第9讲-磁电式传感器应用

传感器原理及应用主讲人：康朝海主要内容：4.1磁电感应式传感器4.2霍尔式传感器

4.3

磁敏传感器

传感器基础第4章

磁电式传感器概述

磁电式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。是典型的有源传感器。特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低。通常在10—100HZ适合作机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。磁电式传感器机械能电量概述

霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。磁敏传感器磁学量电信号霍尔传感器测转速磁电传感器概述4.1磁电感应式传感器（电动式）

根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e。e的大小与穿过线圈的磁通Φ变化率有关。4.1.1工作原理4.1.1工作原理根据以上原理有两种磁电感应式传感器：恒磁通式：磁路系统恒定磁场运动部件可以是线圈也可以是磁铁。变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。

恒磁通式4.1.2基本特性电压灵敏度：

由可得；传感器灵敏度：(常数)电流灵敏度:4.1.3磁电感应式传感器的应用

电磁式传感器通常用来做机械振动测量。振动传感器结构大体分两种：①动钢型（线圈与壳体固定）②动圈型（永久磁铁与壳固定）磁铁与线圈之间相对运动运动速度接近振动速度，磁路空气隙中的线圈切割磁力线，产生于正比振动速度的感应电动势。4.1.3磁电感应式传感器的应用

动钢型动圈型4.1.3磁电感应式传感器的应用

磁电式振动传感器的特性：

磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要静止的基准参考，可直接装在被测体上。传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械能转化为电能输出。速度传感器的输出电压正比于速度信号

，便于直接放大。输出阻抗低，对后置电路要求低，干扰小。4.1.3磁电感应式传感器的应用4.1.3磁电感应式传感器的应用

4.1.3磁电感应式传感器的应用

信号输出送测量电路接入积分电路测量位移；接入微分电路测量加速度。4.1.3磁电感应式传感器的应用积分电路输出微分电路输出

4.2霍尔式传感器

实际应用中磁敏元件主要用于检测磁场，而与人们相关的磁场范围很宽，一般的磁敏传感器检测的最低磁场只能到高斯。

磁场强度与磁场源的分布4.2霍尔式传感器测磁的方法：①利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如：磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器；②利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件；③利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器；④利用超导效应传感器，SQVID约瑟夫元件；⑤利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，微型化和集成化方向发展。4.2.1霍尔效应

霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流I，在薄片垂直方向施加磁感强度B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势。

通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I与磁场B方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。4.2.1霍尔效应

在磁场中导体自由电子在磁场的作用下做定向运动。每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：

霍尔电场霍尔电场作用于电子的力4.2.1霍尔效应

当两作用力相等时电荷不再向两边积累，达到动态平衡：通过（半）导体薄片的电流I与载流子浓度n，电子运动速度v，薄片横截面积b*d有关：霍尔电势：4.2.1霍尔效应代入后：霍尔常数与材料有关霍尔灵敏度与薄片尺寸有关4.2.1霍尔效应讨论：任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件。绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用；金属材料电子浓度很高，RH很小，UH很小。半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型半导体（多电子）。由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米。4.2.2霍尔传感器基本电路

霍尔晶体外形矩形薄片有四根引线，两端加激励两端为输出；电源E，控制电流I；负载RL，R可调保证控制电流，

B磁场与元件面垂直（向里）。实测中可把I*B作输入，也可把I或B单独做输入。通过霍尔电势输出测量结果。输出Uo与I或B成正比关系。4.2.3霍尔传感器的误差及补偿(1)不等位电势

当霍尔元件通以激励电流I时，若磁场B=0，理论上霍尔电势UH=0,但实际UH不等于0，这时测得的空载电势称不等位电势U0。产生的原因：霍尔引出电极安装不对称半导体材料不均匀不等位电势的补偿4.2.3霍尔传感器的误差及补偿(1)不等位电势

4.2.3霍尔传感器的误差及补偿

(2)温度误差及补偿霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温度T变化时，载流子浓度n、迁移率μ、电阻率ρ，霍尔系数RH都会变化。以下是几种补偿方法：恒流源补偿：由UH=KHIB可见恒流源供电可使UH稳定但灵敏度系数

KH=RH/d=ρμ/d也是温度的函数：具体补偿方法:在霍尔元件上并联一Rp分流，当T增大时—Ri增大—UH增大—IH减小—Ip增大—UH

下降，Rp

自动加强分流，使Ip

增大—IH下降—UH下降,补偿电阻Rp可选择负温度系数.4.2.3霍尔传感器的误差及补偿

(2)温度误差及补偿4.2.4霍尔传感器的应用霍尔元件符号4.2.4霍尔传感器的应用(1)位移测量(2)测转速(3)计数装置(导磁产品)检缺口、检齿磁场测量转速测量4.2.4霍尔传感器的应用霍尔传感器位移测量原理

4.2.4霍尔传感器的应用霍尔压力传感器结构原理

4.2.4霍尔传感器的应用霍尔元件和磁体运动方式4.2.4霍尔传感器的应用霍尔元件测位置霍尔元件测角度4.2.5霍尔集成传感器1集成霍尔元件4.2.5霍尔集成传感器线性集成电路(测位移、测振动)4.2.5霍尔集成传感器开关集成器件(测转速、开关控制、判断NS极性)B’、