《传感器与检测技术》课件 第六章 磁电感应式和磁敏传感器

控制科学与工程学院-专业基础课程2026年3月传感器与检测技术授课人：联系方式手机/微信：****，邮箱：****课程资源网站：教材：一流本科专业一流本科课程建设第六章磁电感应式和磁敏传感器概述6.1磁电感应式传感器6.2霍尔传感器6.3

磁电式速度传感器电磁流量计

霍尔传感器

磁电式扭矩传感器第六章6.1磁敏式传感器概述1.1.1什么是传感器6.1.1定义磁敏式传感器的定义基于电磁感应定律的磁电感应式传感器，基于磁电效应做成的磁敏式传感器（霍尔元件、磁阻元件、磁敏二极管和磁敏三极管等）。应用：广泛用于测量磁场、电流、位置、位移、速度、转速等物理量。磁敏式传感器电磁感应定律也称为法拉第电磁感应定律，是电磁学中的一个基本原理。由英国科学家迈克尔·法拉第（MichaelFaraday）在1831年发现。第六章6.1磁敏式传感器概述1.1.1什么是传感器6.1.1定义磁敏式传感器的定义这个定律描述了磁场变化与由此产生的电动势之间的关系：当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，回路中会产生一个电动势（ElectromotiveForce，简称EMF），这个电动势会驱动电流的产生；电动势的方向可以通过楞次定律（Lenz'sLaw）来确定，其大小则由法拉第电磁感应定律给出。电磁感应定律电磁效应、电流磁效应磁电效应是一个涵盖电流磁效应和狭义磁电效应的概念。电流磁效应描述的是电流在磁场中的行为，例如磁阻效应和霍尔效应。而狭义的磁电效应则涉及在某些材料中，电场可以诱导磁化，磁场可以诱导电极化，如电致磁效应或磁致电效应。磁敏式传感器的定义第六章6.1磁敏式传感器概述1.1.1什么是传感器6.1.1分类磁敏式传感器的分类磁电感应式传感器主要基于法拉第电磁感应定律，利用变化的磁场在导体中产生电动势来检测磁场的变化。磁敏式传感器按工作原理主要分为霍尔效应传感器和磁阻效应传感器。霍尔传感器可以基于不同的结构设计，包括体型和结型。体型霍尔传感器通常基于半导体材料的霍尔效应。结型霍尔传感器则利用半导体材料的PN结特性。磁阻传感器则主要基于磁阻效应，常见的类型包括磁敏二极管和磁敏晶体管等。第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.1磁电感应式传感器的工作原理概述磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的原理进行工作的，又称为感应式传感器或电动式传感器。它是一种机—电能量变换型传感器，属于有源传感器（直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出，不需要供电电源）磁电传感器电路简单、性能稳定、输出阻抗小，具有一定的频率响应范围（一般在10~1000Hz），适用于转速、振动、位移、扭矩等测量。对于一个匝数为

的线圈，设穿过线圈的磁通为

，则线圈内的感应电动势

与磁通变化率

有如下关系第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.1磁电感应式传感器的工作原理概述如果线圈相对于磁场的运动线速度为

或角速度

，则或式中，

是磁感应强度；

是每匝线圈的平均长度；

是每匝线圈的平均截面积。如果线圈的运动方向

与磁场方向

的夹角为

，则式应修改为

。在磁电传感器中，当其结构参数确定以后，

均为确定值，则感应电动势

与线圈相对磁场的运动速度

或

成正比，由此磁电感应式传感器分为恒定磁通式和变磁通式两类。第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.2磁电感应式传感器的分类1.恒定磁通式磁电传感器恒定磁通式传感器（测线速度）是指在测量过程中使导体（线圈）位置相对于恒定磁通

