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，根据电磁感应定律，在切割磁传感器就是线圈，根据电磁感应定律，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

2、，从而使磁场强度转换为电信号。 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。 磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。 磁电式传感器有时也称作电动式或感应式传感器， 它只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为101000Hz。5-15-1 磁电感应式传

3、感器磁电感应式传感器 磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力(矩)发生器和电磁激振器等。 根据电磁感应定律，当W匝线圈在均恒磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电势e与磁通变化率d/dt有如下关系：dtdWe 根据这一原理，可以设计成变磁通式和恒磁通式两种结构型式，构成测量线速度或角速度的磁电式传感器。图5.1所示为分别用于旋转角速度及振动速度测量的变磁通式结构。变磁通式结构图(a)旋转型（变磁）； (b)平移型（变气隙） 其中永久磁铁1(俗称“磁钢”)与线圈4均固定，动铁心3(衔铁)的运动使气隙5和磁路磁阻变化，引起磁通变化而在线圈中产生感应电势，因此又称变磁阻式

4、结构。 在恒磁通式结构中，工作气隙中的磁通恒定，感应电势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割磁力线而产生。这类结构有两种，如图5-2所示。恒磁通式结构 (a)动圈式；(b)动铁式 图中的磁路系统由圆柱形永久磁铁和极掌、圆筒形磁轭及空气隙组成。气隙中的磁场均匀分布，测量线圈绕在筒形骨架上，经膜片弹簧悬挂于气隙磁场中。 当线圈与磁铁间有相对运动时，线圈中产生的感应电势e为Blve 式中 B气隙磁通密度(T)； l气隙磁场中有效匝数为W的线圈总长度(m) 为llaW(la为每匝线圈的平均长度) v线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度(ms-1)。 当传感器的结构确定后，式(5-2)中B、la、W

5、都为常数，感应电势e仅与相对速度v有关。传感器的灵敏度为 为提高灵敏度，应选用具有磁能积较大的永久磁铁和尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度B；增加a和W也能提高灵敏度，但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率等因素的限制。 为了保证传感器输出的线性度，要保证线圈始终在均匀磁场内运动。设计者的任务是选择合理的结构形式、材料和结构尺寸，以满足传感器基本性能要求。 BlveS开磁路磁阻式转速传感器开磁路磁阻式转速传感器 1永久磁铁永久磁铁3感应线圈感应线圈2软铁软铁4齿轮齿轮 60/Znf 结构比较简单，但输出信号较小，结构比较简单，但输出信号较小，当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。当被测

6、轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。 5-2 5-2 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霍尔效应原理霍尔效应原理而将被而将被测量，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霍尔效应是导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。生电动势的物理效应。 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向不相同，则

7、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德文霍尔于霍尔于1879年发现，称为霍尔效应，相应的电动势年发现，称为霍尔效应，相应的电动势称为霍尔电势。称为霍尔电势。bdVHIlBvFFHHHRBIVB IKIBnedd1HRne称为霍尔系数，它是由基片材料的物理性质称为霍尔系数，它是由基片材料的物理性质决定常数决定常数,e=1.602x10E-19C,n 为线圈数；为线圈数； HHRKd灵敏度系数，表示在单位磁感应强度和单位灵敏度系数，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势大小。控制电流时的霍尔

8、电势大小。 当磁场感应强度当磁场感应强度B和霍尔片平面和霍尔片平面法线成角度法线成角度时时, 霍尔电势为：霍尔电势为： cosHHVKIBl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。 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, ,

9、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。霍尔元件霍尔元件砷化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，体积小二、霍尔片主要技术指标二、霍尔片主要技术指标 1、额定激励电流、额定激励电流 IH 使霍尔片温升使霍尔片温升10所施加的控制电流值。所施加的控制电流值。 （限制额定激励电流的主要因素是散热条件）（限制额定激励电流的主要因素是散热条件） 2、输入电阻、输入电阻 Ri 控制电极间的电阻值，规定在室温（控制电极间的电阻值，规定在室温（205）的环境温

