传感及其基础检测 3

《传感器与智能检测技术》第6章

磁敏式传感器【学习目标】1.法拉第电磁感应定律；2.磁电感应式传感器基本结构、原理及应用；3.霍尔效应基本原理；4.霍尔传感器基本结构、处理电路；5.霍尔传感器主要应用；【重点和难点】重点：电磁感应定律，霍尔效应，磁电式传感器结构及原理，磁电式传感器相关应用，霍尔传感器结构及测量电路，霍尔传感器相关应用；难点：霍尔效应原理，霍尔传感器相关误差分析及补偿；【职业素养】1.通过对各种物理现象的学习、分析，培养学生热爱科学，开拓进取的精神；2.通过对各种结构、电路及应用的分析，培养、锻炼学生分析问题、解决问题的能力；3.通过相关实验、实践，培养学生实际动手能力；同时培养学生团结互助，热爱集体的优良品质。学习内容一、磁电感应式传感器二、霍尔式传感器第一节、磁电感应式传感器一、磁电感应式传感器工作原理

法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律：电路中感应电动势的大小和穿过电路的磁通的变化率成正比。直线位移：角位移：小知识：法拉第，英国科学家，仅上过小学，是自学成才的典型代表。1831年，他发现了电磁感应现象，同年发明了交流发电机。他还提出了电场、磁场、电力线、磁力线等概念，被称为“电学之父”和“交流电之父”。他还发现了“磁光效应”-即法拉第效应，揭示了光的偏振方向受磁场影响会发生偏转的现象。一、磁电感应式传感器结构

恒磁通式恒磁通式传感器是指传感器中磁场基本固定，感应线圈在固定磁场中移动，从而产生相应的感应电动势。又可分为动圈式和动铁式。一、磁电感应式传感器结构变磁通式变磁通式传感器，其线圈与磁体位置固定。但是，磁体周边磁场为开放式，其大小受周边情况影响，会有改变，从而影响线圈内的磁通大小。一、磁电感应式传感器测量电路

磁电式传感器测量电路一、磁电感应式传感器特性分析

特性及误差（1）系统内阻的影响：磁电式传感器使用时，要考虑系统内阻对系统的影响。传感器内阻由等效电阻和等效电感组成。等效电阻为线圈电阻，等效电感反映了线圈电流产生的磁场对感应电动势的影响。线圈内阻会影响测量输出，为了消除其影响，我们可以考虑采用高阻抗输入放大电路，例如可增加一级由运放构成的电压跟随器。一、磁电感应式传感器特性分析

特性及误差（2）温度的影响同时还要考虑温度对传感器测量的影响。当温度升高时，永磁铁的磁通会略微下降，钨钢和铬钢制成的永磁体，一般温度每升高10°C，磁通减少0.3%；而传感器线圈的等效电阻会略有上升，以铜为例，一般温度每升高10°C，电阻会增加0.4%。同时，线圈几何尺寸也会随温度变化而略有变化。总体而言，传感器呈负温度特性。一、磁电感应式传感器特性分析

特性及误差（3）动态特性当被测物振动频率低于传感器固有频率，以动圈式为例，线圈视为静止不动的假设误差较大。这时，传感器输出灵敏度较低。中频时，传感器灵敏度为以稳定常数。高频时，由于内阻电感的影响，内阻增大，有效输出降低，系统灵敏度降低。不过，我们可以采用阻抗变换方法消除其影响。就算如此，系统的高频特性还是会受到放大电路有效带宽的限制。一、磁电感应式传感器典型应用振动传感器该磁电式振动传感器采用恒磁通动圈式结构，永磁铁通过铝支架和外壳连接，线圈通过弹簧和外壳连接，完成振动信号的测量与转换。一、磁电感应式传感器典型应用扭矩传感器当定子和转子的齿契合时，磁通大，反之，磁通小。转子与定子相对运动时，会产生交变电压输出。一、磁电感应式传感器典型应用电磁流量计我们可以把流动的导电流体看作一根根并联的垂直导线，当这些导线切割磁场时，依据法拉第电磁感应定律，将产生相应的感应电动势E=BDv。其大小与磁场强度B，管道结构参数D及流速v成正比（流速v可等价于导体移动速度）。流速测定后，通过管道直径等参数，即可计算出流体流量了。这里，B，D均为一常数。这样，感应电压E就和流体流动速度v成正比。该电压与流体的导电率无关，只于流速有关，因此，不同导电流体测量结果均相同。第二节、霍尔传感器二、霍尔传感器基本原理霍尔效应霍尔效应：当固体导体至于磁场中，且有电流通过时，在垂直于电流和磁场的方向上会产生电压，该电压称为霍尔电压。UH=KH·I·B二、霍尔传感器基本原理霍尔效应1879年，美国物理学家埃德温·赫伯特·霍尔发现了霍尔效应。该效应广泛应用于测量导体载流子浓度、导体周围磁场或电流的大小。

