第7章 磁电式传感器

第7章磁电式传感器7.1磁电感应式传感器7.2霍尔式传感器7.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的传感器。有源传感器: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一般分为两种：磁电感应式:

利用导体和磁场发生相对运动产生感应电势霍尔式:

载流半导体在磁场中有电磁效应(霍尔效应)而输出电势7.1.1磁电感应式传感器工作原理

以电磁感应原理为基础的，根据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁链对时间的变化率，即若线圈相对磁场运动为速度v或角转度ω时或在传感器中，当结构参数确定后，即B、l、W、s均为定值，那么感应电势e与线圈相对磁场的运动速度(v或ω)成正比。两种磁电式传感器结构：1.变磁通式(磁阻式)角速度型测速电机图7-2恒定磁通式磁电传感器结构原理图（a）动圈式；(b)动铁式2.恒磁通式

飞机振动模态分析7.1.2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，磁电传感器的输出电流Io为（7-4)式中：

Rf——测量电路输入电阻；

R——线圈等效电阻。传感器的电流灵敏度为（7-5)图7-3磁电式传感器测量电路而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为(7-6)

(7-7)

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，从而产生测量误差，其相对误差为(7-8)

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。

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φI，此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化。图7-4传感器电流的磁场效应

2.温度误差

当温度变化时，式（7-8）中右边三项都不为零，对铜线而言每摄氏度变化量为dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2，dB/B每摄氏度的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，这样由式（7-8）可得近似值如下：温度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。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比例较正常工作温度下显著降低，使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。7.1.3磁电感应式传感器的测量电路图7-5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,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。7.1.4磁电感应式传感器的应用

1.动圈式振动速度传感器图7-6动圈式振动速度传感器

2.磁电式扭矩传感图7-7磁电式扭矩传感器工作原理图图7-8磁电式传感器结构图当扭矩作用在扭转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1和u2存在相位差，与扭转轴的扭转角成正比。这样，传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。7.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应及霍尔元件

1.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向不相同，则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德文·霍尔于1879年发现，称为霍尔效应，相应的电动势称为霍尔电势。霍尔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、压力等转换成电动势输出的一种传感器。霍尔效应原理图当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧（d侧）偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。bdEHIlBvfEfL－＋＋－称为霍尔系数，它是由基片材料的物理性质决定常数；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。

fL=evBfE=eEH霍尔电势:

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=nevbd，即定向运动的电子除受到洛仑兹力外，还受到霍尔电场的作用，当fL=fE时，达到平衡，此时霍尔元件激励极间电阻电子迁移率μ:

电子在电场作用下运动速度的大小，即在单位电场强度作用下电子的平均速度值同时霍尔元件材料金属材料，电子μ很高但ρ很小，绝缘材料，ρ很高但μ很小。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。霍尔元件材料1．锗(Ge)，N型及P型均可。2．硅(Si)．N型及P型均可。3．砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相似。图7-10霍尔元件（a）外形结构示意图；（b）图形符号2.霍尔元件基本结构国产霍尔元件型号的命名方法3.霍尔元件基本特性

(1)额定激励电流IH和最大允许激励电流

使霍尔片温升10℃所施加的控制电流值。以元件最大温升为限制所对应的激励电流（限制额定激励电流的主要因素是散热条件）（2）输入电阻Ri

控制电极间的电阻值（20±5℃）

输出电阻R0

指霍尔电极间的电阻值UHIHRiRo

(3）不等位电势和不等位电阻

当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，此时测得的空载霍尔电势。不等位电势就是激励电流经不等位电阻所产生的电压。(4）寄生直流电势(5）霍尔电势温度系数

图7-11不等位电势示意图4.霍尔元件不等位电势补偿补偿原理：将r1、r2、r3、r4其视为电桥的四个臂，即电桥不平衡，为使其平衡可在阻值较大的臂上并联电阻，或在两个臂上同时并联电阻。

