第九章 磁电式传感器(河南理工大学)

1、1第九章第九章 磁电式传感器磁电式传感器 主要内容：主要内容： 9.1 9.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 9.2 9.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 9.3 9.3 磁电式传感器的应用磁电式传感器的应用 2deNd teBlN 3 磁磁电感应式电感应式传感器的类型：传感器的类型： （1 1）恒）恒磁通式：磁路系统恒定磁通式：磁路系统恒定磁场磁场( (永久永久磁场），线圈是运动部件。磁场），线圈是运动部件。 （2 2）变）变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。动物体引起磁阻、磁通变化。 4 线圈线圈、磁铁静止不动，、磁铁静止不动， 测量测量

2、齿轮在转动。齿轮在转动。 这种这种传感器结传感器结构简单，但输出信号较小，构简单，但输出信号较小，且转速高时，测且转速高时，测量误差大。量误差大。 变磁通式变磁通式1 1（开磁路）（开磁路）5 它它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈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。组成，内外齿轮齿数相同。 外齿轮外齿轮6不不动，动，内齿轮内齿轮5随随被测轴被测轴而转动。而转动。变磁通式变磁通式2 2（闭磁路）（闭磁路）6 磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不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。变，

3、因而气隙中磁通也是恒定不变的。 其运动部件可以是线圈其运动部件可以是线圈（动（动圈式）。圈式）。恒磁通式恒磁通式（动圈式）（动圈式）79.1.2 9.1.2 磁磁电感应传感器的结构及测量电路电感应传感器的结构及测量电路一、传感器的结构一、传感器的结构 (1)(1)磁路系统。它产生一个恒定直流磁场，为了减磁路系统。它产生一个恒定直流磁场，为了减小传感器体积，一般都采用永久磁铁。小传感器体积，一般都采用永久磁铁。 (2)(2)线圈。它与磁场中的磁通相交链产生感应电动线圈。它与磁场中的磁通相交链产生感应电动势。势。 (3) (3)运动机构。它使线圈与磁场产生相对运动，是运动机构。它使线圈与磁场产生相

4、对运动，是线圈运动的称为动圈式，是磁铁运动的称为动铁式。线圈运动的称为动圈式，是磁铁运动的称为动铁式。8动圈型（永久磁铁与动圈型（永久磁铁与壳固定）壳固定）1 1骨架；骨架；2 2弹片；弹片；3-3-线圈；线圈；4 4磁铁；磁铁；5-5-壳体。壳体。动钢型（线圈与壳动钢型（线圈与壳体固定）体固定）9二、信号二、信号输出测量电路输出测量电路 直接直接输出电动势测量速度；输出电动势测量速度； 接入接入积分电路测量位移；积分电路测量位移； 接入接入微分电路测量加速度。微分电路测量加速度。 esvxvdtdvadt109.2 9.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 概述概述磁敏传感器磁学量磁学量电信号电信号

5、1118781878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效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，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。小有利于集成化。霍尔传感器是基于霍尔效应。霍尔效应：若在某导体薄片的两端通过电流霍尔效应：若在某导体薄片的两端通过电流I I，并，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B B的磁场，则的磁场，则在垂直于电流和磁场方向的平面上产生电动势，称

6、为在垂直于电流和磁场方向的平面上产生电动势，称为霍尔电势或霍尔电压，这种现象称为霍尔效应。霍尔电势或霍尔电压，这种现象称为霍尔效应。 12霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，作用，向内侧偏移，在向内侧偏移，在半导体薄片的内侧面与外半导体薄片的内侧面与外侧面形成电荷的积累，形成电势，建立电场。侧面形成电荷的积累，形成电势，建立电场。13在磁场作用下导体中的在磁场作用下导体中的自由电子受到洛仑兹力的作用，被自由电子受到洛仑兹力的作用，被推向导体的推向导体的另一侧，每个电子受力的大小为：另一侧，每个电子受力的大小为： LFe B

