传感技术及应用磁电式传感器

1、第五章第五章 磁电式传感磁电式传感器器 磁是人们所熟悉的一种物理现象，因此磁传磁是人们所熟悉的一种物理现象，因此磁传感器具有古老的历史。最简单的把磁转换成电的感器具有古老的历史。最简单的把磁转换成电的磁传感器就是线圈，根据磁传感器就是线圈，根据，在切割，在切割磁通的电路里，产生与磁通相变化速率成正比的磁通的电路里，产生与磁通相变化速率成正比的感应电动势。感应电动势。 现代的磁传感器已向固体化发展，它是利用现代的磁传感器已向固体化发展，它是利用磁场作用使物质的电性能发生变化的各种物理效磁场作用使物质的电性能发生变化的各种物理效应制成的，从而使磁场强度转换为电信号。应制成的，从而使磁场强度转换为电

2、信号。 磁传感器的种类较多，制作传感器的材料有磁传感器的种类较多，制作传感器的材料有半导体、磁性体、超导体等，不同材料制作的磁半导体、磁性体、超导体等，不同材料制作的磁传感器其工作原理和特性也不相同。传感器其工作原理和特性也不相同。5-1 5-1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的，是一种机两端输出感应电动势的，是一种机电能量变电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围（

3、一般为范围（一般为101010001000），适用于振动、转速），适用于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。较大。工作原理：法拉第电磁感应定律ddeNt 当N匝线圈在一恒定磁场中作“切割”磁力线运动时，感应电势为eNBlv 分类：恒定磁通式变磁通式B：工作气隙磁感应强度l：每匝线圈的长度动圈式 结构：动铁式变磁通磁电感应式传感器磁电式回转检测器磁电式回转检测器测速测速车辆在运行过程中，前后轮车辆在运行过程中，前后轮速度传感器通过磁电感应将速度传感器通过磁电感应将车轮速度转化成电压信号，车轮速度转化成电压信号，然后经过线路将该电压信号然

4、后经过线路将该电压信号传输到电子控制器（传输到电子控制器（ECU）中，电子控制器根据预先设中，电子控制器根据预先设置的程序随时对各车轮传感置的程序随时对各车轮传感器的输入信号进行监测，从器的输入信号进行监测，从而判断是否有必要进入到而判断是否有必要进入到ABS制动状态。制动状态。第二节第二节 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔传感器是利用霍尔元件基于而将被而将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。一种传感器。 （一）霍尔效应（一）霍尔效应 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电霍尔效应是导

5、电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的物理效应。动势的物理效应。 置于磁场中的静止载流体中，若电流方向与磁场方向不置于磁场中的静止载流体中，若电流方向与磁场方向不相同，则在载流体的垂直于电流与磁场方向所组成的两个侧相同，则在载流体的垂直于电流与磁场方向所组成的两个侧面将产生电动势。这一现象为美国物理学家爱德文面将产生电动势。这一现象为美国物理学家爱德文霍尔于霍尔于1879年发现，称为霍尔效应，相应的电动势称为霍尔电势。年发现，称为霍尔效应，相应的电动势称为霍尔电势。一、工作原理与特性一、工作原理与特性bdUHIlBvFFl设为设为N型半导体，型半导体， 载流子为电子。载流子为电子。磁场中运

6、动载流子的偏转 设霍尔片的长度为设霍尔片的长度为l l，宽度为，宽度为w w，厚度为，厚度为d d。又设电子以均匀的速度。又设电子以均匀的速度v v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B B的作用下，它受到洛仑兹力的作用下，它受到洛仑兹力q q电子电量电子电量(1.62(1.621010-19-19C)C)； v v电于运动速度。电于运动速度。同时，作用于电子的电场力同时，作用于电子的电场力 evBFLbeUqEfHHE/beVevBH/当达到动态平衡时dnevbdjbIdnebIv/霍耳电势VH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成： dIBRUH

7、H电流密度j=-nevnN型半导体中的电子浓度N型半导体U UH H K KH H I BI B若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为时，霍耳电势应为： V VH H K KH H I B I B coscos 设设 K KH H= =R RH H / d/ d ， 霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换理而将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。成电动势输出的一种传感器。 优点：优点：结构简单，体积小，坚固，频率响应宽结构简单，体积小，坚固，频率响应宽，动态范围大，动态范围

8、大, ,无触点无触点, ,使用寿命长使用寿命长, ,可靠性高可靠性高, ,易微易微型化和集成电路化。型化和集成电路化。 不足：不足：温度影响大，要求转换精度较高时必须温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿。进行温度补偿。控制电流I；霍耳电势VH；控制电压V；输出电阻R2；输入电阻R1；霍耳负载电阻R3；霍耳电流IH。 VHR3VBIEIH霍耳器件的基本电路RIKBIdRVIHHVKVRKBVdRRVVHH1111同样，若给出控制电压V，由于V=R1I，可得控制电压和霍耳电势的关系式：设霍耳片厚度d均匀，电流I和霍耳电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流I和霍耳电势VH的关系式：砷化