变化而实现测量的一类磁电感应式传感器。如右图所示，它由永磁体、线圈、弹簧、金属壳体等部件组成。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，气隙中的磁通恒定不变。在恒磁通式传感器中，由于它们的运动部件可以是线圈，也可以是磁铁，因此分成动圈式和动铁式两种结构类型。动圈式动铁式第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.2磁电感应式传感器的分类1.恒定磁通式磁电传感器动圈式的运动部件是线圈，永久磁铁与传感器壳体固定，线圈与金属骨架用柔软弹簧片支撑。动铁式的运动部件是磁铁，线圈、金属骨架和壳体固定，永久磁铁用弹簧支撑。动圈式动铁式第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.2磁电感应式传感器的分类1.恒定磁通式磁电传感器将恒磁通磁电感应式传感器与被测振动体绑定在一起，当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，而运动部件质量相对较大，当被测振动体的振动频率足够高时（远大于传感器固有频率），运动部件会由于惯性很大而来不及跟随振动体一起振动，近乎静止不动，振动能量几乎全部被弹簧吸收。永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体的振动速度，线圈与磁铁的相对运动将切割磁力线，从而产生与运动速度成正比的感应电动势。动圈式

动铁式第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.2磁电感应式传感器的分类2.变磁通式磁电传感器变磁通式传感器（测角速度）主要是靠改变磁路的磁通

大小进行测量，即通过改变测量磁路中气隙的大小改变磁路的磁阻，从而改变磁路的磁通（

）。变磁通式传感器又可以称为变磁阻式传感器或变气隙式传感器，其典型应用是转速计，用于测量旋转物体的角速度。如下图所示，变磁通磁电感应式传感器可分为开磁路和闭磁路两种结构。第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.2磁电感应式传感器的分类2.变磁通式磁电传感器图(a)是开磁路变磁通式磁电传感器，它由永久磁铁、软磁铁、感应线圈和测量齿轮等组成。工作时线圈和磁铁静止不动；测量齿轮（导磁材料）被安装在被测旋转体上，随被测物一起转动。测量齿轮的凸凹导致气隙大小发生变化，会影响磁路磁阻的变化，每当齿轮转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，磁通就跟随变化一次，线圈中产生感应电动势，其变化频率等于被测转速与齿轮齿数的乘积，即式中，

是频率，单位为；

是转速，单位为；

是齿轮齿数；

是时间

内的采样脉冲数。第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.2磁电感应式传感器的分类2.变磁通式磁电传感器可推得转速为图(b)是闭磁路变磁通式，它由装在转轴上的定子和转子、感应线圈和永久磁铁等部分组成。传感器的转子和定子都由纯铁制成，在它们的圆形端面上都均匀地分布有凹槽。由上式可见，转速就是单位时间内的转数。这种传感器结构简单、输出信号较弱，不宜测量高转速。第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.2磁电感应式传感器的分类2.变磁通式磁电传感器工作时，将传感器的转子与被测物轴相连接，当被测物旋转时就会带动转子旋转，当转子和定子的齿凸相对时，气隙最小、磁通最大。当转子与定子的齿凹相对时，气隙最大、磁通最小。这样，定子不动而转子旋转时，磁通就发生周期性变化，从而在线圈中感应出近似正弦波的电动势信号。闭磁路变磁通式第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.3磁电感应式传感器的基本特性1.灵敏度当磁电感应式传感器接入测量电路，如右图所示，输出电流

为式中，

是测量电路的输入电阻；

是线圈的等效电阻。传感器的电流灵敏度为磁电传感器测量等效电路第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.3磁电感应式传感器的基本特性1.灵敏度传感器的输出电压和电压灵敏度分别为磁电传感器测量等效电路第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.3磁电感应式传感器的基本特性1.灵敏度由电流和电压灵敏度公式可知：

