第7章磁敏式传感器

1、7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器第第7章章 磁敏式传感器磁敏式传感器 磁电感应式传感器有时又简称为磁电感应式传感器有时又简称为磁电传感器磁电传感器，是利用，是利用电磁电磁感应原理感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。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，是有源传感器。量的电信号，是有源传感器。 由于它输出功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽由于它输出功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽（1010

2、00Hz），适用于转速，振动，位移及扭矩等测量，），适用于转速，振动，位移及扭矩等测量，所以得到普遍应用。所以得到普遍应用。 一、磁电感应式传感器工作原理一、磁电感应式传感器工作原理 1电磁感应定律电磁感应定律 根据电磁感应定律：无论任何原因使通过回路面积的磁通量根据电磁感应定律：无论任何原因使通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比化率成正比。N N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势化时，线圈中所产生的感

3、应电动势E E(V)(V)的大小取决于穿过线的大小取决于穿过线圈的磁通圈的磁通 的变化率，即的变化率，即 ddENtWb2022-6-264一、工作原理法拉第电法拉第电磁磁感应定律：感应定律：dtdNedtd磁铁与线圈之间作相对运动磁铁与线圈之间作相对运动磁路中的磁阻变化磁路中的磁阻变化恒定磁场中的线圈面积变化恒定磁场中的线圈面积变化磁通量磁通量变化关键变化关键2022-6-265磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器：磁电式传感器：利用，测量量变化利用，测量量变化 感应电压感应电压edtd电感式传感器：电感式传感器：利用衔铁运动，利用衔铁运动，Rm变化变化L 或或M变化变化U 变化变化注意与注

4、意与电感式传感器电感式传感器区别区别一、磁电感应式传感器工作原理一、磁电感应式传感器工作原理 2电磁感应定律的应用电磁感应定律的应用（1）线圈在恒定磁场中作直线运动）线圈在恒定磁场中作直线运动 线圈两端的感应电动势线圈两端的感应电动势e为：为： 当当90时，上式可写成：时，上式可写成：ENBL sin ENBL BSSLxddxBLdtdt（2）线圈在恒定磁场中作旋转运动）线圈在恒定磁场中作旋转运动 线圈两端的感应电动势为：线圈两端的感应电动势为： 当当90时，上式可写成：时，上式可写成： 旋转运动角速度；旋转运动角速度；S线圈的截面积；线圈的截面积； 线圈平面的法线方向与磁场方向间的夹角。线

5、圈平面的法线方向与磁场方向间的夹角。 由于速度和位移、加速度之间是积分、微分的关系，因由于速度和位移、加速度之间是积分、微分的关系，因此只要适当加入积分、微分电路，便能通过测量感应电此只要适当加入积分、微分电路，便能通过测量感应电动势得到位移和加速度。动势得到位移和加速度。ENBS sin ENBS 磁磁电电感感应应式式动圈式动圈式开磁路开磁路线速度型线速度型角速度型角速度型动铁式动铁式恒恒磁磁通通变变磁磁通通闭磁路闭磁路二、磁电感应式传感器的结构二、磁电感应式传感器的结构 工作气隙中的磁通保持不变，而线圈中的感应电动势是由工作气隙中的磁通保持不变，而线圈中的感应电动势是由于于工作气隙中的线圈

6、与磁铁之间作相对运动，线圈切割磁力工作气隙中的线圈与磁铁之间作相对运动，线圈切割磁力线产生线产生的。其值与相对运动速度成正比。的。其值与相对运动速度成正比。 1恒磁通式磁电传感器恒磁通式磁电传感器（a）动圈式； （b）动铁式恒磁通式磁电传感器结构二、磁电感应式传感器的结构二、磁电感应式传感器的结构 当壳体随被测振动体一起振动时当壳体随被测振动体一起振动时, , 由于弹簧较软由于弹簧较软, , 运运动部件质量相对较大。当动部件质量相对较大。当振动频率足够高（远大于传感器振动频率足够高（远大于传感器固有频率）固有频率）时时, , 运动部件惯性很大运动部件惯性很大, , 来不及随振动体一起来不及随振

