还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵

23、敏度越大越好，尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件的厚度霍尔元件的厚度d d与与K KH H成反比，因此，霍尔元件成反比，因此，霍尔元件的厚度越小，其灵敏度越高。当霍尔元件的宽度的厚度越小，其灵敏度越高。当霍尔元件的宽度b b加大，或加大，或 减小时，载流子在偏转过程中的损减小时，载流子在偏转过程中的损失将加大，使失将加大，使U UH H下降。通常要对下降。通常要对式（式（6-176-17）加以加以形状效应修正：形状效应修正： NoImage6.2 霍尔传感器( )(623)HHLUK IBfbLb式中，式中， 为形状效应系数，其修正值如表为形状效应系数，其修正值如表6-16-1

24、所示。所示。( )Lfb6.2 霍尔传感器L b()Lfb0.51.01.52.02.53.04.00.3700.6750.8410.9230.9670.9840.996表表6-1 6-1 形状效应系数形状效应系数 霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成，如霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成，如图图6-66-6（a a）所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出）所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。四个引线。1 1、11两根引线加激励电压或电流，称为激励电两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；极；2 2、22引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件引

25、线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图尔元件可用两种符号表示，如图6-66-6（b b）所示。）所示。 6.2 霍尔传感器图图6-6 6-6 霍尔元件霍尔元件2 2）霍尔元件基本结构）霍尔元件基本结构3 3）霍尔元件基本特性）霍尔元件基本特性额定激励电流和最大允许激励电流额定激励电流和最大允许激励电流输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 不等位电势不等位电势和和不等位电阻不等位电阻 6.2 霍尔传感器图图6-7 6-7 不等位电阻不等位电阻元件自身温升元件自身温

26、升1010，所流过的，所流过的激励电流激励电流以元件允许最大以元件允许最大温升为限制所对温升为限制所对应的激励电流应的激励电流激励电极间激励电极间的电阻值的电阻值霍尔电极输霍尔电极输出电势的输出电势的输出电阻出电阻当霍尔元件的激励电流为当霍尔元件的激励电流为I I时，若元件所处位置磁感应时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零，应该为零，但实际不为零，此时测得的此时测得的空载霍尔电势空载霍尔电势称称不等位电势。不等位电势。寄生直流电势寄生直流电势 在外加磁场为零，霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出在外加磁场为零，霍尔元件用交流激励时，霍尔电

27、极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，为寄生直流电势。除了交流不等位电势外，还有一直流电势，为寄生直流电势。霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1 1时霍尔电时霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。见书表势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。见书表6-2.6-2.原因：原因：霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或几何尺寸不均匀；半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布激励电极

28、接触不良造成激励电流不均匀分布不等位电势可用不等位电阻表示：不等位电势可用不等位电阻表示：式中：式中：U U0 0为不等位电势，为不等位电势，r r0 0为不等位电阻；为不等位电阻；I IH H为激励电流为激励电流00HUrI原因：激励电原因：激励电极与霍尔电极极与霍尔电极接触不良；两接触不良；两个霍尔电极大个霍尔电极大小不对称小不对称6.2 霍尔传感器6.2.2 6.2.2 霍尔传感器的基本电路霍尔传感器的基本电路1 1）简单的恒电压工作电路）简单的恒电压工作电路 6.2 霍尔传感器图图6-8 6-8 霍尔传感器的恒电压工作电路霍尔传感器的恒电压工作电路恒电压工作电路如图恒电压工作电路如图6

29、-86-8所示，是一种非常所示，是一种非常简单的施加控制电流简单的施加控制电流的方法。恒电压工作的方法。恒电压工作电路比较适合于精度电路比较适合于精度要求不是很高的数字要求不是很高的数字方面的应用，例如录方面的应用，例如录像机的电动机位置检像机的电动机位置检测等。测等。 6.2 霍尔传感器（1 1）恒电压工作时的输出电压：）恒电压工作时的输出电压：1V1V电压驱动，测量电压驱动，测量0.1T0.1T的的磁场时，磁场时，SHS210SHS210输出电压输出电压2155mv2155mv。（2 2）输入电阻的影响：恒电压工作时性能变坏的主要原因）输入电阻的影响：恒电压工作时性能变坏的主要原因是存在霍