7、同时，电子还受到霍尔电场的作用，同时，电子还受到霍尔电场的作用，作用力的大小为：作用力的大小为：HHFeE霍尔电场霍尔电场HHUEb当两作用力相等时电荷不再当两作用力相等时电荷不再 向两边积累达到动态平衡：向两边积累达到动态平衡：HLFFHeEe B14霍尔电压：霍尔电压：HUBb其中：其中：RH-霍尔常数，与材料有关霍尔常数，与材料有关; ; KH-灵敏度。灵敏度。与与薄片厚度有关薄片厚度有关霍尔灵敏霍尔灵敏度度V- 半导体电子运动速度；半导体电子运动速度；B-垂直与半导体薄片的磁感应强度；垂直与半导体薄片的磁感应强度；b-半导体薄片的宽度。半导体薄片的宽度。15磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔

8、电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度若磁感应强度B B不垂直于霍尔元件，而是与其法不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效时，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）的分磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即量，即B Bcoscos ，这时的霍尔电势为，这时的霍尔电势为 UH=KHIBcos 结论：霍尔电势与输入电流结论：霍尔电势与输入电流I I、磁感应强度、磁感应强度B B成正成正比，且当比，且当B B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果

9、所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率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。的交变电势。 16HHRKd1HRne HHUKIB讨论：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 以制造霍尔元件以制造霍尔元件; ; 绝缘材料电阻率绝缘材料电阻率很大很大，但电子，但电子迁移率迁移率很小，不适用；很小，不适用； 金属材料电子浓度金属材料电子浓度n很高很高，霍尔系数，霍尔系数RH很小，很小，UH很小很小; ; 半导体材料电阻率半导体材料电阻率较大，较大， 较大，较大，RH大，非常适于做大，非常适于做霍霍尔元件；尔元件

10、； 半导体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多采用 N N 型半导体（多电子）型半导体（多电子）; ; 由上式可见，厚度由上式可见，厚度d d越小，霍尔灵敏度越小，霍尔灵敏度 KH 越大，越大， 所以霍尔元件做的较薄，通常近似所以霍尔元件做的较薄，通常近似1 1微米微米(d1(d1m)m) 。上式中，上式中，-电子迁移率（电子迁移率（在单位电场作用下电子的平均漂在单位电场作用下电子的平均漂移速度移速度）。）。179.2.2 9.2.2 霍尔元件的基本结构与基本霍尔元件的基本结构与基本测量电测量电路路1. 1. 霍尔元件基本结

11、构霍尔元件基本结构 霍尔元件的结构很简单，它霍尔元件的结构很简单，它是由一块矩形半导体单晶薄片、是由一块矩形半导体单晶薄片、四根引线和壳体四根引线和壳体组成的。引出组成的。引出四根引线：四根引线： 1 1、 11两根引线加激两根引线加激励电压或电流，称激励电极（控制电极）；励电压或电流，称激励电极（控制电极）； 2 2、 22引线为霍尔引线为霍尔输出引线，输出引线， 称霍尔电极。称霍尔电极。 霍尔元件的壳体是用非导霍尔元件的壳体是用非导磁材料。如：磁材料。如： 陶瓷或环氧树脂封装的。陶瓷或环氧树脂封装的。 在电路中，在电路中， 霍尔元件一般可用两种符霍尔元件一般可用两种符号表示，号表示， 如图

12、（如图（b b）所示。）所示。 18 国产霍尔元件别号的命名方法如下：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常见的国产霍尔元件型号有HZHZ1 1、HZHZ2 2、HZHZ3 3、HTHT1 1、HTHT2 2、HSHS1 1等。等。19 霍尔晶体的外形为矩形薄片有四霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线根引线( (四端四端元件）。元件）。 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 E通过通过R R控制激励电流控制激励电流I I； B B 磁场与元件面垂直（向里）磁场与元件面垂直（向里） 分析时，可分析时，可把把I I* *B B作

13、输入，作输入， 也可把也可把I I或或B B单独单独做输入，做输入， 霍尔电势霍尔电势UoUo为为输出。输出。 输出输出UoUo与与I I或或B B成正比成正比关系，关系，或或与与I I* *B B成正比关系。成正比关系。20 实际实际应用中，为了获得较大的霍尔电压，可将几应用中，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