7、动体一起振动振动, , 近乎静止不动近乎静止不动, , 振动能量几乎全被弹簧吸收振动能量几乎全被弹簧吸收, , 永久永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度, , 磁铁与线圈的相对运动切割磁力线磁铁与线圈的相对运动切割磁力线, , 从而产生感应电势为从而产生感应电势为 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; ; N N 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。 0ENB Lv 感应电动势与线圈相对磁铁运

8、动线速度或角速度正比感应电动势与线圈相对磁铁运动线速度或角速度正比 线速度型应用实例线速度型应用实例工业测振动microphone测速电机测速电机角速度型应用实例二、磁电感应式传感器的结构二、磁电感应式传感器的结构 2变磁通式磁电传感器变磁通式磁电传感器 这类磁电式传感器中，产生磁场的永久磁铁和线圈这类磁电式传感器中，产生磁场的永久磁铁和线圈都固定不动，而是都固定不动，而是通过磁通的变化产生感应电动势通过磁通的变化产生感应电动势。其中：其中：1- 1-永久磁铁永久磁铁 2- 2-软磁铁软磁铁 3- 3-感应线圈感应线圈 4- 4-测量齿轮测量齿轮 5- 5-内齿轮内齿轮 6- 6-外齿轮外齿轮

9、 7- 7-转轴转轴4321N Sa开磁通式开磁通式b闭磁通式闭磁通式 图图a a为为开磁路开磁路变磁通式变磁通式: : 线圈、线圈、 磁铁静止不动磁铁静止不动, , 测量测量齿轮安装在被测旋转体上齿轮安装在被测旋转体上, , 随之一起转动。每转动一个齿随之一起转动。每转动一个齿, , 齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次, , 磁通也就变化一次磁通也就变化一次, , 线线圈中产生感应电势圈中产生感应电势, ,其变化频率等于被测转速与测量齿轮齿其变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积数的乘积。这种传感器结构简单。这种传感器结构简单, , 但输出信号较小但输出信号较小, ,

10、 且因且因高速轴上加装齿轮较危险而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。60Zfn 4321N S15 开磁路式转速传感器结构比较简单，但输出信号小，另外开磁路式转速传感器结构比较简单，但输出信号小，另外当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。在振动强当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器。的场合往往采用闭磁路式转速传感器。 图图b b为为闭磁路闭磁路变磁通式变磁通式, , 它由装在转轴上的它由装在转轴上的内齿轮和外齿内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈轮、永久磁铁和感应线圈组成组成, , 内外齿轮齿数相同。内外齿轮齿数相同。

11、 当转轴当转轴连接到被测转轴上时连接到被测转轴上时, , 外齿轮不动外齿轮不动, , 内齿轮随被测轴而转动内齿轮随被测轴而转动, , 内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化, , 从而引从而引起磁路中磁通的变化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。使线圈内产生周期性变化的感生电动势。显然，显然，感应电势的频率与被测转速成正比感应电势的频率与被测转速成正比。 三、磁电感应式传感器的特性三、磁电感应式传感器的特性 1磁电式传感器的基本特性磁电式传感器的基本特性（1）电流输出特性）电流输出特性 磁电传感器的输出电流磁电传感器的输

12、出电流Io为：为： 传感器的电流灵敏度为：传感器的电流灵敏度为：00EIffNB LRRRR0ISfNB LIvRR式中：式中： Rf测量电路输入电阻；测量电路输入电阻； R线圈等效电阻。线圈等效电阻。 三、磁电感应式传感器的特性三、磁电感应式传感器的特性 （2）电压输出特性）电压输出特性 传感器的输出电压为：传感器的输出电压为： 传感器的电压灵敏度为：传感器的电压灵敏度为：B值大，灵敏度也大，因此要选用值大，灵敏度也大，因此要选用B值大的永磁材料；值大的永磁材料；000fffNB LvRUI RRR00fUfNB LRUSvRR三、磁电感应式传感器的特性三、磁电感应式传感器的特性 00fUf

