现代传感技术与应用 课件 第5章 磁电式传感器

第五章磁电式传感器

磁电式传感器是利用导体或半导体的磁电转换原理，将磁场信息变换成相应的电信号的元器件，主要有磁电感应式传感器和霍尔式传感器等。磁电感应式传感器是基于电磁感应原理设计的，广泛用于建筑、工业等领域中振动、速度、加速度、转速、转角、磁场参数等的测量。霍尔传感器是利用霍尔效应实现对物理量的检测，能够对与力有关的参量、与位移有关的参量以及与速度有关的参量进行测量和控制。5.1磁电感应式传感器

磁电感应式传感器是利用电磁感应原理将被测量转换成电信号的一种传感器。它是一种有源传感器，工作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。由于它输出功率大、性能稳定、具有一定的工作带宽（10～1000Hz），所以一般不需要高增益放大器。5.1.1工作原理

根据法拉第电磁感应定律，当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

当一个匝数为W的线圈在磁场中运动切割磁力线，或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁通量Φ的变化率，即

1.变磁通式磁电传感器5.1.2结构类型开磁路变磁通式传感器闭磁路变磁通式传感器变磁通式又称为磁阻式，一般用来测量旋转物体角速度。

开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。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上齿数的乘积。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的场合。

闭磁路变磁通式传感器：它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久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动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。2.恒磁通式磁电传感器（a）动圈式；(b)动铁式

恒磁通式磁电感应传感器按运动部件的不同可分为动圈式和动铁式。动圈式磁电传感器中，线圈是运动部件，而动铁式磁电感应传感器的运动部件是铁芯。5.1.3基本特性输出电流为传感器的电流灵敏度为

输出电压和电压灵敏度分别为

5.2霍尔式传感器

霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。霍尔传感器具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽、动态范围大、寿命长等特点，因此广泛应用于测量技术、自动控制和信息处理等领域。5.2.1霍尔效应

霍尔效应是物质在磁场中表现的一种特性，它是由于运动电荷在磁场中受到洛仑兹力作用产生的结果。当置于磁场中的静止载流导体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会产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称为霍尔电势。

在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板，导电板通以电流I。导电板中的电流使金属中自由电子在电场作用下做定向运动。此时，每个电子受洛伦兹力fl的作用，fl的大小为

fl=eBv霍尔效应原理图

因fl的方向是向内的，此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在fl的作用下以抛物线的形式漂移。这将导致金属导电板内侧面积累电子，而外侧面积累正电荷，从而形成了霍尔电场EH。该电场对随后的电子施加电场力fe，即

fe=eEH=eUH/b

随着内、外侧面积累电荷的增加，霍尔电场增大，电子受到的霍尔电场力也增大。当电子所受洛伦磁力与霍尔电场作用力大小相等方向相反，达到动态平衡时，fe=fl，则

eEH=eBv此时电荷不再向两侧面积累，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=nevbd，即令RH=1/ne，称之为霍尔系数，其大小取决于导体载流子密度，则有

KH=RH/d—霍尔元件的灵敏度系数。

当磁感应强度和元件平面法线成一角度θ时，作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量Bcosθ，此时有，

由于材料的电阻率ρ=1/neμ，所以霍尔系数与载流体材料的电阻率ρ、载流子迁移率μ的关系为RH=μρ。因此只有μ、ρ都比较大的材料才适合于制作霍尔元件，才能获得较大的霍尔系数和霍尔电压。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，故只有半导体材料才适于制造霍尔元件。目前常用的霍尔元件材料有锗、硅、锑化铟、砷化镓等半导体材料。由于电子迁移率大于空穴迁移率，因此霍尔元件多用N型半导体材料。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、温度性能与N型锗相近；砷化镓

和锑化铟

材料的霍尔元件也都具有良好的线性特性，砷化镓目前使用较多。5.2.2.霍尔元件1.基本结构

霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线，其中1、1′两根引线加激励电压或电流，称激励电极（控制电极）；2、2′引线为霍尔输出引线，称霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的。霍尔元件2.驱动电路

实际应用中，霍尔元件一般采用恒流驱动或恒压驱动电路。恒压驱动电路简单，但性能较差，随着磁感应强度增加，线性度变差，仅用于精度要求不太高的场合。恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小，目前应用较为广泛。

为了得到较大的霍尔输出，可以把几个霍尔元件输出串联起来使用，但激励电流必须并联。3.基本特性（1）额定激励电流和最大允许激励电流

当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。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。（2）输入电阻和输出电阻

激励电极间的电阻值称为输入电阻，霍尔电极间电阻为输出电阻。（3）不等位电势

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，则它的霍尔电势应该为零，但实际上往往并不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势（也称为非平衡电压或残留电压。（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，还有直流电势，这称为寄生直流电势。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为霍尔电势温度系数，它同时也是霍尔灵敏系数的温度系数。

5.2.3误差与补偿1.不等位电势补偿

分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥。A、B为霍尔电极，C、D为激励电极，电极分布电阻分别用r1、r2、r3、r4表示，可以把它们看作电桥的四个桥臂。

常用的几种补偿线路：图（a）（b）为常见的补偿电路，图（b）（c）相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻，图（d）用于交流供电的情况。

2.温度补偿

采用恒流源供电可以使霍尔电势保持稳定，但也只能减小由于输入电阻随温度变化所带来的影响。霍尔元件的灵敏系数本身也是温度的函数，它随温度变化也将引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系为

多数霍尔元件的霍尔电势温度系数是正值，霍尔电势随温度升高而增加。如果能够使激励电流相应地减小，并能保持霍尔元件的灵敏度系数与激励电流的乘积不变，就能抵消灵敏系数增加的影响。（1）恒流源电路的补偿（2）恒压源电路的补偿

霍尔元件的输出电阻和霍尔电势都是温度的函数（假设均是正温度系数），当温度变化时，霍尔电势的变化必然引起负载上输出电势的变化。若选取适合的负载电阻RL，则可以有补偿环境温度变化的作用。RI、RV分别为霍尔元件的输入和输出内阻，均是温度的函数。当初始温度为t0时，输出内阻和霍尔电势分别为RV0和UH0。当温度变化为t时，令输出电阻温度系数为β，霍尔电势温度系数为α，一般有β>>α，则有负载电阻上压降为

满足UHL不随t变化的条件是又因为

故忽略

及

，可得又因为，则有（3）采用温度补偿元件

对于霍尔电势温度系数随温度上升而减小的器件，可采用恒压源供电。在输入回路中串联一个负温度系数的热敏电阻，当温度升高时，热敏电阻阻值减小，激励电流增大，可保持保持霍尔元件的灵敏度系数与激励电流的乘积不变，从而使温度误差得到补偿。在装配时，热敏电阻应和霍尔元件尽量靠近封装在一起，以使它们的温度变化一致。（4）桥路温度补偿法

在霍尔输出极上串联一个温度补偿电桥，电桥的三个臂为电阻值基本不随温度变化的锰铜电阻，其中一臂并联热敏电阻Rt。当温度变化时，由于Rt发生变化，使电桥的输出发生变化，从而使整个回路的输出得到补偿。5.2.4霍尔集成传感器

1.线性型霍尔集成传感器

线性型霍尔集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器一般由霍尔元件和放大器组成，当外加磁场时，霍尔元件产生与磁场成线性比例变化的霍尔电压，经放大器放大后输出。

2.开关型霍尔