图7-12霍尔元件的等效电路零点误差：不等位电势：①电极引出时偏斜，②半导体的电阻特性（等势面倾斜）造成。③激励电极接触不良。寄生直流电势：由于霍耳元件是半导体，外接金属导线时，易引起PN节效应，当电流为交流电时，整个霍耳元件形成整流效应，PN节压降构成寄生直流电势，带来输出误差。补偿方法制作工艺上保证电极对称、欧姆接触电路补偿:A、B为霍尔电极，C、D为控制电极，在极间分布的电阻用r1、r2、r3、r4表示，理想情况是r1＝r2＝r3＝r4，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，则说明此四个电阻不等。基本补偿电路

霍尔元件的不等位电势补偿电路有多种形式，下图为两种常见电路，其中RW是调节电阻。基本补偿电路没有考虑温度变化的影响。当温度发生变化，需要重新进行平衡调节。图7-135.霍尔元件温度补偿误差原因：温度变化时，KH,Ri（输入电阻）变化,KH=KH0(1+αΔT)

补偿办法对温度引起的I进行补偿。采用恒流源供电。但只能减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流的变化的影响。对KHI乘积项同时进行补偿。采用恒流源与输入回路并联电阻。初始状态：KH0,Ri0,图7-14恒流温度补偿电路

温度变化后：要使UH0=UHKH0IH0B=KHIHB

即具有温度补偿的补偿电路右图是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路。该补偿电路本身也接成桥式电路，其工作电压有霍尔元件的控制电压提供；其中一个为热敏电阻Rt，并且于霍尔元件的等效电阻的温度特性相同。霍尔集成电路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如UGN3501等。线性型三端霍尔集成电路线性型霍尔特性右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时，输出为正；磁场反向时，输出为负。开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）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，OC门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，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。开关型霍尔集成电路的外形及内部电路霍尔式接近开关

当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。霍尔式接近开关

当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC），起限位的作用。

用霍尔IC只能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。

图7-15霍尔式位移传感器的工作原理图(a)磁场强度相同传感器；(b)简单的位移传感器；(c)结构相同的位移传感器7.2.2霍尔传感器的应用

1.霍尔式微位移传感器霍尔线性位移传感器图7-16几种霍尔式转速传感器的结构2.霍尔式转速传感器在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。设该齿轮有22个齿SN线性霍尔磁铁霍尔式接近开关用于转速测量演示软铁分流翼片

开关型霍尔ICTNS霍尔元件ωα（转角）VH0π2πNS霍尔元件ωα（转角）VH0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。霍尔式转速计图7-17霍尔计数装置的工作示意图及电路图3.霍尔计数装置

当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。

4.霍尔电流传感器霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口霍尔钳形电流表演示直流200A量程被测电流的导线未放入铁心时示值为零70.9A钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示70.9A霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的铁心张开将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中将空调电源的“三芯护套线”夹到钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？霍尔钳形电流表的使用（续）叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便用钳形表测量电动机的相电流霍尔式电流谐波分析仪

被测电流的谐波频谱铁心的开合缝隙

铁心的杠杆压舌5.霍尔式微压力传感器6.霍尔式角位移传感器叶片和齿轮位置传感器7.霍尔式汽车速度测量传感器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。磁电式车速传感器8.霍尔式无刷电动机

霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。

普通直流电动机使用的电刷和换向器无刷电动机在电动自行车上的应用电动自行车可充电电池组无刷电动机无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。电动自行车的无刷电动机及控制电路去速度控制器利用PWM调速霍尔电流传感器的技术指标某型号霍尔电流传感器技术指标

额定输入电流：300A

额定输出电：4±1%V

电源电压：±15±5%V

失调电压：25mV

失调电压漂移：≤±1mV/℃

线性度：≤1%FS

响应时间：≤7μS

绝缘电压：50HZ，1min，2.5KV

工作温度：-10～+70℃

匝数比：1：2000

霍尔电流传感器的技术指标与计算

“匝数比”：

NP被定义为“一次测线圈”的匝数，一般取NP=1；N