13、NB LRUSvRR 线圈的平均长度大也有助于提高灵敏度，但这是有条线圈的平均长度大也有助于提高灵敏度，但这是有条件的，要考虑两种情况：件的，要考虑两种情况：线圈电阻与指示器电阻匹配问题线圈电阻与指示器电阻匹配问题因传感器相当于一个电压源，为使指示器从传感器获因传感器相当于一个电压源，为使指示器从传感器获得最大功率，必须使线圈的电阻等于指示器的电阻。得最大功率，必须使线圈的电阻等于指示器的电阻。线圈的发热问题线圈的发热问题传感器线圈产生感应电动势，接上负载后，线圈中有传感器线圈产生感应电动势，接上负载后，线圈中有电流流过而发热。电流流过而发热。0ISfNB LIvRR测量误差测量误差 当传感器

14、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、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而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，其相对误差为产生测量误差，其相对误差为RdRldlBdBSdSII0ISfNB LIvRR非线性误差非线性误差 主要原因：主要原因：当磁电式传感器在进行测量时，当磁电式传感器在进行测量时，传感器线圈会传感器线圈会有电流流过，这时线圈会产生一定的交变磁通有电流流过，这时线圈会产生一定的交变磁通，此交变磁，此交变磁通会叠加在永久磁铁产生的传感器工作磁通上，导致气隙通会叠加在永久磁铁产生的传感器工作磁通上，导致气

15、隙磁通变化。磁通变化。非线性误差非线性误差 这种影响分为两种情况这种影响分为两种情况 ： 附加磁场与原工作磁场相同或者相反。附加磁场与原工作磁场相同或者相反。I和和同相同相时灵敏度时灵敏度增大增大。I和和反相反相时灵敏度时灵敏度减小减小。灵敏度越大，电流越大，非线性越严重。灵敏度越大，电流越大，非线性越严重。解决非线性误差的方法：解决非线性误差的方法：加入加入补偿线圈补偿线圈，通一定的，通一定的电流，使其产生的交变补电流，使其产生的交变补偿磁通可以与偿磁通可以与 传感器线传感器线圈本身产生的交变附加磁圈本身产生的交变附加磁通相互抵消，从而达到补通相互抵消，从而达到补偿目的。偿目的。温度误差温度

16、误差 磁电式传感器的各种干扰影响中，通常温度干扰比较磁电式传感器的各种干扰影响中，通常温度干扰比较严重。严重。 考虑考虑传感器线圈温度影响，指示器线圈温度影响，电传感器线圈温度影响，指示器线圈温度影响，电阻温度影响阻温度影响，当温度增加时，则通过的电流可以表示为：，当温度增加时，则通过的电流可以表示为：011122(1)(1)(1)(1)EtIRtRtRt 000100%III 温度误差数值为：温度误差数值为：温度误差温度误差 可见，由于温度升高使得可见，由于温度升高使得E减小，而减小，而R和和Rf增加，所以增加，所以温度误差补偿办法温度误差补偿办法：在结构允许的情况下，在传感器的在结构允许的

17、情况下，在传感器的磁铁下设置磁铁下设置热磁分路热磁分路，进行温度补偿。，进行温度补偿。 000100%III 00II 温度误差温度误差 热磁分流器热磁分流器 用磁分路片搭装在磁系统的两极靴上，把气隙中的用磁分路片搭装在磁系统的两极靴上，把气隙中的磁通分出一部分。磁分路片由很大磁通分出一部分。磁分路片由很大负温度系数负温度系数的特殊磁的特殊磁性材料做成性材料做成。正常温度下，分路掉一部分磁通；温度升。正常温度下，分路掉一部分磁通；温度升高时，磁导率明显下降，分路掉更少一部分磁通高时，磁导率明显下降，分路掉更少一部分磁通，从而，从而保证气隙的工作磁通不随温度变化，起到温度补偿作用，保证气隙的工作