30、尔效应传感器输入电阻的温度系数及磁阻效应（在是存在霍尔效应传感器输入电阻的温度系数及磁阻效应（在磁场作用下电阻值变大的现象）磁场作用下电阻值变大的现象） 6.2 霍尔传感器图图6-9 6-9 霍尔传感器的恒电流工作电路霍尔传感器的恒电流工作电路2 2）简单的恒电流工作电路）简单的恒电流工作电路霍尔效应传感器的恒电流霍尔效应传感器的恒电流工作电路适于高精度测量，工作电路适于高精度测量，可以充分发挥霍尔效应传可以充分发挥霍尔效应传感器的性能。在恒电流工感器的性能。在恒电流工作时输出特性不受输入电作时输出特性不受输入电阻温度系数以及磁阻效应阻温度系数以及磁阻效应的影响。当然，与恒电压的影响。当然，与

31、恒电压工作电路相比，某些电路工作电路相比，某些电路会变得复杂，不过这个问会变得复杂，不过这个问题不那么严重。霍尔效应题不那么严重。霍尔效应传感器的恒电流工作电路传感器的恒电流工作电路如图如图6-96-9所示。所示。 6.2 霍尔传感器图图6-10 6-10 （a a） 一个运算放大器构成的差动放大器一个运算放大器构成的差动放大器3 3）霍尔效应传感器放大电路基本的差动放大电路）霍尔效应传感器放大电路基本的差动放大电路霍尔效应传感器的霍尔效应传感器的输出电压通常只有数输出电压通常只有数毫伏至数百毫伏，因毫伏至数百毫伏，因而需要有放大电路。而需要有放大电路。霍尔效应传感器是一霍尔效应传感器是一种种

32、4 4端器件，为了消除端器件，为了消除非磁场因素引入的同非磁场因素引入的同向电压的影响，必须向电压的影响，必须构成差动放大器，如构成差动放大器，如图图6-106-10。A=RA=R1 1/R/R3 3若不将放大器的输入若不将放大器的输入电阻增加到大于霍尔电阻增加到大于霍尔效应传感器电阻的程效应传感器电阻的程度，误差就会变大度，误差就会变大图图6-10 b 36-10 b 3个运算放大器构成的差动放大器个运算放大器构成的差动放大器6.2 霍尔传感器A=1+2RA=1+2R2 2/R/R1 1在图在图6-106-10的电路中，既可以使用霍尔效应传感的电路中，既可以使用霍尔效应传感器的交流电压输出，

33、也可以使用它的直流输出，器的交流电压输出，也可以使用它的直流输出，则可以构成如图则可以构成如图6-116-11所示的电路，使用了隔直所示的电路，使用了隔直流电容器。流电容器。6.2 霍尔传感器I Ig g：电容器的漏：电容器的漏电 流 （ 直 流 成电 流 （ 直 流 成分）。分）。 I Ig g在在R R2 2上上产生产生I Ig g * *R R2 2电压降，电压降，此压降作为不平此压降作为不平衡电压，将影响衡电压，将影响UoutUout的稳定性，的稳定性，选用漏电流小的选用漏电流小的电容器降低此影电容器降低此影响。响。图图6-11 a 6-11 a 电容器漏电流的影响电容器漏电流的影响霍

34、尔效应传感器工作电压一半霍尔效应传感器工作电压一半大小的电压加在大小的电压加在C2C2上，因此上，因此C2C2上漏过的电流相对较大，在上漏过的电流相对较大，在C1C1上几乎无电流，通过差分放上几乎无电流，通过差分放大器表现为不平衡电压。大器表现为不平衡电压。6.2 霍尔传感器图图6-11 b 36-11 b 3个运算放大器构成的差动放大（个运算放大器构成的差动放大（1 1）C1C1和和C2C2上漏过相上漏过相同的电流，漏电同的电流，漏电流的影响减少。流的影响减少。6.2 霍尔传感器图图6-11 c 36-11 c 3个运算放大器构成的差动放大（个运算放大器构成的差动放大（1 1）几乎无直流电压

