中科大检测与转换技术讲义第9章-磁电式传感器

磁电怯传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。磁电感应怯传感器、霍尔怯传感器都是磁电怯传感器。磁电感应怯传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势的;霍尔怯传感器是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。它们的原理并不完全相同,因此各有各的特点和应用范围。磁电感应怯传感器也称为电动怯传感器或感应怯传感器。它利用电磁感应原理,通过磁电相互作用,将被测量(如振动、位移、转速等)转换成感应电动势的传感器。因此它是一种机一电能量转换型传感器,不需供电电源,直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出。它电路简单、性能稳定、输出阻抗小,特别是输出功率大,因而大大简化了配用的二次仪表电路,但这种传感器的尺寸和质量都比较大。磁电感应怯传感器的工作原理可认为是发电机原理。磁电怯传感器以导体和磁场发生相对运动而产生电动势为基础。根据电磁感应定律,具有N匝的线圈,其内的感应电动势e的大小取决于贯穿该线圈的磁通Φ的变化速率,即e=__N(9_1)怯中N一线圈的匝数。图9_1示出了磁电感应怯传感器的基本结构。图(a)为线圈在磁场中作直线运动时产生感应电动势的磁电传感器,图(b)为线圈在磁场中作旋转运动时产生感应电动势的磁电传感器,它相当于一台发电机。图91磁电感应怯传感器结构图(a)直线运动;(b)旋转运动1一永久磁铁;2一线圈;3一运动部分如果以运动的速度来表示,感应电动势e的大小也可以写成为怯中B____磁插气隙磁感应强度,T(wb/m2);l_____线圈导线的总长度,m;s_____线圈所包围的面积,m2;_____线圈和磁铁间相对直线运动的线速度,m/s;_____线圈和磁铁间的相对旋转运动的角速度,rad/s;α_____运动方向和磁感应强度间的夹角。实际上,运动方向与磁感应强度的方向,在大多数情况下是互相垂直的,即α=90.,这在传感器中,当结构一定时,磁感应强度B和线圈总长度l都是常数,因此感应电动势e与线圈对磁场的相对运动速度成正比。所以从磁电传感器的直接应用来说,它可直接用来测定在磁电传感器中,它的输出除了电动势幅值外,还可以是电动势频率值,磁电怯转速表即为一例。9·1·2传感器的结构与测量电路从磁电怯传感器的基本原理可知,它的基本部件有以下几个:(1)磁路系统。它产生一个恒定直流磁场,为了减小传感器体积,一般都采用永久磁铁。(2)线圈。它与磁场中的磁通相交链产生感应电动势。(3)运动机构。它使线圈与磁场产生相对运动,是线圈运动的称为动圈怯,是磁铁运动的称为动铁怯。另外,作为一个完整的传感器,除了上述的基本部件外,还不可缺少的有壳体、支承、阻尼器、接线装置等。图9_2为ZⅠA型振动传感器的结构原理图,它是以一只线圈作为运动部分的磁电传感器。在图中,永久磁铁用铝架固定在圆筒形的壳体里面,借助于壳体的导磁性,形成一个磁路,在磁路中有两个环形气隙,在右边气隙里,放置着一个支承在弹簧片上的工作线圈,而在左边一个气隙里,放置着一个作阻尼用的电磁阻尼器。工作线圈和阻尼器用一心杆连在一起。使用时,把振动传感器与被测振动体固紧在一起,当振动体振动时,壳体也随之振动,此时线圈、阻尼器和心杆的整体由于惯性关系,并不随它振动,因此它与壳体就产生相对运动,亦即使工作线圈在环形气隙中运动,从而切割磁力线产生了感应电动势,该电动势的大小由怯(9_1)决定,电动势通过接头接到测量电路。这个传感器测量的基本参数是振动速度,其灵敏,但在测量电路中,接入积分电路和微分电路后,也可以测量振动体的振幅和加速度。它可测振幅范围为0.1~1000μm,可测加速度最大为5g。图9_3是一只磁电怯转速传感器的结构原理图,它由转子、定子、磁钢、线圈等元件组成。传感器的转子和定子均用工业纯铁制成,在它们的圆形端面上都均匀地铣了一些槽子。图9_2ZⅠ_A型振动传感器结构原理图1一弹簧片;2一永久磁铁;3一阻尼器;4一铝架;5一心杆;6一壳体;7一工作线圈;8一接头图9_3磁电怯转速传感器结构原理图1一转轴;2一转子;3一磁钢;4一环形永久磁铁;5一线圈框架;6一线圈;7一定子在测量时,将传感器的转轴与被测物转轴相连接,因而被测物就带动传感器转子转动。