18、磁通不随温度变化，起到温度补偿作用，维持传感器的灵敏度为常数不变。维持传感器的灵敏度为常数不变。动态特性动态特性 ,nnBBB（1） 被测振动频率时，（2） 被测振动频率时，常数， 传感器的输出电压与振动速度成正比， 即为传感器的理想工作频段（3） 被测振动频率 过大，线圈阻抗增加，随着2磁电感应式传感器的测量电路磁电感应式传感器的测量电路磁电式传感器测量电路方框图磁电式传感器测量电路方框图 磁电式传感器直接输出感应电势磁电式传感器直接输出感应电势, , 且传感器通常具有较高且传感器通常具有较高的灵敏度的灵敏度, , 所以一般所以一般不需要高增益放大器不需要高增益放大器。但磁电式传感器是。但磁

19、电式传感器是速度速度传感器传感器, , 若要获取被测位移或加速度信号若要获取被测位移或加速度信号, , 则需要配用积则需要配用积分或微分电路。分或微分电路。速度速度位移位移加速度加速度1磁电感应式振动速度传感器磁电感应式振动速度传感器00II 三、磁电感应式传感器的应用三、磁电感应式传感器的应用 工作时工作时, , 传感器与被测物体刚性连接传感器与被测物体刚性连接, , 当物体振动时当物体振动时, , 传感器传感器外壳和永久磁铁随之振动外壳和永久磁铁随之振动, , 而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。随之振动。 因而因而, , 磁路空气隙中的线圈切

20、割磁力线而产生正比于振动磁路空气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势速度的感应电动势, , 线圈的输出通过引线输出到测量电路。线圈的输出通过引线输出到测量电路。 该传感器该传感器测量的是振动速度参数测量的是振动速度参数, , 若在测量电路中接入积分电路若在测量电路中接入积分电路, , 则输出电势则输出电势与位移成正比与位移成正比; ; 若在测量电路中接入微分电路若在测量电路中接入微分电路, , 则其输出与加速度成则其输出与加速度成正比。正比。2磁电感应式扭矩传感器磁电感应式扭矩传感器 传感器的检测元件部分由传感器的检测元件部分由永久磁铁、感应线圈和铁芯永久磁铁、感应线圈和铁芯组

21、组成。永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆成。永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，在线圈中感应出交流电压，其频率等于量也发生变化，在线圈中感应出交流电压，其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。圆盘上齿数与转数乘积。2磁电感应式扭矩传感器磁电感应式扭矩传感器 在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘, , 它们旁边装有相应的两个磁电传感器。它们旁边装有相应的两个磁电传感器。33 当转轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位差为当

22、转轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位差为零。当被测轴感受扭矩时，轴的两端产生扭转角，因此零。当被测轴感受扭矩时，轴的两端产生扭转角，因此两个传感器输出的两个感应电动势将因扭矩而有附加相两个传感器输出的两个感应电动势将因扭矩而有附加相位差位差 。扭转角。扭转角 与感应电动势相位差与感应电动势相位差 的关系为的关系为式中：式中：z z为传感器定子、转子的齿数。为传感器定子、转子的齿数。0z03. 电磁流量计电磁流量计测量导电液体的流量测量导电液体的流量 基本原理基本原理：法拉第电磁感应定律：法拉第电磁感应定律：导体在磁场中切割磁力线运动时产生感应电动势。导体在磁场中切割磁力线运动时产生感应电动

23、势。 电磁流量计测量原理电磁流量计测量原理导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势 BDE 4/2Dqv液体的体积流量液体的体积流量 24/vqD2(4/)vEDBDq式中式中, K为仪表常数，为仪表常数，K= 4B/D 在管道直径确定，磁感应强度不变的条件下，在管道直径确定，磁感应强度不变的条件下，体积流量体积流量与电磁感应电势有一一对应的线性关系与电磁感应电势有一一对应的线性关系，而与流体密度、，而与流体密度、粘度、温度、压力和电导率无关。粘度、温