以此为基础，还发展出了反常霍尔效应、量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、自旋霍尔效应、量子自旋霍尔效应......。霍尔效应相关问题一直以来都是物理学研究的热门领域，相关实际应用也十分广泛。二、霍尔传感器基本原理原理分析载流子在导体中流动时，受到磁场B施加的洛伦兹力的作用，fL=e·v·B，fL：洛伦兹力；e：电子电量；v：电子移动速度；B：有效磁场强度。在该力的作用下，电子会向一侧偏移并聚集，这样导致在垂直于电流的磁场方向上电子分布不再均匀，而是偏向一侧，而正离子要么不动，或者偏向另一侧。这样，就在该方向上形成了一个内部电场EH，该电场对电子的作用力fE与洛伦兹力方向相反，会使其回到原来的轨迹，fE=e·EH，fE：电场力；e：电子电量；EH：内电场强度。当电场力fE与洛伦兹力fL相等时，系统达到动态平衡。此时，EH的积分即为霍尔电压UH。假设EH为一常量，有UH=EH·L，L为材料宽度。二、霍尔传感器基本原理原理分析由fE=fL，我们有：e·UH/L=e·v·B；=》UH=v·B·L。关于导体电流I，我们有I=ne·e·L·d·v；e：载流子电量；ne：导体载流子浓度；L：导体宽度；d：导体厚度；v：载流子移动速度；=》v=I/（ne·e·L·d）。由此我们得到UH

=v·B·L=B·L·I/（ne·e·L·d）=B·I/（ne·e·d）。从这个解释中，我们可以得到：器件的霍尔灵敏度系数与器件几何尺寸及所选材料有关，材料越薄，载流子浓度越低，器件的霍尔灵敏度就越高。

思考：为什么霍尔元件都很薄，并采用半导体材料？二、霍尔传感器基本原理实际现象霍尔电压与材料长宽比b/l，以及输出点位置x有关思考：这些实测现象不影响测量元件的实际使用。但是，前述理论分析时，所采用的方法并不能很好地解释这些现象。为什么？二、霍尔传感器基本原理原理分析我们可以尝试做如下操作：固定控制电流I和磁场B，此时，测量霍尔元件平面上各个点的电压大小（测量点密度越大，所得系统电场分布图精度就越高）。我们把电压相等的点连接起来，这些曲线表示材料表面的等电位面情况。等位面较为密集、间距小的地方，电场强度高，反之，则电场强度低。二、霍尔传感器基本原理原理分析当未加磁场时，材料表面等位面是均匀分布的，其电场强度也是均匀的。但是，当我们施加一定磁场时，等位面不均匀，电场分布也不均匀，有些地方增强，有的地方减弱了。可见，在静磁场的作用下，系统的静电场分布情况发生了改变。也就是说，在磁场作用下，静电场不再均匀分布，电力线不在是直线，而是发生了弯曲，有些地方电力线密集，有些地方稀疏。载流子其实还是沿着电力线移动，这时，由于电力线轨迹偏移，载流子的运动轨迹也随之偏移。二、霍尔传感器基本原理原理分析利用该方法，我们可以利用静磁场对静电场的作用，在初始能级有限的情况下，在某些区域获得一个很高的静电场强度；这为我们物理上获得一个高能量密度，提供了一种新的有效的方法。讨论：高能量密度在实际生活、工作中都能有哪些用途？二、霍尔传感器基本结构霍尔元件基本结构霍尔元件为四端口元件，长边的端口用于输入控制电流Ic，短边的端口用于输出霍尔电压UH。二、霍尔传感器基本结构霍尔元件主要参数输入电阻Ri：霍尔元件两控制电流端之间的直流电阻；输出电阻Ro：两个霍尔电动势输出端之间的电阻；霍尔灵敏度系数KH：指元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所产生的霍尔电动势；不等位电动势Uo：在额定控制电流作用下，无外加磁场时，两霍尔输出端之间的开路电压；额定控制电流Ic：使霍尔元件在空气中产生10℃温升的控制电流。大小与霍尔芯片的尺寸有关：尺寸越小，Ic越小；霍尔电动势温度系数ɑ：在一定磁场强度和控制电流作用下，温度每变化1℃，霍尔电动势变化的百分数称为霍尔电动势温度系数；