值大，灵敏度

也大，因此要选用值大的永磁材料；线圈的平均长度大

也有助于提高灵敏度

，但这是有条件的（因为

增加使

也增加），要考虑两种情况：

（1）线圈电阻与指示器电阻匹配问题

如右图所示，因传感器相当于一个电压源，为使指示器从传感器获得最大功率，必须使线圈的电阻

等于指示器的电阻

。

（2）线圈的发热问题

传感器线圈产生感应电动势，接上负载后，线圈中有电流流过而发热。磁电传感器测量等效电路第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.3磁电感应式传感器的基本特性2.误差补偿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，产生测量误差，其相对误差为磁电感应式传感器产生非线性误差的主要原因：当磁电感应式传感器在进行测量时，传感器线圈会有电流流过，这时线圈会产生一定的交变磁通

，此交变磁通会叠加在永久磁铁产生的传感器工作磁通上，导致气隙磁通变化。磁电感应式传感器电流的磁场效应如右图磁电传感器电流的磁场效应所示。磁电传感器电流的磁场效应非线性误差（的影响）第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.3磁电感应式传感器的基本特性2.误差补偿影响分为两种情况：①当传感器线圈相对磁场运动所产生的附加磁场与原工作磁场方向相反时，附加磁场将减弱工作磁场的作用，从而使传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。即当传感器向上运动时，

与

方向相反，减弱了工作磁场的作用，使传感器灵敏度降低。磁电传感器电流的磁场效应第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.3磁电感应式传感器的基本特性2.误差补偿②当传感器线圈相对磁场运动所产生的附加磁场与原工作磁场方向相同时，传感器的灵敏度增高。即当向下运动时，

与

同向，增强了工作磁场的作用，灵敏度增大。磁电传感器电流的磁场效应两种情况将导致测量结果中出现非线性项，且速度越大，影响越明显。结果是线圈的运动方向和速度大小都会使传感器的灵敏度具有不同的数值，使传感器的基波能量降低，谐波能量增加。第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.3磁电感应式传感器的基本特性2.误差补偿这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。显然，传感器灵敏度越高，线圈中电流越大，这种非线性影响越严重。补偿上述干扰的方法是在传感器中加入补偿线圈，补偿线圈通以一定的电流，适当选择补偿线圈的参数，使其产生的交变补偿磁通可以与传感器线圈本身产生的交变附加磁通相互抵消，从而达到补偿目的。磁电传感器电流的磁场效应第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.3磁电感应式传感器的基本特性2.误差补偿在磁电传感器的各种干扰影响中，通常温度干扰比较严重。在式

中，分子与分母都会随着温度的改变而变化，不过它们的变化是相反的。因为永久磁铁的磁感应强度随温度的增加而减小，所以感应电动势

也随温度增加而减小。钨钢和铬钢制的永久磁铁的磁通密度的变化大约是每10℃减小0.3%；镍-铝合金做的永久磁铁在温度200℃以下时，其磁感应强度实际上可以认为是不变的。传感器的线圈是用铜线绕成的，所以传感器线圈的电阻

的温度系数是正的，温度每增加10℃，电阻大约增加4%。指示器电路的电阻

的温度系数也是正的，它的数值与指示器线圈电阻

和附加电阻

（锰铜丝）有关。温度误差（和的影响）第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.3磁电感应式传感器的基本特性2.误差补偿当温度