9、钠霍尔器件砷化钠霍尔器件温度系数小，灵敏度高，线性度好，温漂小，稳定性高，体积小( (三三) )霍尔元件的电磁特性霍尔元件的电磁特性1、UHI 特性特性2、UHB 特性特性3、RB 特性特性三、霍尔片的误差及其补偿三、霍尔片的误差及其补偿1、不等位电势的补偿、不等位电势的补偿 由于不等位电势与不等位电阻是一致的，因由于不等位电势与不等位电阻是一致的，因此可以用分析其电阻的方法来进行补偿。此可以用分析其电阻的方法来进行补偿。 （一）霍尔元件的零位误差及其补偿（一）霍尔元件的零位误差及其补偿ABCDIR1R2R3R4 补偿原理补偿原理： 将将R1、R2、R3、R4其视其视为电桥的四个臂，即电桥为电

10、桥的四个臂，即电桥不平衡，为使其平衡可在不平衡，为使其平衡可在阻值较大的臂上并联电阻，阻值较大的臂上并联电阻，或在两个臂上同时并联电或在两个臂上同时并联电阻。阻。 图中图中A、B为为控制电极控制电极，C、D为为霍尔电极霍尔电极，在，在极间分布的电阻用极间分布的电阻用R1、R2、R3、R4表示，理想情况表示，理想情况是是R1R2R3R4，即零位电势为零（或零位电阻，即零位电势为零（或零位电阻为零）。但实际上存在着零位电势，则说明此四个为零）。但实际上存在着零位电势，则说明此四个电阻不等。电阻不等。2、寄生直流电动势、寄生直流电动势 欧姆接触是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于半导体本

11、身的电阻，使得组件操作时，大部分的电压降在活动区(Active region)而不在接触面。欧姆接触在金属处理中应用广泛，实现的主要措施是在半导体表面层进行高掺杂或者引入大量复合中心。（二）温度补偿（二）温度补偿 霍尔片是采用半导体材料制造的，因此它们霍尔片是采用半导体材料制造的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。如半导体材的许多参数都具有较大的温度系数。如半导体材料的电阻率，迁移率和载流子浓度等都随温度而料的电阻率，迁移率和载流子浓度等都随温度而变化。变化。 霍尔片的性能参数如输入和输出电阻，霍尔霍尔片的性能参数如输入和输出电阻，霍尔系数等也随温度而变化，致使霍尔电势变化，产系数等也随

12、温度而变化，致使霍尔电势变化，产生温度误差，为了减小温度差：生温度误差，为了减小温度差： 除选用温度系数较小的材料（如砷化铟）；除选用温度系数较小的材料（如砷化铟）； 采用适当的补偿电路。采用适当的补偿电路。 （1）采用恒流源供电和输入回路并联电阻）采用恒流源供电和输入回路并联电阻 温度变化引起霍尔元件输入电阻变化，在稳压温度变化引起霍尔元件输入电阻变化，在稳压源供电时，会使控制电流发生变化，带来误差。源供电时，会使控制电流发生变化，带来误差。 为了减小这种误差，最好采用为了减小这种误差，最好采用恒流源恒流源，但霍尔，但霍尔片的灵敏度系数片的灵敏度系数KH也是温度的函数，为进一步提高也是温度的

13、函数，为进一步提高VH的温度稳定性，对于具有正温度系数的霍尔元件，的温度稳定性，对于具有正温度系数的霍尔元件，可在其输入回路中并联电阻可在其输入回路中并联电阻RP。 RRRttRttii0000)(1)(10iRR0)(iRR（2）合理选取负载电阻）合理选取负载电阻RL的组织的组织)(1)(10000ttRRttURUOLHLL)1(0OLRRdUdUL L/d(t-t/d(t-t0 0) ) = =0 0令（3）采用恒压源和输入回路串联电阻）采用恒压源和输入回路串联电阻 当霍尔元件采用稳压电源供电，且霍尔当霍尔元件采用稳压电源供电，且霍尔输出开路状态工作时，可在输入回路串入适输出开路状态工作