电阻温度系数β：温度每变化1℃霍尔元件材料的电阻变化率；二、霍尔传感器检测电路霍尔元件基本检测电路注意：测量时，霍尔元件平面应与被测磁场保持垂直。二、霍尔传感器误差及补偿霍尔元件误差与补偿零位误差：是指在加控制电流Ic，但外界被测磁场B为0时，元件输出霍尔电压不为0的现象。其主要原因是不等位电动势。二、霍尔传感器误差及补偿零位误差补偿不等位电动势补偿电路二、霍尔传感器误差及补偿温度误差温度误差：霍尔元件为半导体元件，其灵敏度系数KH和输入输出电阻Ri，Ro都会受到温度影响而改变。通常有：KH=KH0（1+ɑt），Ri=Ri0（1+βt），Ro=Ro0（1+βt），ɑ：霍尔电动势温度系数，β：电阻温度系数；二、霍尔传感器误差及补偿温度补偿电路输入串联电阻补偿法：思考：输出串联电阻补偿法应该如何设计？二、霍尔传感器集成电路元件霍尔集成电路：线性二、霍尔传感器集成电路元件霍尔集成电路：线性（差分输出）二、霍尔传感器集成电路元件霍尔集成电路：开关型二、霍尔传感器应用压力测量二、霍尔传感器应用位置测量由于霍尔传感器只对静磁场敏感，该结构抗干扰能力很强，广泛应用于汽车、机床设备等电磁环境恶劣的情况。二、霍尔传感器应用霍尔电机系统采用直流电供电，无机械电刷接触损耗，使用寿命长、噪声低。在光驱、电动自行车、电动汽车等领域应用广泛。二、霍尔传感器应用电流测量采用硅钢片，将电流磁场集中到导磁体内，这样导磁体内部磁场强度与其中的电流大小成正比。在导磁体结构中开一个空隙，插入霍尔元件。这样，霍尔元件输出电压基于电流大小成正比。被测电流较小时，可绕N圈，以提高输出电压，提高灵敏度。二、霍尔传感器应用电流测量-磁平衡法采用反馈的方法，把测量输出的电压放大后生成电流加载到导磁体上。同时，让该电流产生的磁场与被测电流产生的磁场相反。I0=Is×N2/N1采用零磁通结构，导磁体内部磁场很小，避免了磁饱和的问题；同时线性度很好，有利于提高测量精度。二、霍尔传感器应用电流测量思考：如果测量火线电流时，把地线也包含在内，会出现什么结果？为什么？知识拓展应用磁敏电阻当外界磁场变化是，电流流经路径不同，其对应的材料掺杂浓度也不同，其对应路径的等效电阻也不同；中间掺杂浓度高，电阻率低，往两边，掺杂浓度逐渐减低，电阻率逐渐增加。这样，磁场越强，电流偏转越厉害，器件等效电阻就越大。知识拓展应用磁敏二极管二极管正向导通使用，如图6-3-2（a）无磁场时，电流轨迹正常，器件有一稳定电阻；当磁场为正，如图6-3-2（b），电流轨迹偏向r面，载流子复合率增加，器件电阻增加；反之，如图6-3-2（c），加一负磁场，载流子轨迹远离r面，器件电阻减小。知识拓展应用磁敏三极管无磁场时，器件正常工作；当施加正磁场时，如图6-3-4（b），载流子轨迹向b区偏移，使得集电极电流变小；施加负磁场时，如图6-3-4（c），载流子