14、电压，但其输出电阻也将增大。可以增加输出电压，但其输出电阻也将增大。霍尔元件的连接霍尔元件的连接219.2.3 9.2.3 霍尔元件的主要霍尔元件的主要技术参数技术参数(1) (1) 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 当霍尔当霍尔元件自身温升元件自身温升1010时所流过的激励电时所流过的激励电流称为额定激励电流。流称为额定激励电流。 当元件在允许当元件在允许最大最大温升时所温升时所对应的激励电流对应的激励电流称为最大允许激励称为最大允许激励电流。电流。 因因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所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以使用中希望

15、选用尽可能大的激励电流。激励电流。改善霍改善霍尔元件的散热条件，可以使激励电流增加。尔元件的散热条件，可以使激励电流增加。 22 (2） 输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻值称为激励电极间的电阻值称为输入电阻。输入电阻。 霍尔输出霍尔输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，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。其电源内阻即为输出电阻。 以上以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在205时所确定的。时所确定的。 23 （3） 不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为当霍尔元件的激励电流为

16、I时，若元件所处位置磁感应强度时，若元件所处位置磁感应强度为零，为零， 则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的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空载霍尔电势称为不等位电势。电势。 不等位电阻为：不等位电阻为：R0=U0/IH 产生不等位电势的产生不等位电势的原因有：原因有： 霍尔电极安装霍尔电极安装位置不对称，造成两电极在位置不对称，造成两电极在同一同一等电位面上；等电位面上； 24 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是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；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等。激励电极接触不

17、良造成激励电流不均匀分布等。 25 (4） 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，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。称为寄生直流电势。 其产生的原因有：其产生的原因有： 激励电极、霍尔激励电极、霍尔电极接触不良，电极接触不良， 形成非欧姆接形成非欧姆接触，触， 造成整流效果；造成整流效果； 两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同，容不同， 散热状态不同而形成极间温差电势。散热状态不同而形成极间温差电势

18、。 寄生直流电势一般在寄生直流电势一般在1mV以下，它是影响霍尔片以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。温漂的原因之一。 269.2.4 9.2.4 测量误差及误差的补偿测量误差及误差的补偿 1. 霍尔元件不等位电势补偿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，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效为一个电桥，为一个电桥， 用分析电桥平衡

19、来补偿不等位电势。用分析电桥平衡来补偿不等位电势。 27不等位电势的补偿：不等位电势的补偿： 不不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出等位电压相当于桥路初始有不平衡输出U U0 000，可在电阻，可在电阻大的桥臂上并联大的桥臂上并联电阻进行补偿。电阻进行补偿。282.2.温度补偿温度补偿 霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的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、尔元件的载流子浓度、 电阻率电阻率及霍尔系数都将发生变及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。化，从而使

20、霍尔元件产生温度误差。 为了减小霍尔元件的温度误差为了减小霍尔元件的温度误差，除，除选用温度系数选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，由小的元件或采用恒温措施外，由U UH H= =K KH HIBIB可看出：采用可看出：采用恒流源供电恒流源供电是有效是有效措施，可以使霍尔电势稳措施，可以使霍尔电势稳定。定。 29 霍尔元件的灵敏系数霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数，它随温也是温度的函数，它随温度变化将引起霍尔电势的变度变化将引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系化。霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成数与温度的关系可写成 KH=KH0(1+T) 大多数霍尔元件的温度系数大多数霍尔元件的

21、温度系数是正值，它们的霍是正值，它们的霍尔电势随温度升高尔电势随温度升高而大。但而大。但如果同时让激励电流如果同时让激励电流I Is s相相应地减小应地减小，并，并能保持能保持K KH H I Is s 乘积不变，也就抵消了灵乘积不变，也就抵消了灵敏系数敏系数K KH H增加的影响。增加的影响。30 电路中电路中I Is s为恒流源，分流电阻为恒流源，分流电阻Rp与霍尔元件的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，旁路分流电高而增加时，旁路分流电阻阻Rp（负温度系数）自（负温度系数）自动动地增大分流，减小了霍尔元件的激励电

