第4.3节-磁电式传感器

第4.2节磁电式传感器霍尔式传感器三概述一磁电感应式传感器二概述一磁电式传感器被测量电信号振动、位移、转速磁电作用磁电式传感器磁电感应式传感器霍尔式传感器利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势的；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。有源传感器具有较大的输出功率具有双向转换特性只应用于动态测量认识磁电感应式传感器工作原理和结构类型测量电路磁电感应式传感器应用举例磁电感应式传感器二它是一种机-电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为10～1000

Hz)，所以得到普遍应用。电动势式传感器工作原理：W匝线圈在磁场中切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中产生的感应电动势e取决于穿过线圈磁通中的变化率。磁电感应式传感器二1、概述根据电磁感应定律，当W匝线圈在均恒磁场中运动时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈的感应电势e为：法拉第电磁感应定律数学表达式：2、工作原理磁电感应式传感器二线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线，感应电动势为：B：磁场磁感应强度；l:每匝线圈的长度θ：运动方向与磁场方向之间的夹角；v:线圈与磁场之间的相对运动速度2、工作原理磁电感应式传感器二线圈相对磁场作旋转运动并切割磁力线，感应电动势为：S：每匝线圈的截面积θ：线圈平面法线方向与磁场方向之间的夹角；ω:线圈与磁场之间的相对运动角速度2、工作原理磁电感应式传感器二磁电感应式恒磁通变磁通线圈与磁铁之间没有相对运动，由运动着的被测物体（导磁材料）改变磁路的磁阻，引起磁通量变化从而在线圈中产生感应电势。恒定的直流磁场，磁场中的工作气隙固定不变，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。线圈与磁铁间存在相对运动，线圈切割磁力线产生与相对速度v成比例的感应电势e。基本类型磁电感应式动圈式开磁路线速度型角速度型动铁式恒磁通变磁通闭磁路磁电感应式传感器二基本类型（1）变磁通式磁电传感器结构与工作原理变磁通式磁电感应传感器一般做成转速传感器，产生感应电动势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化的频率。变磁通式转速传感器的结构有开磁路和闭磁路两种。a）开磁路b）闭磁路a）开磁路b）闭磁路a）开磁路：测量齿轮2安装在被测转轴上与其一起旋转。当齿轮旋转时，齿的凹凸引起磁阻的变化，从而使磁通发生变化，因而在线圈3中感应出交变的电势，其频率等于齿轮的齿数Z和转速n的乘积，即式中：Z为齿轮齿数；n为被测轴转速(r/min)；f为感应电动势频率(Hz)。这样当已知Z，测得f就知道n了。开磁路式转速传感器结构比较简单，但输出信号小，另外当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器。被测转轴带动椭圆形测量轮5在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性地变化，因而磁路磁阻和磁通也同样周期性地变化，则在线圈3中产生感应电动势，其频率f与测量轮5的转速n(r/min)成正比，即f=n/30。在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮5，软铁制成内齿轮形式，这时输出信号频率f

同前式。b）闭磁路特点对环境条件要求不高能在-150

＋90℃的温度下工作，不影响测量精度也能在油、水雾、灰尘等条件下工作但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。变磁通应用实例：车速传感器（2）恒定磁通式磁电传感器结构与工作原理

工作原理：当壳体随被测振动体一起振动时，使永久磁铁与线圈产生相对运动，切割磁力线，相对运动速度接近于振动体振动速度。切割磁力线产生感应电势e相对运动速度的匝数线圈在工作气隙磁场中每匝线圈的平均长度工作气隙磁感应强度其中：----µ-=vWlBveWvsinθlBe00结构特点动铁式：线圈组件与传感器壳体固定，永久磁铁用柔软的弹簧支撑。动圈式：永久磁铁与传感器壳体固定，线圈组件用柔软的弹簧支撑。动圈式NS永久磁铁线圈弹簧动圈式

线速度型应用实例工业测振动microphone测速电机角速度型应用实例被测物SN壳体线圈永久磁铁弹簧动铁式恒定磁通式传感器3、磁电感应式传感器的测量电路

磁电感应式传感器只适合于动态测量，可以直接测量物体的速度或角速度。加入积分或微分电路后，可以测量位移和加速度。

4、磁电感应式传感器应用举例

（1）振动测量（2）转速测量（3）扭矩测量（1）振动测量工作频率10～500

Hz最大可测加速度5g精度≤10％固有频率12

Hz可测振幅范围0.1～1000

外形尺寸45mm×160

mm灵敏度604

mV·s·cm-1工作线圈内阻1.9质量0.7

kg1、8—圆形弹簧片；2—圆环形阻尼器；3—永久磁铁；4—铝架；5—心轴；6—工作线圈；7—壳体；9—引线在测振时，传感器固定或紧压于被测系统，磁钢4与壳体2一起随被测系统的振动而振动。装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成惯性系统的质量块并在磁场中运动。动圈式振动传感器1—圆形弹簧片；2—壳体；3—圆环形阻尼器；4—永久磁铁；5—工作线圈；6—心轴；9—引线由于感应电压与磁通φ的变化率成比例，即