35、加几乎无直流电压加到电容器上，大约到电容器上，大约只有霍尔效应传感只有霍尔效应传感器输出电压的大小，器输出电压的大小，即数毫伏至数百毫即数毫伏至数百毫伏，漏电流非常小，伏，漏电流非常小，且放大器输入电阻且放大器输入电阻非常大。非常大。6.2.3 6.2.3 霍尔元件的霍尔元件的补偿电路补偿电路1 1）霍尔元件）霍尔元件不等位电势不等位电势补偿补偿 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，因而必须采用补偿的方法。如图霍尔电势，因而必须采用补偿的方法。如图 6-12 6-12 所示所示。6.2 霍尔传感器图图6-126-12不

36、等位电势补偿电路不等位电势补偿电路 其中其中A A、B B为激励电极，为激励电极，C C、D D为霍尔电极，极分布电阻分别用为霍尔电极，极分布电阻分别用R1R1、 R2R2、 R3R3、 R4R4表示。理想情表示。理想情况下，况下，R1=R2=R3=R4R1=R2=R3=R4，即可取得零，即可取得零位电势为零（或零位电阻为零）。位电势为零（或零位电阻为零）。 实际上，由于不等位实际上，由于不等位电阻的存在，说明此四个电阻的存在，说明此四个电阻值不相等，可将其视电阻值不相等，可将其视为电桥的四个桥臂，则电为电桥的四个桥臂，则电桥不平衡。为使其达到平桥不平衡。为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂衡，

37、可在阻值较大的桥臂上并联电阻（如图上并联电阻（如图6-126-12（a a）所示），或在两个）所示），或在两个桥臂上同时并联电阻（如桥臂上同时并联电阻（如图图6-126-12（b b）所示）。）所示）。6.2 霍尔传感器图图6-126-12不等位电势补偿电路不等位电势补偿电路2 2）霍尔元件）霍尔元件温度温度补偿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。数都具有较大的温度系数。A A 选用温度系数小的元件或采用恒温措施选用温度系数小的元件或采用恒温措施B B 由由U UH H=K=KH HIBIB可看出：采用恒流

38、源供电是个有效措施，可以可看出：采用恒流源供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定。但也只能减小由于输入电阻随温度变使霍尔电势稳定。但也只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流化而引起的激励电流I I变化所带来的影响。变化所带来的影响。C C 霍尔元件的灵敏系数霍尔元件的灵敏系数K KH H也是温度的函数，它随温度的变也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数与温度化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：的关系可写成： 6.2 霍尔传感器式中：式中： K KHOHO-温度温度T T0 0时的时的K KH H值；值；T=T-TT=T-T0 0-

39、温度变化量；温度变化量； -霍尔电势温度系数。霍尔电势温度系数。大多数霍尔元件的温度系数大多数霍尔元件的温度系数是正值，它们的霍尔电势是正值，它们的霍尔电势随温度升高而增加（随温度升高而增加（1+T1+T）倍。）倍。 如果，与此同时让激励电流如果，与此同时让激励电流I I相应地减小，并能保持相应地减小，并能保持K KH HI I乘积不变，也就抵消了灵敏系数乘积不变，也就抵消了灵敏系数K KH H增加的影响。增加的影响。6.2 霍尔传感器1HHOKKT （6-236-23）图图6-13 6-13 恒流源温度补偿电路恒流源温度补偿电路6.2 霍尔传感器按此思路设计：电路中用一个分流电阻按此思路设计

40、：电路中用一个分流电阻RpRp与霍尔元件的激励电与霍尔元件的激励电极相并联从而达到补偿的目的。该补偿电路既简单、补偿效果极相并联从而达到补偿的目的。该补偿电路既简单、补偿效果又较好。又较好。 6.2 霍尔传感器0000PHPiR IIRR0000PHPiR IIRR0000(624)PHPiR IIRR当温度升至当温度升至T T时，电路中各参数变为时，电路中各参数变为: :0(1)(625)iiRRT 0(1)(626)PPRRT式中：式中：霍尔元件输入电阻温度系数；霍尔元件输入电阻温度系数；分流电阻温度系数。分流电阻温度系数。则则：000(1)(1)(1)PPHPiPiRT IR IIRRR