10、度中测取。的环境温度中测取。 指霍尔电极间的电阻值，规定在（指霍尔电极间的电阻值，规定在（205）条）条件下测取。件下测取。 3、输出电阻、输出电阻 RS4、不等位电势、不等位电势V0及零位电阻及零位电阻r0 当控制磁感应强度为零，控制电流为额定值当控制磁感应强度为零，控制电流为额定值IH时，时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势（或零位电霍尔电极间的空载电势称为不等位电势（或零位电势）。势）。 不等位电势也可用不等位电阻表示：不等位电势也可用不等位电阻表示： 00HVI0 零位电阻零位电阻 产生不等位电势的原因主要是：产生不等位电势的原因主要是： 霍尔电极安装位置不正确（不对称或不在同一等电

11、位面霍尔电极安装位置不正确（不对称或不在同一等电位面上）；上）； 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；匀； 控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。 （均是制造工艺造成的）（均是制造工艺造成的）三、霍尔片的电路三、霍尔片的电路 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。 ABCDIR1R2R3R4 补偿原理补偿原理： 将将R1、R2、R3、

12、R4其视其视为电桥的四个臂，即电桥为电桥的四个臂，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、温度补偿、温度补偿 霍尔片是采用半导体材料制造的，因此它们

13、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

14、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。 （2）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

15、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。 四、霍尔开关集成传感器四、霍尔开关集成传感器 霍尔开关集成霍尔开关集成传感器是利用霍尔传感器是利用霍尔效应与集成电路技效应与集成电路技术结合而制成的一术结合而制成的一种磁敏传感器，它种磁敏传感器，它能感知与磁信息有能感知与磁信息有关的物理量，并以关的物理量，并以开关信号形式输出。开关信号形式输出。 稳压稳压整形整形VCC输出输出地地123霍尔元件霍尔元件放大放大 由稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路、开路输出由稳压电路、霍尔

16、元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内五部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作，开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。工作，开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。 稳压稳压整形整形VCC输出输出地地123霍尔元件霍尔元件放大放大 当有磁场作用在传感器上时，霍尔元件输出霍尔电压当有磁场作用在传感器上时，霍尔元件输出霍尔电压VH，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路，当放大后的该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路，当放大后的VH电压大于电压大于“开启开启”阈值时，施密特整形电路翻转，输出高阈值时，施密特整形电路翻转，

17、输出高电平，使半导体管导通电平，使半导体管导通“开状态开状态”；当磁场减弱时，霍；当磁场减弱时，霍尔元件输出的尔元件输出的VH很小，经放入器放大后其值也小于施密特整很小，经放入器放大后其值也小于施密特整形电路的形电路的“关闭关闭”阈值，施密特整形电路再次翻转，输出低阈值，施密特整形电路再次翻转，输出低电平，使半导体管截止，这种状态为电平，使半导体管截止，这种状态为“关状态关状态”。一次。一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关动作。磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关动作。 工作原理：工作原理：霍尔开关传感器的用途：霍尔开关传感器的用途： 霍尔开关集成传感器基本用途有：汽车点火系霍尔开

18、关集成传感器基本用途有：汽车点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的检测与控制、位置及角度开关、按钮开关、电流的检测与控制、位置及角度的检测，等等。的检测，等等。 几种接口电路形式几种接口电路形式几种不同尺寸外形的霍尔开关几种不同尺寸外形的霍尔开关五、霍尔线性集成传感器五、霍尔线性集成传感器 霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场呈线性比例关系。呈线性比例关系。 稳压稳压VCC输出输出地地123霍尔元件霍尔元件放大放大稳压稳压VCC输输出出地地341霍尔元件霍尔元件放大放大8单端输

19、出传感器的电路结构单端输出传感器的电路结构双端输出的电路结构双端输出的电路结构 霍尔线性集成传感器一般由霍尔元件和放大霍尔线性集成传感器一般由霍尔元件和放大器组成，当外加磁场时，霍尔元件产生与磁场成器组成，当外加磁场时，霍尔元件产生与磁场成线性比例变化的霍尔电压，经放大器放大后输出。线性比例变化的霍尔电压，经放大器放大后输出。 霍尔线性传感器广泛用于位置、力、重量、霍尔线性传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。 六、霍尔传感器的应用六、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

20、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、位产品有高斯计、霍尔罗盘、大电流计、功率计、位移传感器、乘法器、调制器等。移传感器、乘法器、调制器等。1、转速测量

21、、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

22、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

23、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

24、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 用霍尔元件测量电流，都是通过霍尔元件检测通用霍尔元件测量电流，都是通过霍尔元件检测通电导线周围的磁场来实现的。电导线周围的磁场来实现的。 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10KA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

25、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

26、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

27、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

28、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

29、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