增加时，电流可用下式表示式中，

是磁铁磁通密度的温度系数；

是传感器线圈和指示器线圈电阻的温度系数；

是指示器附加电阻

的温度系数；

和

分别是指示器线圈电阻和附加电阻。温度误差系数为由上式可见，温度升高使得

减小，而

和

增加，所以

，温度误差

值为负。第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.3磁电感应式传感器的基本特性2.误差补偿磁电感应式传感器的温度误差补偿办法是在结构允许的情况下，在传感器的磁铁下设置热磁分路进行温度补偿。热磁分路是用磁分路片搭装在磁系统的两极靴上，把气隙中的磁通分出一部分（即把总磁通分出一部分）。磁分路片是用特种的镍-铜合金或镍-铁合金制成。磁分路片通常有很大的负温度系数，当温度升高时，热磁分路片的磁导率明显下降，经它分流出去的磁通也随之下降，从而保证了气隙的工作磁通不随温度变化，起到温度补偿作用。维持了传感器的灵敏度为常数不变。第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.4磁电感应式传感器的测量电路概述磁电感应式传感器可直接输出感应电势，而且具有较高的灵敏度，对测量电路无特殊要求。一般用于测量振动速度时，能量全被弹簧吸收，磁铁与线圈之间相对运动速度接近振动速度，磁路气隙中的线圈切割磁力线时，产生正比于振动速度的感应电动势，直接输出速度信号。如果要进一步获得振动位移和振动加速度，可分别接入积分电路和微分电路，将速度信号转换为与位移和加速度有关的电信号输出。第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.4磁电感应式传感器的测量电路概述下图是磁电传感器测量电路原理框图，为便于阻抗匹配，将积分电路和微分电路置于两级放大器之间，磁电感应式传感器的输出信号直接经主放大器输出，该信号与速度成比例。前置放大器分别接积分电路或微分电路，接入积分电路时，感应电动势输出正比于位移信号；接入微分电路时，感应电动势输出正比于加速度信号。磁电传感器测量电路示意图第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.4磁电感应式传感器的测量电路无源积分电路基本无源积分电路如右图所示。其输入和输出关系满足下式，即无源积分电路无源积分电路式中，右边第一项是积分输出项；第二项是误差项。该电路的传递函数可表示为式中，

是电路的时间常数。第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.4磁电感应式传感器的测量电路无源积分电路复频特性为式中，

是无源积分电路的对数渐进幅频特性的转角频率。当≫1时，式(a)可以近似为这是理想的积分特性。据式(a)和式(b)可得出实际特性与理性特性之间的幅值误差。无源积分电路(a)(b)第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.4磁电感应式传感器的测量电路无源积分电路右侧第一项进行幂级数展开并忽略高次项后，可近似写为除幅值误差，还存在相位误差，即式(a)说明，随着工作频率

的增加，输出信号的幅度越来越小，因此允许的输出幅度最大衰减值将限制工作频段的上限值。式(b)说明，随着工作频率

的减小，幅度误差逐渐增大，因此允许的最大幅值误差决定了工作频段的下限值。(a)(b)第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.4磁电感应式传感器的测量电路无源积分电路式

说明，时间常数的增加使输出信号的衰减增大，反之使其减小。式

表明，时间常数的增加使幅度误差减小，反之幅度误差增加。因此，无源积分电路存在减小幅值误差与减小输出信号衰减之间的矛盾。为解决此问题，可以采用分频段积分方法，把全部工作频段分为几段，对每个频段使用不同的积分电路，也可以通过有源积分电路来解决。第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.4磁电感应式传感器的测量电路有源积分电路随着线性集成运算放大器的发展，有源积分电路得到越来越广泛的应用。基本的有源积分电路如下图所示，其中反馈电阻

与积分电容

并联，用于抑制运算放大器的失调漂移，运算放大器的放大倍数为

。根据电路知识可得有源积分电路有源积分电路第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.4磁电感应式传感器的测量电路有源积分电路如右图所示有源积分电路的传递函数为其复频特性为由于≫1，因此有有源积分电路第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.4磁电感应式传感器的测量电路有源积分电路一般情况下，≫1，可得其中，

为有源积分电路的对数渐进幅频特性的转角频率。当满足≫1时，上式可近似写为其中，

是电路的时间常数。有源积分电路第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.4磁电感应式传感器的测量电路有源积分电路根据

和

可得，实际特性与理性特性之间的幅值误差和相位误差为有源积分电路第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.4磁电感应式传感器的测量电路有源积分电路表明，随着工作频率的增加，输出信号的幅度越来越小，因此允许的输出幅度最大衰减值将限制工作频段的上限值。随着工作频率

