内蒙古大学传感器与检测技术讲义第6章磁敏式传感器

1、第6章 磁敏式传感器磁敏式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、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，其原理也不完全相同，因此各有各的特点和应用范围。6.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器也称为电动式传感器或感应式传感器。磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生电动势的，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。由于它输出功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽（101000 Hz），所以得到普遍的应用。1. 磁电感应式传感器工作原理根据电磁感应定律，当w匝线圈在恒定磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电势E与磁通变化

2、率d/dt有如下关系： （6-1）根据这一原理，可以设计成两种磁电传感器结构，即变磁通式和恒磁通式。图6-1是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。图6-1（a）所示为开磁路变磁通式，即线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随之一起转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速。图6-1（b）所示为闭磁路变磁通式，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永磁铁和感应线圈组成，内、外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外

3、齿轮不动，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，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应电势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。 1永磁铁；2软磁铁；3感应线圈；4测量齿轮；5内齿轮；6外齿轮；7转轴图6-1 变磁通式磁电传感器结构图图6-2所示为恒磁通式磁电传感器典型结构，它由永磁铁、线圈、弹簧、金属骨架等组成。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。其运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式（如图6-2（a）和动铁式（如图6-2（b）的工作原理是完全相同的。当壳体随被测振动体一起

4、振动时，由于弹簧较软，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，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，振动能量几乎全被弹簧吸收，永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，从而产生感应电势为 （6-2）式中，B0为工作气隙磁感应强度；L为每匝线圈平均长度；w为线圈在工作气隙磁场中的匝数；v为相对运动速度。图6-2 恒磁通式磁电传感器结构原理图2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时，如图6-3所示，磁电传感器的输出电流Io为图6-3 磁电感应式传感器等效测量电路 （6-3）式中，Rf为测量电路输入

5、电阻；R为线圈等效电阻。传感器的电流灵敏度为 （6-4）而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为 （6-5） （6-6）当传感器的工作温度发生变化，或者受到外界磁场干扰、机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化而产生测量误差。相对误差为 （6-7）磁电式传感器在使用时存在误差，主要为非线性误差和温度误差。图6-4 传感器电流的磁场效应1）非线性误差 磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是，由于传感器线圈内有电流I流过时，将产生一定的交变磁通I，此交变磁通叠加在永磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化，如图6-4所示。当传感器线圈相对于永磁铁磁场的运动速度增大时，将产生较大的感生电势E和较大的电流

6、I，由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱了工作磁场的作用，从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。当线圈的运动速度与图6-4所示方向相反时，感生电势E、线圈感应电流反向，所产生的附加磁场方向与工作磁场同向，从而增大了传感器的灵敏度。其结果是线圈运动速度方向不同时，传感器的灵敏度具有不同的数值，使传感器输出基波能量降低，谐波能量增加，即这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。显然，传感器灵敏度越高，线圈中电流越大，这种非线性越严重。为了补偿上述附加磁场干扰，可在传感器中加入补偿线圈，如图6-2（a）所示。补偿线圈通以经过放大K倍的电流，适当选择补偿线圈参数，可使其产生

7、的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通互相抵消，从而达到补偿的目的。2）温度误差 当温度变化时，式（6-7）中右边3项都不为零，对铜线而言每摄氏度变化量为dL/L0.167104，dR/R0.43102，dB/B每摄氏度的变化量取决于永磁铁的磁性材料。对铝镍钴永磁合金，dB/B0.02102，这样由式（6-7）可得近似值 （6-8）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成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。当温度升高时，热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低，从

8、而保持空气隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。3磁电感应式传感器的测量电路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，所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。实际电路中通常将微分或积分电路置于两级放大器的中间，以利于级间的阻抗匹配。图6-5所示为一般测量电路方框图。图6-5 磁电感应式传感器测量电路方框图6.2 霍尔式传感器霍尔传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应（霍尔效应）而输出电动势的一种传感器。1879年，美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没

9、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，由于其霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器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。1霍尔效应及霍尔元件1）霍尔效应 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时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，半导体薄片称为霍尔元件。如图6-7所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一个导电板，导电板通以电流I，方向如图6-7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，每个电子受洛仑兹力Fm的作用，Fm的大小为： （6-9）图6

10、-6 霍尔效应原理图式中，e为电子电荷；v为电子运动平均速度；B为磁场的磁感应强度。Fm的方向在图6-6中是向上的，此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在Fm的作用下向上漂移，结果使金属导电板上底面积累电子，而下底面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH，称为霍尔电场，该电场强度为 （6-10）式中，UH为电位差。霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛仑兹力作用外，还受到霍尔电场的作用力Fe，其大小为eEH，此力阻止电荷继续积累。随着上、下底面积累电荷的增加，霍尔电场增加，电子受到的电场力也增加，当电子所受洛仑兹力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反时，即 （6-11）则 （6-12） （6

11、-13）此时电荷不再向两个底面积累，达到平衡状态。若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速度为v，则激励电流I=nvbd（e），则 （6-14）将式（6-14）代入式（6-12）得 （6-15）将式（6-15）代入式（6-10）得 （6-16）式中，令RH=1/（ne），称为霍尔常数，其大小取决于导体载流子密度，则 （6-17）式中，KH=RH/d，称为霍尔片的灵敏度。由式（6-17）可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔常数RH成正比，而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。上述推导是针对N型半导体，对于P型半导体，则 （6-18）式中，