22、流地增大分流，减小了霍尔元件的激励电流I IH H，从而达，从而达到补偿的目的。到补偿的目的。 31 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。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接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如如UGN3501等。等。 线性三线性三端端 霍尔集成电路霍尔集成电路9.2.5 9.2.5 霍尔集成传感器霍尔集成传感器32线性型霍尔特性线性型霍

23、尔特性 右图示出了右图示出了具有差具有差动输出特性的线性霍尔动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的的磁场为正向（磁钢的S S极对准霍尔器件的正极对准霍尔器件的正面）时，面）时， 输出为正；输出为正；磁场反向时，输出为磁场反向时，输出为负。负。线性范围线性范围33开关型霍尔集成电路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、压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯

24、片上。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，当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；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，当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如尔器件如UGN3020等。等。34开关型霍尔集成电路的外形及内部电路开关型霍尔集成电路的外形及内部电路OCOC门门 施施密特密特 触发电路触发电路 双端输入、双端输入、 单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件元件. .VccVcc35开关型霍

25、尔集成电路的史密特输出特性开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回回差越差越大大，抗干扰，抗干扰能力就越强。能力就越强。369.2.6 9.2.6 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、 三个变量的三个变量的函数，即函数，即 UH=KHIBcos 。 利用利用这个关系可以使其中两个量不变，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。这使得霍尔量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。传感器有许多用途。371.1.利用利用UH与与I I的关系的关系 让磁场保持不变，在温度

26、一定的情况下，霍尔电让磁场保持不变，在温度一定的情况下，霍尔电压压UH与控制电流与控制电流I具有很好的线性关系。利用这一特性，具有很好的线性关系。利用这一特性，可直接测量电流，也可用于测量能转换为电流的其他物可直接测量电流，也可用于测量能转换为电流的其他物理量。理量。霍尔钳形电流表霍尔钳形电流表38 2.2.利用利用U UH H与与B B的关系的关系 让霍尔元件的励磁电流保持不变。让霍尔元件的励磁电流保持不变。 （1 1）霍尔电压）霍尔电压U UH H与磁感应强度与磁感应强度B B具有很好的线性关系。具有很好的线性关系。利用这一特性，可直接测量磁场。利用这一特性，可直接测量磁场。 （2 2）如

27、果让霍尔元件在磁场中运动，则霍尔电压）如果让霍尔元件在磁场中运动，则霍尔电压U UH H与与它在磁场中的位置有关、与运动速度有关，利用这一原理它在磁场中的位置有关、与运动速度有关，利用这一原理可测位移、速度、加速度、振动等。可测位移、速度、加速度、振动等。393.3.利用利用UH与与BIBI的关系的关系U UH H=KBI=K k=KBI=K k1 1U IU I即可实现功率测量。即可实现功率测量。B=KBImsin(t+）；）；i=KIUmsintu=KHiB=KUIcos-KUIcos(2t+)将二倍频交流分量滤除，则输出电压与有功功率成正比将二倍频交流分量滤除，则输出电压与有功功率成正比

28、通常通常U UH H与与B I B I 的乘积有关。的乘积有关。40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41霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍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。尔元件时，输出为低电平。42霍尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，近、并达到动作距离时

29、，霍尔式接近开关动作。霍霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配尔接近开关一般还配一块一块磁铁磁铁。43霍尔式接近开关霍尔式接近开关 用霍尔用霍尔ICIC也能完成接近开关的功能，但是它只能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。合磁场。 霍尔式接近开关用于定霍尔式接近开关用于定位控制位控制44霍尔式接近开关用于霍尔式接近开关用于转速测量演示转速测量演示n= = 6060f4(r/min)金属叶片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T45霍尔电流传感器霍尔电流传感器 将被测电流的将被测电流的导线穿过霍尔电流导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。传感器的检测孔。当有电流通过导线当有电流通过导线时，在导线周围将时，在导线周围将产生磁场，磁力线产生磁场，磁力线集中在铁心内集中在铁心内，从，从而而产生与电流成正产生与电流成正比的霍尔电压。比的霍尔电压。46霍尔电流传感器演示霍尔电流传