14、时，可在输入回路串入适当电阻来补偿温度误差。当电阻来补偿温度误差。 （4）采用温度补偿元件）采用温度补偿元件（5）霍尔元件不等位电动势的温度补偿）霍尔元件不等位电动势的温度补偿三、霍尔传感器的应用三、霍尔传感器的应用 霍尔元件可以测量磁物理量及电量、还可以通霍尔元件可以测量磁物理量及电量、还可以通 过转换测量其它非电量。过转换测量其它非电量。 由于霍尔元件的输出量是比例于两个输入量的由于霍尔元件的输出量是比例于两个输入量的 乘积，因此可以方便而准确地实现乘法运算，乘积，因此可以方便而准确地实现乘法运算， 可构成各种非线性运算部件。可构成各种非线性运算部件。 霍尔元件工作从直流到数百千赫兹的频率

15、范围霍尔元件工作从直流到数百千赫兹的频率范围 内。内。 霍尔元件在工程技术上的应用相当广泛，具体产霍尔元件在工程技术上的应用相当广泛，具体产品有高斯计、霍尔罗盘、大电流计、功率计、位移传品有高斯计、霍尔罗盘、大电流计、功率计、位移传感器、乘法器、调制器等。感器、乘法器、调制器等。1、转速测量、转速测量 NS霍尔元件霍尔元件（转角）（转角）VH02NS霍尔元件霍尔元件（转角）（转角）VH0永磁体装在轴端的转速测量方法永磁体装在轴端的转速测量方法永磁体装在轴侧的转速测量方法永磁体装在轴侧的转速测量方法工作原理及用途：工作原理及用途：被测体上贴一磁钢，非接触式测量，高可靠，适用于低转速，体积小、安装

16、方便，对环境无要求，适合各种恶劣环境、污浊环境、功耗低，适宜长期工作。霍尔式转速计霍尔式转速计2、利用霍尔线性集成传感器进行磁法覆盖、利用霍尔线性集成传感器进行磁法覆盖 层厚度测量层厚度测量 磁法覆盖厚度测量是指对铁磁性物质表面非磁法覆盖厚度测量是指对铁磁性物质表面非磁性涂层的厚度测量磁性涂层的厚度测量。 例如对钢铁表面的镀膜、油漆、塑料、搪瓷例如对钢铁表面的镀膜、油漆、塑料、搪瓷等覆盖层的厚度等便可使用磁法厚度测量的方法。等覆盖层的厚度等便可使用磁法厚度测量的方法。U型铁心型铁心永磁体永磁体铁磁基体铁磁基体磁回路磁回路SL3501M覆盖层覆盖层 测量时将测量时将U形铁芯的两极放到被测物体表面

17、上，这时永磁形铁芯的两极放到被测物体表面上，这时永磁体产生的磁通便通过体产生的磁通便通过U形铁芯和被测物体构成磁回路。当被测形铁芯和被测物体构成磁回路。当被测物体表面覆盖层厚度不同时，磁回路的磁阻和磁通量将会发生物体表面覆盖层厚度不同时，磁回路的磁阻和磁通量将会发生变化，磁回路中的霍尔集成传感器将会检测出磁场强度的不同，变化，磁回路中的霍尔集成传感器将会检测出磁场强度的不同，从而使霍尔集成传感器产生的输出电压随覆盖层厚度的不同而从而使霍尔集成传感器产生的输出电压随覆盖层厚度的不同而变化，完成覆盖层非电量到电量的转换。变化，完成覆盖层非电量到电量的转换。 将将U型硅钢片型硅钢片铁芯中间断开，然铁

18、芯中间断开，然后将后将SL3501M霍尔霍尔线性集成传感器和线性集成传感器和一片钕铁硼永磁体一片钕铁硼永磁体夹在中间，用夹在中间，用502胶粘牢。胶粘牢。 霍尔集成传感器内部虽然设有差分放大器，但其霍尔集成传感器内部虽然设有差分放大器，但其输出的电压仍然满足不了使用电路的要求，为此，将输出的电压仍然满足不了使用电路的要求，为此，将信号加一级放大，便可得到足够大的信号幅度。信号加一级放大，便可得到足够大的信号幅度。5VIC1IC25VUOUT3、霍尔元件在电流测量上的应用、霍尔元件在电流测量上的应用 在现代工程技术中，往往要测量在现代工程技术中，往往要测量，有时直流电流值高达有时直流电流值高达1

19、0KA以上。过去，多采用电阻以上。过去，多采用电阻器分流的方法来测量这样大的电流。这种方法有许器分流的方法来测量这样大的电流。这种方法有许多缺点，如分流器结构复杂、笨重、耗电、耗铜等。多缺点，如分流器结构复杂、笨重、耗电、耗铜等。利用霍尔效应原理测量大电流可以克服上述的一些利用霍尔效应原理测量大电流可以克服上述的一些缺点。霍尔效应大电流计结构简单、成本低、准确缺点。霍尔效应大电流计结构简单、成本低、准确度高，在很大程度上与频率无关，便于远距离测量，度高，在很大程度上与频率无关，便于远距离测量，测量时不需要断开回路。测量时不需要断开回路。 （1）导线旁测法）导线旁测法 这种方法是一种最简单这种方