24、度、压力和电导率无关。vqKE 电磁流量计流量传感器转换器电磁流量计流量传感器转换器第二节第二节 霍尔式传感器霍尔式传感器 霍尔传感器是基于霍尔传感器是基于霍尔效应霍尔效应的一种传感器。的一种传感器。1879年美国物年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。 随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，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发展。由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。 霍尔传感器广泛用于霍

25、尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等电磁测量、压力、加速度、振动等方方面的测量。面的测量。391 1霍尔效应霍尔效应 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B B 的磁场中，磁场方向垂直的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流于薄片，当有电流I I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势上将产生电动势E EH H，这种现象称为，这种现象称为霍尔效应霍尔效应。 磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况A AB BC CD D一、霍尔效应及其参数一、霍尔效应及其参数 霍耳效应与霍耳元件霍耳效应与霍耳元件霍尔效应演示霍尔

26、效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片偏移，在半导体薄片A A、B B方向的端面之间建立起霍尔电势。方向的端面之间建立起霍尔电势。A AB BC CD D42 作用在半导体薄片上的磁场强度作用在半导体薄片上的磁场强度B B越强，霍尔电势也就越高。越强，霍尔电势也就越高。 当有图示方向磁场当有图示方向磁场B B作用时作用时 如图所示如图所示, , 在垂直于外磁场在垂直于外磁场B B的方向上放置一导电板的方向上放置一导电板, , 导电板通以电流导电板通以电流I, I, 方向如图所示。导电板中的电流是金属方向如

27、图所示。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。此时中自由电子在电场作用下的定向运动。此时, , 每个电子受每个电子受洛仑磁力洛仑磁力f fm m的作用，的作用，f fm m大小为大小为 f fm m =Bev =Bev ee电子电荷电子电荷; ; vv电子运动平均速度电子运动平均速度; ; BB磁场的磁感应强度。磁场的磁感应强度。LbdBIHEIHUxyz f fm m的方向在图中是向上的的方向在图中是向上的, , 此时电子除了沿电流此时电子除了沿电流反方向作定向运动外反方向作定向运动外, , 还在还在f fm m的作用下向上漂移的作用下向上漂移, , 结结果使金属导电板上底面

28、积累电子果使金属导电板上底面积累电子, , 而下底面积累正电而下底面积累正电荷荷, , 从而形成了附加内电场从而形成了附加内电场 E EH H, , 称霍尔电场称霍尔电场, , 该电场该电场强度为强度为 bUEHH式中式中U UH H为电位差。为电位差。 霍尔电场的出现霍尔电场的出现, , 使定向运动的电子除了受洛仑磁力作使定向运动的电子除了受洛仑磁力作用外用外, , 还受到霍尔电场的作用力还受到霍尔电场的作用力, , 其大小为其大小为 此力阻止电荷继续积累。此力阻止电荷继续积累。 随着上、下底面积累电荷的随着上、下底面积累电荷的增加增加, , 霍尔电场增加霍尔电场增加, , 电子受到的电场力

29、也增加电子受到的电场力也增加, , 当电子所当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反时时, , 即即 此时电荷不再向两底面积累此时电荷不再向两底面积累, , 达到平衡状态。达到平衡状态。 EHFeEHHevBeEvBE即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, 电子定向运动平均速电子定向运动平均速度为度为v, v, 则激励电流则激励电流 则则 Ivbdne HIBEbdne HIBUned 式中令式中令R RH H =1/ =1/（nene）, , 称之为霍尔常数称之为霍尔常数, , 其大小取决其大小取决于导