(W是线圈匝数）故随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一定程度时，电压幅值会减小到无法检测出来的程度。故这种传感器不适合于低速测量。为提高低转速的测量效果，可采用电涡流式转速传感器。磁电感应式转速传感器的结构原理如图所示。当安装在被测转轴上的齿轮（导磁体）旋转时，其齿依次通过永久磁铁两磁极间的间隙，从而在线圈上输出频率和幅值均与轴转速成比例的交流电压信号u0。（2）转速测量磁电感应式扭矩传感器如图所示，在转轴上固定两个齿轮1和2，它们的材质、尺寸、齿形和齿数均相同。永久磁铁和线圈组成的磁电式检测头3和4对着齿顶安装。当转轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位差为零。转轴承受扭矩后，相位差不为零，且随两齿轮所在横截面之间相对扭转角的增加而加大，其大小与相对扭转角、扭矩成正比。（3）扭矩测量z为传感器定子、转子的齿数。相位差扭转角

12测量仪表uwt霍尔式传感器的工作原理霍尔元件构造及测量电路霍尔元件的主要技术指标和补偿电路霍尔式传感器的应用举例

霍尔式传感器三

首先来看一个利用霍尔式传感器将非电量转化为磁场变化，从而进行测量的例子。

与电感式微压力传感器具有类似结构。霍尔式传感器：是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。霍尔式传感器的核心是霍尔元件，霍尔式传感器是由霍尔元件及相关的测量电路共同构成的一种测量装置。应用：电磁、压力、加速度、振动等方面的测量。

特点：体积小，外围电路简单，频带宽，动态特性好，寿命长，可实现非接触测量。1、霍尔式传感器的工作原理（1）霍尔效应

导体或半导体薄片置于磁场B中，在相对两侧通以电流I，在垂直于电流和磁场的方向上将产生一个大小与电流I和磁感应强度B的乘积成正比的电动势。这一现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。霍尔效应的实质：是电磁学一种重要的电磁感应现象。产生霍尔效应的微观原因是洛仑兹力的作用，载流子（电子）在磁场中作定向运动，将受到洛仑兹力的作用，分布产生一定的偏离，其结果是宏观上感应电动势。霍尔效应演示cdab（2）霍尔效应原理分析霍尔效应原理图一块长为l、宽为b、厚为d的N型半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中。当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH。（2）霍尔效应原理分析电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，每个电子受到洛仑兹力N型半导体：FL

=evBe—电子电量(1.602×10-19C)根据右手螺旋定则，电子运动方向向上偏移，则在上端产生电子积聚，下端失去电子产生正电荷积聚。从而形成电场EH。EH电场强度霍尔效应原理图（2）霍尔效应原理分析bUEHH=电场强度同时，每个电子所受电场力为==bU-e-eEFHHE霍尔效应原理图当电子所受洛伦兹力与霍尔电场作用力大小相等方向相反，即

（2）霍尔效应原理分析=eBv

FL=evBbUeFHE=霍尔电动势UH=vBb此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。霍尔效应原理图霍尔电势UH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。可改写成：

—霍尔常数，由材料物理性质决定。ρ—材料电阻率μ—载流子迁移率n—N型半导体中的电子浓度电流密度j=-nevKH—霍尔系数，也称霍尔元件的灵敏度系数金属材料电子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。而电子的迁移率比空穴大，所以以N型半导体居多。（2）霍尔效应原理分析P型半导体p—P型半导体中的空穴浓度结论：注意：（1）当控制电流（或磁场）方向改变时，霍尔电动势的方向也将改变，但电流与磁场方向同时改变时，霍尔电动势方向不变；（2）当载流材料和几何尺寸确定后，霍尔电动势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。（3）如果所加磁场方向与半导体薄皮的表面垂直方向的夹角为θ，则霍尔式传感器可以检测什么量？检测电流，或者检测能够引起磁场变化的物理量（位移、压力、振动）如何提高传感器的灵敏度？减小元件厚度，采用薄的霍尔元件可以获得更大的电势输出。霍尔效应演示当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab2、霍尔元件构造及测量电路（1）构造霍尔元件是一种四端元件外形一种封装的贴片式霍尔元件（1）构造由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔片：矩形半导体薄片；四极引线：长度方向两端面（控制电流端引线）和侧边两端面中点（霍尔电势输出引线）壳体：非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。