41、TRT 在图在图6-136-13所示的温度补偿电路中，设初始温度为所示的温度补偿电路中，设初始温度为T T0 0，霍尔元件输，霍尔元件输入电阻为入电阻为R Ri0i0，灵敏系数为，灵敏系数为K KH1H1，分流电阻为，分流电阻为R RP0P0，根据分流概念得，根据分流概念得：6.2 霍尔传感器温度升高温度升高T T，为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足，为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电势不变温升前、后的霍尔电势不变，即，即 :整理式（整理式（6-246-24）（6-286-28），经整理并略去），经整理并略去、T2T2高次项后得高次项后得: :00(629)PiRR000(6

42、27)HHHHHHUKIBUK I B00(628)HHHHKIK I第一项表示因第一项表示因温度升高霍尔温度升高霍尔系数引起霍尔系数引起霍尔电压的增量电压的增量第二项表示输第二项表示输入电阻因温度入电阻因温度升高引起霍尔升高引起霍尔电压减小的量电压减小的量霍尔元件选定后霍尔元件选定后输入电阻输入电阻R Ri0i0、内阻温度系数内阻温度系数、霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数为定值。为定值。可算出输入回路可算出输入回路串联电阻串联电阻R RP0 P0 显然只有当第一项为正显然只有当第一项为正才能用串联的方法减小才能用串联的方法减小第二项，实现自补偿。第二项，实现自补偿。为了满足为了满足R R0

43、0及及两个条件，分流电阻可取温度系数两个条件，分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合，这样虽然麻烦不同的两种电阻的串、并联组合，这样虽然麻烦但效果很好。但效果很好。 6.2 霍尔传感器 磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。磁敏电阻是磁阻位磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。磁敏电阻是磁阻位移传感器、无触点开关等的核心部件。移传感器、无触点开关等的核心部件。 6.3.1 6.3.1 磁阻效应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，这种现当一载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种现象被称为象被称为磁阻效应磁阻效应。当温度恒定时，在磁场内，磁阻和磁感。当温度恒定时，在

44、磁场内，磁阻和磁感应强度应强度B B的平方成正比。理论推导出来的磁阻效应方程为：的平方成正比。理论推导出来的磁阻效应方程为： 式中：式中： 磁感应强度为磁感应强度为B B的电阻率；的电阻率； 零磁场下的电阻率；零磁场下的电阻率； 电子迁移率；电子迁移率； B B磁感应强度。磁感应强度。NoImage2201 0.273B6.3 磁敏电阻器0当电阻率的变化为当电阻率的变化为 时，电阻率的相对变化为时，电阻率的相对变化为：可以看出可以看出 ，在磁感应强度，在磁感应强度一定时，迁移率越高的材料一定时，迁移率越高的材料（如（如InSbInSb、InAsInAs、NiSbNiSb等半导体材料）磁阻效应越

45、明显。等半导体材料）磁阻效应越明显。从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因磁场的作用而加长所致。因磁场的作用而加长所致。NoImage0222200.273BKB6.3 磁敏电阻器6.3.2 6.3.2 磁敏电阻的结构磁敏电阻的结构 磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。考虑形状影响因素时，电阻率的相对变化为：状有关。考虑形状影响因素时，电阻率的相对变化为：式中，式中，l l、b b分别为电阻的长和宽；分别为电阻的长和宽； 是形状效应系数。是形状效应系数。 6.3 磁敏电阻器20(

46、)1lkBfblfb6.3 磁敏电阻器图图6-14 6-14 半导体内电流分布半导体内电流分布（a a）长方形）长方形lblb（b b）长方形）长方形lblb（c c）科比诺圆盘）科比诺圆盘 图图6-146-14画出了三种不同形状的半导体内电流线的分布第一画出了三种不同形状的半导体内电流线的分布第一行为不加磁场的情况，第二行为加磁场的情况。行为不加磁场的情况，第二行为加磁场的情况。6.3.3 6.3.3 磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性1 1）灵敏度特性）灵敏度特性 磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定的影

47、响较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场电电阻变化率特性曲线的斜率。在运算时常用阻变化率特性曲线的斜率。在运算时常用R RB B/R/R0 0求得，求得， R R0 0表示无磁场情况下磁阻元件的电阻值，表示无磁场情况下磁阻元件的电阻值，R RB B为施加为施加0.3T0.3T磁感应强度时磁阻元件的电阻值。磁感应强度时磁阻元件的电阻值。6.3 磁敏电阻器6.3 磁敏电阻器这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于2.72.7，如图，如图6-156-15所示。所示。由图由图6-15(a)6-15(a)