的减小，幅度误差会逐渐增大，因此允许的最大幅值误差决定工作频段的下限值。有源积分电路第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.4磁电感应式传感器的测量电路有源积分电路有源积分电路的输出信号衰减与时间常数

相关，而幅值误差与电路的转角频率

相关，从而消除无源积分电路中存在的减小输出信号的衰减与减小幅值误差之间的矛盾。下图给出了无源积分电路和有源积分电路的对数渐近幅频特性，其中

取值相同，

，，积分电路的对数渐进幅频特性第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.4磁电感应式传感器的测量电路积分电路由右图可知，当允许信号衰减为-20dB时，有源积分电路的工作频段比无源积分电路的工作频段大约宽一个数量级。有源积分电路在低频非工作频段内具有较大的增益，这使得该电路对低频噪声没有抑制能力。

积分电路的对数渐进幅频特性第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.4磁电感应式传感器的测量电路积分电路为解决问题，可在电路输入端增加一个输入电容

（图b），用于抑制前级电路向积分电路传递的低频噪声。但这并不会抑制本级内产生的低频噪声，可以通过改善反馈电路的方式，使反馈电路在低频非工作频段内具有反馈增强的频响特性，来抑制积分器本身的低频噪声。有源积分电路第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.5磁电感应式传感器应用1.磁电振动速度传感器磁电振动速度传感器在市场上比较多见，型号和种类也比较多，如