组成控制电极霍尔电极（1）构造电路符号H霍尔元件的符号AAABBBCCCDDD关于霍耳器件符号，名称及型号，国内外尚无统一规定，为叙述方便起见，暂规定下列名称的符号。

国产霍尔元件的命名方法（补充）

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。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。霍尔元件常用材料（补充）（2）测量电路RP：调整控制电流的大小；RL：输出端负载，可以是一般电阻，也可以是放大器输入电阻或表头内阻。霍尔效应建立的时间极短（10-12～10-14S），I即可以是直流，也可以是交流。若被测物理量是I、B或者IB乘积的函数，通过测量霍尔电势UH就可知道被测量的大小。3、霍尔元件的主要技术指标和补偿电路（1）额定激励电流IH——霍尔元件温升10℃时所加的电流通过电流IH的载流体产生焦尔热W1H霍尔元件的散热W2H（主要由没有电极的两个侧面承担）热平衡时△T：限定的温升；K：散热系数以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而增加,所以,使用中希望选用尽可能大的激励电流,因而需要知道元件的最大允许激励电流。最大允许激励电流（补充）（2）输入电阻Ri和输出电阻Rs

以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在20℃±5℃时确定的。

Ri——控制电流电极间的电阻R0——输出霍尔电势电极间的电阻（3）不等位电动势不等位电势（零位电势）——IH、B=0、空载霍尔电势。不等位电阻：r0=U0/IH产生原因:①霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上;②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;

③激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等（工艺决定的）。

后果：零位误差。补偿方法直流下测得不等位电势补偿的方法理想情况下,R1=R2=R3=R4,U0＝0由于不等位电阻的存在,说明此四个电阻值不相等,则电桥不平衡。为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联电阻，或在两个桥臂上同时并联电阻。（4）寄生直流电势

在外加磁场为零,霍尔元件用交流激励时,霍尔电极输出除了交流不等位电势外,还有一直流电势,称寄生直流电势。其产生的原因有:①激励电极与霍尔电极接触不良,形成非欧姆接触,造成整流效果;②两个霍尔电极大小不对称,则两个电极点的热容量不同,散热状态不同形成极向温差电势。寄生直流电势一般在1mV以下,它是影响霍尔片温漂的原因之一。

（5）霍尔电势温度系数

在一定磁感应强度和激励电流下,温度每变化1℃时,

霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。

后果：当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔灵敏度、输入、输出电阻都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。解决方法：温度误差补偿温度误差补偿常用方法：＊选用温度系数小的元件；＊采用恒温措施；＊由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定；＊采用补偿电路——电桥补偿法。输出电极串连温度补偿电桥温度变化引起并联的热敏电阻变化，从而调节输出电势。热敏电阻常用国产霍尔元件的技术参数四、霍尔传感器的应用

霍尔电势是关于I、B、

三个变量的函数，即UH=KHIBcos

。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。

（1）霍尔式微位移传感器（2）霍尔式转速传感器

（3）霍尔式电流传感器

（4）霍尔式微压力传感器（5）霍尔式无刷电动机（6）其他方面的应用

（1）霍尔式微位移传感器

①线位移测量霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点,它不仅用于磁感应强度,有功功率及电能参数的测量,也在位移测量中得到广泛应用。图示为一些霍尔式位移传感器的工作原理图。图（a）是磁场强度相同的两块永久磁铁,同极性相对地放置,

霍尔元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0,因此霍尔元件输出的霍尔电势UH也等于零,此时位移Δx=0。若霍尔元件在两磁铁中产生相对位移,霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变,这时UH不为零,其量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量,这种结构的传感器,其动态范围可达5mm,分辨率为0.001mm。

图（b）所示是一种结构简单的霍尔位移传感器,由一块永久磁铁组成磁路的传感器,在Δx=0时,霍尔电压等于零。图（c）是一个由两个结构相同的磁路组成的霍尔式位移传感器,为了获得较好的线性分布,在磁极端面装有极靴（磁极头）,霍尔元件调整好初始位置时,可以使霍尔电压UH=0。这种传感器灵敏度很高,但它所能检测的位移量较小,适合于微位移量及振动的测量。

②角位移测量（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。SN线性霍尔磁铁N峰值个数霍尔转速表原理

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。霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用

若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔另一种转速测量安装方法磁性转盘的输入轴与被测转轴相连,当被测转轴转动时,磁性转盘随之转动,固定在磁性转盘附近的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,检测出单位时间的脉冲数,便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。（3）霍尔电流传感器

将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。霍尔电流传感器演示铁心

线性霍尔IC

UH=KHIB

II其他霍尔电流传感器其他霍尔电流传感器（续）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