48、所示磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随所示磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加。由图磁场强度的增加而增加。由图6-15(b)6-15(b)所示，在所示，在0.2T0.2T以下的弱磁以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过场中，曲线呈现平方特性，而超过0.2T0.2T后呈现线性变化。后呈现线性变化。图图6-15 6-15 磁阻元件的灵敏度特性磁阻元件的灵敏度特性2 2）电阻）电阻 温度特性温度特性6.3 磁敏电阻器图图6-166-16是一般半导体是一般半导体磁阻元件的电阻磁阻元件的电阻温温度特性曲线，由图可知，度特性曲线，由图可知，半导体磁阻元件的温度半导体磁阻元件

49、的温度特性不好。元件的电阻特性不好。元件的电阻值在不大的温度变化范值在不大的温度变化范围内减小的很快。因此，围内减小的很快。因此，在应用时，一般都要设在应用时，一般都要设计温度补偿电路。计温度补偿电路。图图6-16 6-16 半导体元件的半导体元件的 电阻电阻- -温度特性曲线温度特性曲线 霍尔元件及霍尔传感器的应用十分广泛。霍尔元件及霍尔传感器的应用十分广泛。 在测量领域：可用于测量磁场、电流、位移、压力在测量领域：可用于测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等；、振动、转速等； 在通信领域：可用于放大器、振荡器、相敏检波、在通信领域：可用于放大器、振荡器、相敏检波、混频、分频以及微波功率测

50、量等；混频、分频以及微波功率测量等； 在自动化技术领域：可用于无刷直流电机、速度传在自动化技术领域：可用于无刷直流电机、速度传感、位置传感、自动记数、接近开关、霍尔自整角感、位置传感、自动记数、接近开关、霍尔自整角机构成的伺服系统和自动电力拖动系统等。机构成的伺服系统和自动电力拖动系统等。 6.4 磁敏式传感器的应用6.4 磁敏式传感器的应用将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从 a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生霍尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁

51、极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。1、霍尔位移传感器2、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。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁6.4 磁敏式传感器的应用霍尔转速表原理 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。6.4 磁敏式传感器的应用3 3、霍尔式接近开关、霍尔式接近

52、开关 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。霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度（如B1）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。6.4 磁敏式传感器的应用 用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。 在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC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，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。 6.4 磁敏式传感器的应用4 4、霍尔电流传感器、霍尔电流传感器 将被测电流的导线穿过霍尔

53、电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。6.4 磁敏式传感器的应用霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示铁心铁心 线性霍尔线性霍尔IC EH=KH IB 6.4 磁敏式传感器的应用霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口6.4 磁敏式传感器的应用6.4 磁敏式传感器的应用5、霍尔计数装置(a)(a)工作示意图工作示意图霍尔开关传感器霍尔开关传感器绝缘板绝缘板磁铁磁铁( b) ( b) 电路图电路图 6.4 磁敏式传感器的应用因为钢球为强磁性物体，因为钢球为强磁性

54、物体，所以在装置中将永久磁铁所以在装置中将永久磁铁固定。当有球滚过时，磁固定。当有球滚过时，磁场就发生一次变化，传感场就发生一次变化，传感器输出的霍尔电压也变化器输出的霍尔电压也变化一次，这相当于输出一个一次，这相当于输出一个脉冲。该脉冲信号经运放脉冲。该脉冲信号经运放A741A741放大后，送入三极放大后，送入三极管管2N58122N5812的基极，三极管的基极，三极管便导通一次。如在三极管便导通一次。如在三极管的集电极接上一个计数器，的集电极接上一个计数器，即可对滚过传感器的钢球即可对滚过传感器的钢球进行计数。进行计数。钢球钢球6 6、汽车霍尔电子点火器、汽车霍尔电子点火器当缺口对准霍尔元