型、

型和

型等都是比较常见的振动速度传感器。右图是动圈式恒磁通振动速度传感器结构示意图，其结构主要由钢制圆形外壳制成，里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体，永久磁铁中间有一个小孔，穿过小孔的心轴两端架起线圈和阻尼环，心轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。动圈式恒磁通振动速度传感器的结构第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.5磁电感应式传感器应用1.磁电振动速度传感器工作时，传感器与被测物体刚性连接，当物体振动时，传感器外壳和永久磁铁随之振动，而架空的心轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。磁路气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势，线圈的输出通过引线送到测量电路。该传感器测量的是振动速度参数，如果在测量电路中接入积分电路，则输出电动势与位移成正比；如果在测量电路中接入微分电路，则其输出电动势与加速度成正比。动圈式恒磁通振动速度传感器的结构第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.5磁电感应式传感器应用2.磁电感应式扭矩传感器磁电感应式扭矩传感器属于变磁通式。其结构如右图所示，它主要由转子（包括线圈）、定子（永磁体）、转子齿轮和定子齿轮四部分组成。转子被固定在传感器轴上，定子被固定在传感器外壳上，转子齿轮与定子齿轮之间的齿和槽是一一对应的。结构示意图第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.5磁电感应式传感器应用2.磁电感应式扭矩传感器测量扭矩时，需要将两个相同磁电传感器的转轴分别固定在被测轴的两端（如右图所示），它们的外壳固定不动。安装时将一个传感器的定子齿轮的齿与其转子齿轮的齿相对；另一个传感器的定子齿轮的槽与转子齿轮的齿相对。安装图第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.5磁电感应式传感器应用2.磁电感应式扭矩传感器当被测轴无转矩时，扭转角为零，两传感器线圈输出信号相同，相位差为0；当转轴以一定的角速度旋转时，则两个传感器输出相位差发生变化，不再为0，且随两齿轮所在横截面之间相对转角的增加而增大（如右图所示）。输出波形图第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.5磁电感应式传感器应用2.磁电感应式扭矩传感器工作时，轴两端产生扭转角，此时两个传感器输出的感应电动势将产生附加相位差。扭转角与感应电动势相位差的关系为式中，是传感器定子（或转子）的齿数。由上式可知，传感器的输出感应电动势产生的附加相位差的大小与相对转角、转矩成正比。经测量电路将相位差转换为时间差，就可以测出扭矩。第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.5磁电感应式传感器应用3.电磁流量计电磁流量计是根据电磁感应原理制成的一种流量计，用来测量有一定电导率（不低于，S—西门子）的流体物质的流量，属于恒磁通式，其外形及安装图见图(a)。电磁流量计的工作原理如图(b)所示，它由产生均匀磁场的磁路系统、用不导磁材料制成的管道及在管道横截面上的导电电极组成。要求磁场方向、电极连线和管道轴线三者在空间上互相垂直。第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.5磁电感应式传感器应用3.电磁流量计当被测导电液体流过管道时，切割磁力线，在和磁场及流动方向垂直的方向上产生感应电动势E，其值与被测流体的流速成正比，即式中，是磁感应强度；是管道内径；是流体的平均速度。相应的，流体的体积流量可表示为式中，是仪表常数，对于确定的电磁流量计，该值为定值，电磁流量计第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.5磁电感应式传感器应用3.电磁流量计电磁流量计的测量管道内没有任何阻力件，适用于各种酸、碱、盐等腐蚀性介质或有悬浮颗粒的浆流（如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水）等的流量测量，且压力损失极小；因感应电动势与被测液体的密度、温度、黏度、压力、电导率等无关，故其使用范围广。电磁流量计第六章6.2磁电感应式传感器1.1.1什么是传感器6.2.5磁电感应式传感器应用3.电磁流量计电磁流量计可以测量各种腐蚀性液体的流量；电磁流量计惯性小，可用来测脉动流量；因通常要求测量介质的电导率不低于0.002S/m（西门子每米），故不能用于测量有机溶剂及石油制品等的流量；不能测量气体、蒸汽和含有较多或较大气泡的液体。电磁流量计第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.1工作原理概述如右图为霍尔效应的原理图，在垂直于外磁场的方向放置一导电材料（金属导体或半导体）制成的薄片，设薄片的长、宽、厚分别为，沿长度方向通以电流。霍尔效应是指置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体将在垂直于电流和磁场的方向产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电势。霍尔式传感器是基于霍尔效应进行工作的传感器，霍尔电压的大小与磁场强度成正比，通过检测霍尔电压，可以实现对磁场强度和方向的测量。定义霍尔效应原理图第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.1工作原理概述在外磁场的作用下，导电材料中的载流子（以型半导体为例介绍，故载流子为电子）受到洛伦兹力的作用，其大小为霍尔效应原理图式中，是电子电量；是电子运动的平均速度；是外磁场的磁场强度。第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.1工作原理概述在洛伦兹力作用下，电子向垂直于电流和磁场方向发生偏转，在导电材料表面（右图的内侧面）累积电子而使其带负电，同时在它的对面（右图的外侧面）累积正电荷而使其带正电。从而在内、外侧面之间形成霍尔电场，其电场强度为式中，是内、外侧面之间的电位差，称为霍尔电势。霍尔效应原理图第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.1工作原理概述由于霍尔电场的存在，定向运动的电子除了受到洛伦兹力作用，还受到霍尔电场力作用。此霍尔电场力将阻止电荷继续累积。随着内、外侧面累积电荷数量逐渐增加，霍尔电场逐渐增强，电子受到的霍尔电场力也逐渐增大。当洛伦兹力

