第八、九章磁电感应式、霍尔式传感器

第8章磁电感应式传感器8.1基本原理利用电磁感应定律将被测量转变成感应电动势而进行测量的一种传感器，又称磁电感应式传感器。

(1)根据电磁感应定律，导体在稳恒均匀磁场中沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为：

(2)当一个N匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈内的感应电势e与磁通变化率dφ/dt有如下关系：磁电感应式可设计成变磁通式和恒磁通式两种结构。3/23/20241liby@一、变磁通式结构图（a）为衔铁上下振动结构。用于振动速度的测量。图（b）为变磁通式结构。铁心以角速度ω旋转，截面积为A。旋转使磁感应强度为：B1=Bsin（2ωt）3/23/20242liby@恒磁通式：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。运动部件可以是磁铁（动铁式），如图（a）；也可以是线圈（动圈式），如图（b）、图（c）。运动方向与磁感应强度间夹角。二、恒磁通式结构3/23/20243liby@

磁电式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，是一种有源传感器。磁电式传感器与变气隙式电感传感器的区别：变气式电感传感器没有永久磁铁，只是个铁心线圈，磁电式传感器是把衔铁的运动速度转换为电压，电压与位移对时间的变化率成正比，而变气式电感传感器是将衔铁位移转换为线圈电感变化，电感与位移成对应关系。三、接口电路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。图为一般测量电路方框图。

3/23/20244liby@第9章霍尔式传感器9.1工作原理

霍尔式传感器是基于霍尔效应，是将电流、磁场、位移、压力、压差、转速等被测量转换成电动势输出的一种传感器。应用：将被测量电流，磁场、位移、压力转换霍尔电压。特点：结构简单、工艺成熟、线性好、频带宽、体积小使用寿命长。霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。霍尔效应原理：基于电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。3/23/20245liby@霍尔系数RＨ（见P101）RＨ=ρμ3/23/20246liby@9.2霍尔传感器组成与基本特性

霍尔元件的结构和符号图1、霍尔元件符号

2、特性霍尔电压与磁感应强度在一定范围内保持线性，霍尔元件输出电阻随磁场绝对值增加而增加。3/23/20247liby@

3、霍尔元件的基本误差及其补偿（P104）

4、基本电路图示为霍尔器件的基本电路。控制电流由电源E供给，R为调节电阻，调节控制电流的大小。霍尔输出端接负载电阻Rf。Rf可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示器内阻。在磁场与控制电流的作用下，负载上就有电压输出。在实际使用时，电流I或磁场B，或者两者同时作为信号输入，而输出信号则正比于I或B，或者正比于它们的乘积。

3/23/20248liby@

1）恒压工作P107

如图所示，恒压工作比恒流工作的性能要差一些，适合于对精度要求不高的场合。当使用SHS210霍尔器件时，在1V、1K高斯条件下，输出电压为21～55mV，偏移电压为±7％。3/23/20249liby@

2）恒流工作为了充分发挥霍尔传感器的性能，最好使用恒流源供电，如图所示。在恒流工作条件下，没有霍尔器件输入电阻和磁阻效应的影响。电路图中的THS103A-GaAs霍尔器件，在5mA工作电流、1K高斯条件下，输出电压50～120mV，此时的偏移电压为±10％（5～12mV）。3/23/202410liby@3）霍尔元件的连接方式及霍尔元件的输出电路P1083/23/202411liby@

5、霍尔集成器件将霍尔元件、放大器、施密特触发器及输出电路集成化。P110

霍尔线性集成器件构成：霍尔元件、放大器、差分输出电路、稳压电源；无触点电位器、无刷直流电机、位移传感器。3/23/202412liby@

霍尔开关器件原理将被测磁场强度转换为电平输出，当磁感应强度为B1，输出为高电平；当磁感应强度为B2，输出为低电平。

3/23/202413liby@霍尔式位移传感器原理示意图

9.2霍尔传感器的应用1、霍尔传感器测位移原理

图示为获得霍尔电压随位移变化的线性关系，使传感器的磁场具有均匀的梯度变化特性。这样只要保持I恒定，则霍尔电压只取决于它在磁场中的位移。且磁场梯度越大，灵敏度越高。3/23/202414liby@2、霍尔转速传感器霍尔转速传感器的结构原理如图所示。它是利用开关型霍尔集成电路测量转速，在被测物体上粘贴一对或数对小磁钢，霍尔开关型集成电路安装在小磁钢附近。待测物以角速度旋转时，霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲。3、霍尔汽车无触点点火器汽车四汽缸点火装置示意图如图。P1121磁轮鼓；2开关型霍尔集成电路；3功率开关；4点火线圈；5火花塞3/23/202415liby@霍尔式传感器测功率原理图4、霍尔传感器测功率原理P1133/23/202416liby@

UH与I和B的乘积成正比，如果I和B是两个独立变量，霍尔器件就是一个简单实用的模拟乘法器；如果I和B分别与某一负载两端的电压和通过的电流有关，则霍尔器件便可用于负载功率测量。上图示是霍尔功率传感器原理图。负载所取电流流过铁芯励磁线圈以产生交变磁感强度B=KBImsin（ωt+

），电源电压经过降压电阻得到的交流电流(ic=KiUmsinωt)流过霍尔器件，则霍尔器件输出电压便与电功率成正比。若在霍尔电压的输出端节低通滤波器，滤去二倍频交流分量，则滤波器的输出电压与被测网络的有功功率成正比。3/23/202417liby@1、设计一个采用霍尔传感器的液位控制系