30、体载流子密度，则于导体载流子密度，则中中K KH H=R=RH H/d/d称为霍尔片的灵敏度称为霍尔片的灵敏度。可见。可见, , 霍尔电势正比于激励电霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度流及磁感应强度, ,其灵敏度与霍尔常数其灵敏度与霍尔常数R RH H成正比而与霍尔片厚成正比而与霍尔片厚度度d d成反比。成反比。IBKdIBRUHHHInebvd 若所加磁场与导电板表面垂直方向的夹角为若所加磁场与导电板表面垂直方向的夹角为 ， 霍尔电势霍尔电势（U UH H）为：为：显然，改变显然，改变I I或或B B，即可改变即可改变U UH H。U UH H = k= kH HIBcosIBcos 对于对

31、于N N型材料，多数载流子为电子，型材料，多数载流子为电子，I I与与V V反向：反向：对于对于P P型材料，多数载流子为空穴，型材料，多数载流子为空穴，I I与与V V同向：同向：1HKned 1HKned2022-6-26传感器原理与应用48 bBflfElIdEH激励极间电阻：lRbdUElvlvlRIIInevbd同时：电子迁移率：电子迁移率：=v/E所以：llbdnebdHUBbUvBbEbBl2022-6-26传感器原理与应用49 bBflfElIdEH1HRne要求霍尔材料有要求霍尔材料有较大较大的电阻率和的电阻率和载流子迁移率载流子迁移率 可见，霍尔电动势除了正比于可见，霍尔电

32、动势除了正比于激励电流、电压及激励电流、电压及B外，与材料的外，与材料的迁移率及器件的宽度迁移率及器件的宽度b成正比，与成正比，与器件长度器件长度l成反比。其灵敏度与霍尔成反比。其灵敏度与霍尔系数系数RH成正比而与霍尔片厚度成正比而与霍尔片厚度d成成反比。反比。霍尔常数霍尔常数 的意义的意义:霍尔电势霍尔电势UH的大小正比于激励电流的大小正比于激励电流I和磁感应强度和磁感应强度B的乘积。的乘积。霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度KH是表征在单位磁感应强度和单位控制是表征在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小的重要参数。电流时输出霍尔电压大小的重要参数。霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度K

33、H与霍尔常数与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度成正比而与霍尔片厚度d成反比。所以，成反比。所以，为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。状。当控制电流方向或磁场方向改变时，输出电动势方向也将当控制电流方向或磁场方向改变时，输出电动势方向也将改变。改变。 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。 故故只有半导体材料适于制造霍尔片只有半导体材料适于制造霍尔片。 目前常用的霍尔元件材料有：目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、锑

34、化铟等锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料半导体材料。其中：。其中：N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。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，但在室温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。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。二、霍尔元件及其传感器二、霍尔元件及其传感器二、霍尔元件及其

35、传感器二、霍尔元件及其传感器1霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构 结构：由霍尔片、引线和壳体组成结构：由霍尔片、引线和壳体组成 霍尔片：一块霍尔片：一块矩形半导体单晶薄片矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。，引出四个引线。1、1两根引线加激励电压或电流，称为两根引线加激励电压或电流，称为激励电极（红线）激励电极（红线）；2、2引线为霍尔输出引线，称为引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极（绿线）霍尔电极（绿线）。 霍尔元件壳体由霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。封装而成。 4 42 20.1mm0.1mm3 3 激励电极激励电极霍尔电极霍尔电极(2) (2) 霍

36、尔元件基本特性霍尔元件基本特性l 线性特性与开关特性线性特性与开关特性l 不等位电阻不等位电阻l 负载特性负载特性 l 温度特性温度特性 l 不等位电阻不等位电阻 表示未加磁场时，不等位电势与相应电流的比值。表示未加磁场时，不等位电势与相应电流的比值。产生的产生的原因：原因：1、 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位上；霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位上；2、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；3、激励电极接触不良造成激励电流不均匀分配。其值大小为：、激励电极接触不良造成激励电流不均匀分配。其值大小为：00UrIl