20、法是一种最简单的方法，将霍尔元件放在的方法，将霍尔元件放在通电导线的附近，给霍尔通电导线的附近，给霍尔元件通以恒定电流，用霍元件通以恒定电流，用霍尔元件测量被测电流产生尔元件测量被测电流产生的磁场，就可以从元件输的磁场，就可以从元件输出的霍尔电压中确定被测出的霍尔电压中确定被测电流值。电流值。 这种方法虽然结构简单，这种方法虽然结构简单，但测量精度较差，受外界但测量精度较差，受外界干扰也大，只适用一些不干扰也大，只适用一些不重要的场合。重要的场合。BICI通电电流通电电流VH 当导线中有电流流通时，当导线中有电流流通时，导线周围产生磁场，使导磁导线周围产生磁场，使导磁体铁芯磁化成暂时性磁铁，体

21、铁芯磁化成暂时性磁铁，在环形气隙中就会形成一个在环形气隙中就会形成一个磁场，导体中的电流越大，磁场，导体中的电流越大，气隙处的磁感应强度就越大，气隙处的磁感应强度就越大，霍尔元器件输出的霍尔电压霍尔元器件输出的霍尔电压VH就越大。可以通过霍尔电就越大。可以通过霍尔电压检测到导线中的电流。这压检测到导线中的电流。这种方法可以提高电流测量的种方法可以提高电流测量的精度。精度。导磁铁心导磁铁心霍尔元器件霍尔元器件通电导线通电导线I（2）导线贯串磁芯法）导线贯串磁芯法 如果用铁磁材料做成磁导体的铁芯，使被测通电导线贯串如果用铁磁材料做成磁导体的铁芯，使被测通电导线贯串它的中央，将霍尔元件或霍尔集成传感

22、器放在磁导体的气隙中，它的中央，将霍尔元件或霍尔集成传感器放在磁导体的气隙中，这样，可以通过环形铁芯集中磁力线，如下图所示。这样，可以通过环形铁芯集中磁力线，如下图所示。测量原理测量原理 在实际应用中，为了测量的方便，还可以把导磁铁芯在实际应用中，为了测量的方便，还可以把导磁铁芯做成钳式形状，或非闭合磁路的形状，如下图所示。做成钳式形状，或非闭合磁路的形状，如下图所示。I霍尔元器件霍尔元器件通电导线通电导线导磁铁心导磁铁心霍尔元器件霍尔元器件通电导线通电导线导磁铁心导磁铁心I钳式钳式非闭合磁路式非闭合磁路式 （3）磁芯绕线法）磁芯绕线法 这种方法如下图所示。它由标准环形导磁铁芯和这种方法如下图

23、所示。它由标准环形导磁铁芯和SL3501M霍尔线性集成传感器组合而成。霍尔线性集成传感器组合而成。SL3501M通电导线通电导线导磁铁心导磁铁心I 被测通电导线绕在导被测通电导线绕在导磁铁芯上，每磁铁芯上，每1安安1匝在气匝在气隙处可产生隙处可产生0. 0056T的磁的磁感应强度。若测量范围是感应强度。若测量范围是020A时，则导线绕制时，则导线绕制9匝便可产生约匝便可产生约0. 1 T的磁的磁感应强度，感应强度，SL3501M会有会有1. 4V的电压输出。的电压输出。数字钳型表数字钳型表用途：用途：主要用于大电流测量，可用于机械加工车间，工厂，及各种耗电量较大的任何场合。4、霍尔线性位移传感

24、器、霍尔线性位移传感器霍尔线性位移传感器霍尔线性位移传感器若令霍尔元件的工作电流保若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压霍尔电压VH值只由它在该磁值只由它在该磁场中的位移量场中的位移量Z来决定。图来决定。图中中3种产生梯度磁场的磁系种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位统及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线，移传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微位移传感器。可构成霍尔微位移传感器。从曲线可见，结构（从曲线可见，结构（b）在）在Z2mm时，时，VH与与Z有良好的有良好的线性关系，且分辨力可达线性关系，且分辨力可达1m，结构（，结构（C）的灵敏度）的灵敏度高，但工作距离较小。高，但工作距离较小。 几种产生梯度磁场的磁系统和几种几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔位移传感器的静态特性霍尔位移传感器的静态特性 霍尔线性位移传感器原理霍尔线性位移传感器原理5、霍尔压力传感器、霍尔压力传感器 霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如