和霍尔电场力大小相等时，电子在垂直于磁场和电流方向上所受合力为零，电子的累积达到动态平衡。此时若导电材料的电子浓度为，则激励电流为霍尔效应原理图第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.1工作原理概述由式、式、式、式可得霍尔电势为霍尔常数，由导电材料的物理性质决定，其大小取决于材料的载流子密度；霍尔效应原理图是霍尔片的灵敏度系数，表示在单位磁场强度和单位激励电流时霍尔电压的大小。第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.1工作原理概述由式可知霍尔电势正比于激励电流和磁场强度，其灵敏度系数与霍尔常数成正比，与霍尔片厚度成反比。当磁场强度的方向与霍尔片平面的垂线的夹角不为零时，实际作用在霍尔片上的有效磁场强度只是其垂线方向的分量，即。霍尔电势将减小为。霍尔效应原理图为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。当激励电流或磁场方向发生改变时，霍尔电势方向也将发生改变。第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.1工作原理概述由于材料的电阻率（为载流子迁移率），因此霍尔常数可表示为这说明为提高霍尔片灵敏度系数，需要具有较大电阻率和载流子迁移率的霍尔材料。金属材料的载流子迁移率很高，但电阻率很小；绝缘材料的电阻率极高，但载流子迁移率极低，因此只有半导体材料适合于制造霍尔元件。由于电子迁移率大于空穴迁移率，因此霍尔元件大多用型半导体制造。霍尔效应原理图第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.2霍尔元件1.霍尔元件的结构如右图所示，霍尔元件由霍尔片、引线和壳体组成。从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1-1´电极用于加控制电流，称控制电极（通常用红色导线）。另一对2-2´电极用于引出霍尔电势，称为霍尔电极（通常用绿色导线）。霍尔元件的壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂等材料封装而成。外形结构示意图第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.2霍尔元件1.霍尔元件的结构右图所示为霍尔元件通用图形符号。国产器件常用代表霍尔元件，其后字母代表元件的材料（代表锗、代表锑化铟、代表砷化铟），数字代表产品序号。例如，表示用锗材料制成的霍尔元件；表示用锑化铟材料制成的霍尔元件。图形符号第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.2霍尔元件2.霍尔元件的测量电路霍尔元件的基本测量电路如右图所示。激励电流由电源供给，可调电阻用来调节激励电流的大小。为输出霍尔电势的负载电阻，通常是显示仪表、记录装置或放大器等设备的输入阻抗。霍尔效应的建立时间很短，所以也可以用频率很高的交流激励源进行激励。霍尔元件的基本测量电路第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.2霍尔元件2.霍尔元件的测量电路在实际应用中，霍尔元件可以在恒压或恒流条件下工作。由于霍尔元件输入电阻随温度变化的影响，恒压工作比恒流工作的性能要差一些，只适合于对精度要求不高的场合，为了充分发挥霍尔式传感器的性能，最好使用恒流源供电。通常霍尔电势的转换效率较低。为获得更大的霍尔电势输出，可将若干个霍尔元件串联使用（图a），也可采用运算放大器对霍尔电势进行放大（图b），但最好的方法是采用集成霍尔式传感器（图c）。第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.2霍尔元件3.霍尔元件的基本特性（1）额定激励电流和最大允许激励电流额定激励电流：使霍尔元件自身温度升高10℃所施加的激励电流。最大允许激励电流：以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流。由于霍尔电势随激励电流的增加而增加，因此使用时希望选用尽可能大的激励电流。但受最大允许温升的限制，需要通过改善霍尔元件的散热条件，以便于增加激励电流。第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.2霍尔元件3.霍尔元件的基本特性输入电阻：激励电极间的电阻。输出电阻：霍尔电极间的电阻。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源，输出电阻则相当于电压源的内阻。输入输出电阻值是在磁场强度为零，且环境温度在（20±5）℃的条件下测量获得。（2）输入电阻和输出电阻第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.2霍尔元件3.霍尔元件的基本特性不等位电势：当通有激励电流的霍尔元件处于磁场强度为零的环境时，其霍尔电势理论上应为零，但实际上并不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势，也称为非平衡电势或残留电势。不等位电势是激励电流流经不等位电阻所产生的电压，该电势也可用不等位电阻表示（3）不等位电势和不等位电阻式中，是不等位电势；是不等位电阻；是激励电流。