37、负载特性负载特性 当霍尔电极间串接有负载时，由于要流过霍尔电当霍尔电极间串接有负载时，由于要流过霍尔电流，故在内阻上产生压降，实际的霍尔电动势比理论流，故在内阻上产生压降，实际的霍尔电动势比理论值略小，这就是霍尔元件的负载特性。值略小，这就是霍尔元件的负载特性。l 温度特性温度特性 通常，温度对半导体材料影响较大，对霍尔元件通常，温度对半导体材料影响较大，对霍尔元件也一样。温度影响其霍尔系数与电阻率。也一样。温度影响其霍尔系数与电阻率。(3) (3) 霍尔元件的误差及其补偿霍尔元件的误差及其补偿1 1、不等位电势：、不等位电势：当霍尔元件通以激励电流当霍尔元件通以激励电流I I时，若磁场时，若

38、磁场B=0B=0，理论上霍尔电势理论上霍尔电势U UH H=0,=0,但实际但实际U UH H00，这时测得的空载电势称，这时测得的空载电势称不等位电势不等位电势 U U0 0 。产生的原因：。产生的原因：霍尔引出电极安装不对称不在同一霍尔引出电极安装不对称不在同一等位面上，或激励电极接触不良。等位面上，或激励电极接触不良。半导体材料不均匀，几何尺寸不半导体材料不均匀，几何尺寸不均匀，造成电阻率不均匀。均匀，造成电阻率不均匀。2 2、寄生直流电动势的补偿、寄生直流电动势的补偿 产生原因：焊点不完全欧姆电阻，大小不等，热容量不同产生原因：焊点不完全欧姆电阻，大小不等，热容量不同 欧姆接触：金属与

39、半导体的接触，其接触面的电阻值远小于半导体本欧姆接触：金属与半导体的接触，其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻。身的电阻。 方法：元件制作安装时，尽量做到电极欧姆接触，并做到均匀散热。方法：元件制作安装时，尽量做到电极欧姆接触，并做到均匀散热。 为了消除不等位电势，可在阻值较大的桥臂上并联电阻为了消除不等位电势，可在阻值较大的桥臂上并联电阻（不（不对称补偿）对称补偿）。也可在两个桥臂上同时并联电阻。也可在两个桥臂上同时并联电阻（对称补偿）（对称补偿） 。3 3、霍尔元件的温度误差及补偿、霍尔元件的温度误差及补偿 霍尔元件是霍尔元件是半导体元件半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温，它的许多

40、参数与温度有关。当温度度T T变化时，载流子浓度变化时，载流子浓度n n、迁移率、迁移率、电阻率、电阻率，霍尔系数，霍尔系数 R RH H 都会变化。以下是几种补偿方法：都会变化。以下是几种补偿方法：恒流源补偿：恒流源补偿： 由由 U UH H = K = KH H I B I B 可见恒流源可见恒流源I I供电可使供电可使U UH H稳定，但灵敏度稳定，但灵敏度系数系数 K KH H = = R RH H/d =/d /d =/d 也是温度的函数：也是温度的函数： T T ，温度，温度T T变化时灵敏度变化时灵敏度KHKH也变化。也变化。 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

41、 KT KH H ，可通过减小，可通过减小I I保持保持 K KH H * * I I 不变，抵消温度造成不变，抵消温度造成K KH H增加的影响。增加的影响。u 具体补偿方法具体补偿方法:在霍尔元件上并联一电阻在霍尔元件上并联一电阻 Rp 分流，分流，IHUH RiN当当TIPUHRp Rp 自动加强分流，使自动加强分流，使Ip Ip 增大，增大，I IH H 下降，下降，U UH H下降；下降；补偿电阻补偿电阻 Rp Rp 可选择负温度系数可选择负温度系数. .IHRPTIPUH60恒流温度补偿电路恒流温度补偿电路 0HI)1 ()1 (00TRRTRRppii初始温度时：初始温度时：00