12、 （6-19）对霍尔片材料的要求，希望有较大的霍尔常数RH，霍尔元件激励极间电阻，同时，其中UI为加在霍尔元件两端的激励电压，EI为霍尔元件激励极间内电场，v为电子移动的平均速度。则 （6-20）解得 （6-21）从式（6-21）可知，霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。若要霍尔效应强，即霍尔电势大，则RH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。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敏度越大越好，霍尔元件的厚度d与KH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b加大，或减小时，载流子在偏转过程中的损失将加大，使下降。

13、通常要对式（6-17）加以形状效应修正，即 （6-22）式中，为形状效应系数，其修正值见表6-1。表6-1 形状效应系数L/b0.51.01.52.02.53.04.00.3700.6750.8410.9230.9670.9840.996一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。故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锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。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。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N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，但在室温时其霍尔系数较

14、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。表6-2 为常用国产霍尔元件的技术参数。表6-2 常用国产霍尔元件的技术参数参数名称符号单位HZ-1HZ-2HZ-3HZ-4HT-1HT-2HS-1材料（N型）Ge（111）Ge（111）Ge（111）Ge（100）InSbInSbInAs电阻率cm0.81.20.81.20.81.20.40.50.0030.010.0030.010.01几何尺寸lbdmm3840.2420.2840.2840.2630.2840.2840.2输入电阻Ri11020%11020%11020%4520%0.820%0.820%1.220%输出电阻Ro1

15、0020%10020%10020%4020%0.520%0.520%120%灵敏度KHmV/（mAT）12121241.820%0.820%120%不等位电阻ro0.070.050.070.020.0050.0050.003寄生直流电压UoV150200150b的长条形样品，l增加不明显；但对于lb的扁条形样品，l增加较明显，因而电阻增加较多；特别是圆盘形样品，从圆盘中心加以辐射形外电场时，几何磁阻效应特别明显，即在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽度的比越小，电阻率的相对变化越大。长方形磁阻器件只有在lb的长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍尔电势。科尔比诺

16、圆盘形磁阻器件的中心和边缘各有一个电极，因为圆盘形的磁阻最大，故大多磁阻器件做成圆盘结构。3磁阻元件的主要特性1）灵敏度特性 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磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场电阻变化率特性曲线的斜率。在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下磁阻元件的电阻值，RB为施加0.3T磁感应强度时磁阻元件的电阻值。这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于2.7，如图6-16所示。由图6-16（a）可知，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6-16（b）可知，在0.2T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而

17、超过0.2T后呈现线性变化。图6-15 半导体内电流分布图6-16 磁阻元件灵敏度特性2）电阻温度特性 图6-17所示的是一般半导体磁阻元件的电阻温度特性曲线。由图可知，半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的电阻值在不大的温度变化范围内减小得很快。因此在应用时，一般都要设计温度补偿电路。图6-17 半导体元件电阻温度特性曲线6.4 磁敏式传感器的应用1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MSF06型磁敏电阻器，只要将MSF06型半导体磁敏电阻器靠在电流线上就会得到输出电压。MSF06型磁敏电阻器在35时电阻值减小到室温时的1/2。因此，很少只使用一个磁敏电阻器，而是使用两个磁敏

18、电阻器，以使其温度特性能够得到补偿。MSF06型磁敏电阻器的电阻值磁场特性如图6-18所示，在磁场强度为0时的电阻值（初始电阻值）为800，MSF06具有0.075T的偏置磁场。在图6-18中可以看到，R0.7G=1k，R1.7G=1.5k，即每增加0.0001T的磁场可以使磁敏电阻的电阻值增加到原来的1.5倍。图6-18 MSF06型磁敏电阻器的电阻值磁场特性图6-19所示的是MSF06的温度特性。图6-20所示的是MSF06和铜导线之间的距离与输出电压的关系。当它紧贴直径0.1mm的铜导线时，对应于50Hz的100mA电流，输出的电压为0.27mVRMS。 图6-19 MSF06的温度特性

19、 图6-20 MSF06的间隔特性图6-21所示的是利用MSF06制作的非接触式电流检测器的电路图。20A时磁敏电阻的输出电压US为US=（0.27mV/0.1A）20A=54mV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1/5，即10mV。要想在图6-21所示电路输出2V的电压，放大器U2A的增益应当为200。在电路设计中采取了1001000倍的可调方式。图6-21 非接触式电流检测器随着电力线的粗细与形状的不同，即使被测电流相同，该电路的输出电压也不相同，因此该装置只能作为电流检测器使用。但是，它毕竟可以粗略地检测电流的大小，而且便于携带，操作方便。2基于霍尔传感器的通用型高斯计在测量磁通密度的仪器中有一种叫做高斯计。对测量范围要求如果不过分苛刻，在0.2T/2T两个量程之间相互切换的特拉斯计较易制作，实际电路图如图6-22所示。传感器使用THS103A型GaAs霍尔效应传感器，采用恒电流工作模式，满刻度的温度系数最大值可以控制在0.06%/，典型值可以控制在0.030.04%/