不等位电阻和不等位电势都是在直流激励源作用下测得的，其值越小说明霍尔元件性能越好。第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.2霍尔元件3.霍尔元件的基本特性寄生直流电势：当外加磁场强度为零，激励电流改用交流激励时，霍尔电极间的空载电压除交流不等位电势外，还有一直流电势，称其为寄生直流电势。产生原因：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；两个霍尔电极大小不对称，使两个电极间的热容量不同、散热状态不同形成极间温差电势。寄生直流电势一般在1mV以下，是影响霍尔元件温度漂移的原因之一。（4）寄生直流电势第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.2霍尔元件4.霍尔元件的误差补偿不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，因此必须对其进行补偿。分析不等位电势时，可以将霍尔元件等效为电阻电桥，不等位电势相当于电桥的不平衡输出。如右图所示为霍尔不等位电势的等效电路，其中和为激励电极，和为霍尔电极，电极间的分布电阻分别用和表示，将其看作电桥的四个桥臂。（1）不等位电势误差的补偿在理想情况下，，电桥平衡，不等位电势为零。实际上，和阻值不相等，使得电桥不平衡，从而产生非零的不等位电势。因此，只要能使电桥平衡的外电路都可以用来补偿不等位电势。霍尔不等位电势的等效电路第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.2霍尔元件4.霍尔元件的误差补偿图(a)为不对称补偿电路，在未加磁场时，调节使不等位电势为零。由于与霍尔元件的电阻温度系数不同，当温度变化时，初始的补偿关系将被破坏。图(b)为对称补偿电路，相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻。这种补偿方式对温度变化的稳定性要比不对称补偿电路好，其缺点是使输出电阻增大。图(c)用于交流供电的情况。下图所示给出了几种常见的补偿线路。第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.2霍尔元件4.霍尔元件的误差补偿通常半导体材料都具有较大的温度系数。当温度发生变化时，霍尔元件的载流子浓度（1%/℃的温度系数）、迁移率、电阻率以及霍尔系数都会发生变化。为了减小温度误差，除了使用温度系数小的半导体材料（如砷化镓），还可以采用适当的补偿电路进行补偿。（2）霍尔元件的温度误差及其补偿第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.2霍尔元件4.霍尔元件的误差补偿式中，温度时的值；温度变化量；霍尔电压温度系数。温度变化会引起霍尔元件输入电阻的变化，从可以看出采用恒流源（稳定度±0.1%）供电，可以减小由于输入电阻随温度变化引起的激励电流变化所带来的温度误差。当温度发生变化时，可知霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成分流电阻法第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.2霍尔元件4.霍尔元件的误差补偿其原理结构如右图所示，电路中用一个分流电阻与霍尔元件的激励电极相并联。当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，分流电阻也会随温度升高而自动加强分流，减少了霍尔元件的激励电流，从而达到补偿目的。对具有正温度系数的霍尔元件，它的霍尔电压随温度升高而增加倍。如果要保持值不变（磁场强度不随温度的变化而变化），只有适当的减小激励电流的值，来抵消霍尔灵敏度系数增大的影响。因此，可以在霍尔元件的输入回路中并联一个电阻，起到分流作用。分流电阻法第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.2霍尔元件4.霍尔元件的误差补偿假设初始温度为，此时霍尔元件的输入电阻为，分流电阻为，霍尔元件的灵敏度系数为，则流过霍尔元件的电流和霍尔电势分别为分流电阻法第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.2霍尔元件4.霍尔元件的误差补偿当温度升高后，霍尔元件输入电阻、分流电阻和灵敏度系数变为分流电阻法式中，、和分别是霍尔元件输入电阻、分流电阻和灵敏度温度系数。第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.2霍尔元件4.霍尔元件的误差补偿此时，流过霍尔元件的电流和霍尔电势分别为分流电阻法为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足温度升高前后的霍尔电势不变，即，整理并略去的高次项后可得下式，即第六章6.3霍尔传感器1.1.1什么是传感器6.3.2霍尔元件4.霍尔元件的误差补偿当霍尔元件选定后，输入电阻，输入电阻的温度系数，以及灵敏度温度系数是确定值。由式可计算出分流电阻的阻值及其温度系数需满足的关系。为了满足和两个条件，分流电阻可取不同温度系数的两种电阻的串、并联组合。这样虽然复杂，但效果较好。第六章6.3霍