55、件时，磁通通过霍尔传感器形成闭合回路，电路导通，霍尔传感器输出低电平；6.4 磁敏式传感器的应用当隔磁罩竖边的凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，电路截止，霍尔传感器输出高电平。 汽车霍尔电子点火器电路汽车霍尔电子点火器电路当霍尔传感器输出低电平时，当霍尔传感器输出低电平时，V1截止，截止，V2、V3导通，点火器的初级绕组有恒定导通，点火器的初级绕组有恒定的电流通过；当霍尔传感器输出高电平时，的电流通过；当霍尔传感器输出高电平时，V1导通，导通， V2、V3 截止，点火器的初截止，点火器的初级绕组电流截止，此时储存在点火线圈中的能量由初级绕组以高压放电的形式级绕组电流截止，此时储存在点火线圈中的

56、能量由初级绕组以高压放电的形式输出，即放电点火。输出，即放电点火。6.4 磁敏式传感器的应用6.4.1 6.4.1 非接触式交流电流检测器非接触式交流电流检测器 该非接触式交流电流检测器使用的是该非接触式交流电流检测器使用的是MS-F06MS-F06型磁敏电阻器，只要将型磁敏电阻器，只要将MS-F06MS-F06型半导体磁敏电阻型半导体磁敏电阻器靠在电流线上就会得到输出电压。器靠在电流线上就会得到输出电压。MS-F06MS-F06型磁型磁敏电阻器在敏电阻器在3535时电阻值减小到室温时的时电阻值减小到室温时的1/21/2。因此，很少只使用一个磁敏电阻器，而是使用两因此，很少只使用一个磁敏电阻器

57、，而是使用两个磁敏电阻器，以使其温度特性能够得到补偿。个磁敏电阻器，以使其温度特性能够得到补偿。6.4 磁敏式传感器的应用图图6-17 MS-F066-17 MS-F06型磁敏电阻器的电阻值型磁敏电阻器的电阻值- -磁场特性磁场特性6. 4 磁敏式传感器的应用MS-F06MS-F06型磁敏电阻器的电阻值型磁敏电阻器的电阻值- -磁场特性如图磁场特性如图6-176-17所示。所示。 在磁场强度为在磁场强度为0 0时的电阻值（初始电阻值）时的电阻值（初始电阻值）为为800800，MS-F06MS-F06具有具有0.075T0.075T的偏置磁场。在的偏置磁场。在图图6-176-17中可以看到，中可

58、以看到，R R0.7G0.7G=1k=1k，R R1.7G1.7G=1.5k=1.5k。即每增加即每增加0.0001T0.0001T的磁场可以使磁敏电阻的电的磁场可以使磁敏电阻的电阻值增加到原来的阻值增加到原来的1.51.5倍。倍。6. 4 磁敏式传感器的应用图图6-186-18是是MS-F06MS-F06的温度特性。图的温度特性。图6-196-19是是MS-F06MS-F06和铜导线之间的距离与输出电压的关系。当它紧和铜导线之间的距离与输出电压的关系。当它紧贴直径贴直径0.1mm0.1mm的铜导线时，对应于的铜导线时，对应于50Hz50Hz的的100mA100mA电电流，输出的电压为流，输出

59、的电压为0.27mV0.27mVRMSRMS。图图6-18 MS-F066-18 MS-F06的温度特性的温度特性图图6-19 MS-F066-19 MS-F06的间隔特性的间隔特性6. 4 磁敏式传感器的应用图图6-20 6-20 非接触式电流监测器非接触式电流监测器6. 4 磁敏式传感器的应用图图6-206-20是利用是利用MS-F06MS-F06制作的非接触式电流检测制作的非接触式电流检测器的电路图。器的电路图。20A20A时磁敏电阻的输出电压时磁敏电阻的输出电压U US S为：为： U US S= =（0.27mV/0.1A0.27mV/0.1A）20A=54mV20A=54mV由于是在电力导线外测量，所以其输出值大约由于是在电力导线外测量，所以其输出值大约为上述理论值的为上述理论值的1/51/5，即，即10mV10mV。要想在图。要想在图6-206-20所示电路输出所示电路输出2V2V的电压，放大器的电压，放大器U U2A2A的增益应当的增益应当为为200200。在电路设计中采取了。在电路设计中采取了10010001001000倍的可倍的可调方式。调方式。6. 4 磁敏式传