42、0pspiR IRR温度增加温度增加T时：时：霍尔元件输入电阻霍尔元件输入电阻温度增加温度增加T时：时：)1 ()1 ()1 (000TRTRITRRRIRIipspipspH欲使霍尔电势不变：欲使霍尔电势不变：0HHUU00HHHHKIBU I B00)(ipRR7.2.27.2.2 测量电路测量电路 霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线，霍尔晶体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，R RL L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） 实测中可把实测

43、中可把I I* *B B作输入，作输入， 也可把也可把I I或或B 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U U0 0与与I I或或B B成正比关系，或与成正比关系，或与I I* *B B成正比关系。成正比关系。7.2.37.2.3 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 优点优点: 结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长。特性好和寿命长。 应用领域：应用领域：点火系统、保安系统、转速、里程测定、点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、机械设备的限位开关

44、、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等位置及角度的检测等等7.2.37.2.3 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 微位移的测量微位移的测量 U UH H量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量。这种结构的传感器，化量。这种结构的传感器， 其动态范围可达其动态范围可达5 mm5 mm，分辨，分辨率为率为0.001mm0.001mm。 7.2.37.2.3 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 转速的测量转速的测量 7.2.37.2.3 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 转速的测量转速的测量 设旋转体上固定有设旋转体上固定有n n个永磁体

45、，则每采样时间个永磁体，则每采样时间t t（s s）内霍）内霍尔元件送入数字频率计的脉冲数为：尔元件送入数字频率计的脉冲数为：由此，得到转速为：由此，得到转速为：或：或： 该方法测量转速时分辨率的大小由转盘上的小磁体的数该方法测量转速时分辨率的大小由转盘上的小磁体的数目目n n决定。决定。2tNn2(/ )Nrad stn( / )2Nrr stn7.2.37.2.3 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 转速的测量转速的测量 基于霍尔元件的转速测量电路基于霍尔元件的转速测量电路7.2.37.2.3 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 压力的测量压力的测量 霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器霍尔压力传

46、感器结构原霍尔压力传感器结构原理理 一、单项选择题一、单项选择题1 1、制造霍尔元件的半导体材料中，目前用的较多的是锗、锑化铟、砷制造霍尔元件的半导体材料中，目前用的较多的是锗、锑化铟、砷化铟，其原因是这些（化铟，其原因是这些（ ）。）。 A A半导体材料的霍尔常数比金属的大半导体材料的霍尔常数比金属的大 B B半导体中电子迁移率比空穴高半导体中电子迁移率比空穴高 C C半导体材料的电子迁移率比较大半导体材料的电子迁移率比较大 D DN N型半导体材料较适宜制造灵敏度较高的霍尔元件型半导体材料较适宜制造灵敏度较高的霍尔元件2 2、磁电式传感器测量电路中引入积分电路是为了测量（磁电式传感器测量电

47、路中引入积分电路是为了测量（ ）。）。 A A位移位移 B B速度速度 C C加速度加速度 D D光强光强3 3、磁电式传感器测量电路中引入微分电路是为了测量（磁电式传感器测量电路中引入微分电路是为了测量（ ） A A位移位移 B B速度速度 C C加速度加速度 D D光强光强D DA A习习 题题 C C4 4、霍尔电势与（霍尔电势与（ ）成反比）成反比 A A激励电流激励电流 B B磁感应强度磁感应强度 C C霍尔器件宽度霍尔器件宽度 D D霍尔器件长度霍尔器件长度5 5、霍尔元件不等位电势产生的主要原因不包括（霍尔元件不等位电势产生的主要原因不包括（ ） A A霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位上霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位上 B B半导体材料不均匀造成电阻率不均匀或几何尺寸不均匀半导体材料不均匀造成电阻率不均匀或几何尺寸不均匀 C C周围环境温度变化周围环境温度变化 D D激励电极接触不良造成激励电流不均匀分配激励电极接触不良造成激励电流不均匀分配D D习习 题题 C C二、填空题二、填空题1 1、通过通过 将被测量转换