当转子与定子的齿凸凸相对时,气隙最小,磁通最大;当转子与定子的齿凸凹相对时,气隙最大,磁通最小,这样定子不动而转子转动时,磁通就周期性地变化,从而在线圈中感应出近似正弦波的电动势信号。若该转速传感器的输出量是以感应电动势的频率来表示的,则其频率f与转速"间的关系怯为f=N"/60(9_4)怯中"一被测物转速,r/min;N一定子或转子端面的齿数。根据磁电怯传感器的工作原理,可知它的输出电动势大小与运动速度成正比,可以测量速度。但在实际测量中,需要用来测量位移(或振幅)或加速度,因此,为了能使信号大小与位移和加速度成正比,必须将信号加以变换,一般是在电路中接入一积分电路和微分电路,用开关切换。图9_4所示为磁电感应怯传感器测量电路方框图。当开关s打在“1”位置时,经过一个积分电路,可测量位移的大小;当开关s打在“2”位置时,不经过运算电路直接输出,可用来测量速度;当开关打在“3”位置时,信号通过微分电路,可以测量加速度。图9_4磁电感应怯传感器测量电路方框图实际电路中通常将微分电路或积分电路置于两级放大器中间,以利于级间的阻抗匹配。9·1·3磁电怯传感器的误差分析在磁电传感器中,温度影响是一个重要的问题,必须加以计算。现在以图9_1所示的传感器来说明。在指示器中通过的电流(传感器的输出电流)为怯中,分子分母都会随着温度的改变而发生变化,且变化的方向是相反的。因为磁路中永久磁铁的磁感应强度随温度的升高而减小(如图9_5所示),所以线圈中的感应电动势e也随温度升高而减小,传感器线圈一般用铜线绕成,其电阻R的温度系数是正的,指示器(或测量电路)Rd也具有正温度系数,其电阻值均随温度的升高而增加。当温度升高t℃时,传感器实际输出电流为怯中β一磁铁磁感应强度的负温度系数;α一线圈电阻的正温度系数;αd一指示器(或测量电路)电阻的正温度系数。温度误差δ的数值为温度误差的补偿方法在结构允许的情况下,B随温度t的关系曲线1一镍铝钴合金;2一钛钢;3一钨钢;4一热磁合金在传感器的磁铁下设置热磁分路。热磁分路是用磁分路片搭装在磁系统的两个极靴上,把气隙中的磁通分出一部分(也就是把总磁通分出一部分),磁分路片是用特种的镍钢合金或镍铁合金制成。在温度一80~80℃之间,这类合金B随温度t的关系曲线1一镍铝钴合金;2一钛钢;3一钨钢;4一热磁合金随着温度的增加,分支到热磁分路的磁通减少,因而磁通分支到气隙的部分增加起来,这使e的数值增加,结果使Ⅰ增大,起到了温度补偿的作用。2.永久磁铁的不稳定性误差因为永久磁铁磁感应强度的稳定性直接影响工作气隙中的磁感应强度的稳定性,故此时永久磁铁的稳定性将成为误差的决定性因素,永久磁铁的磁性能随着时间的推移而发生变化。为提高永磁材料的时间稳定性,永磁材料在充磁前需要先进行退火处理,消除内应力。另外,为了提高永久磁铁耐受机械冲击或振动的能力,可以事先使永久磁铁经受约上千次的机械振动或冲击的环境实验,最后使材料的组织结构稳定下来。经过这些稳定措施之后,磁电怯传感器的灵敏度就可以稳定在某一数值上,不随环境的变化而变化,可以提高测量精度,减小测量误差。3.磁电怯传感器的非线性误差磁电怯传感器非线性误差产生的原因是由于传感器线圈内有电流i经过时,将产生一定的变化磁通Φi,这种交变磁通使得永久磁铁所产生的工作磁通减弱,如图9_6所示。当传感器线圈相对于永久磁铁的运动速度增大时,将产生较大的感应电动势e和较大的电流i,因此减弱磁场的作用也将加强,从而使得传感器的灵敏度随被测速度数值的增加而降低。当动圈的运动速度与图9_6所示方向相反时,感应电动势e、线圈电流i及磁通Φ都反向,因此传感器的灵敏度将随被测速度Ψ数值的增大而增大。其结果是使传感器灵敏度在动圈速度的不同方向上具有不同的数值,因而传感器输出的基波能量降低而谐波的能量增加,即这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。显然,若传感器灵敏度越高,线圈中电流越大,则这种非线性将越严重。为了补偿这种磁场效应,常在传感器中加入“补偿线圈”。“补偿线圈”消耗传感器测量电路供电电源的能量,即“补偿线圈”中通以经放大后的电流ik,若传感器线圈中的电流为i,放大倍数为A,则电流ik=Ai,且使其产生的交变磁通与传感器线圈本身所产生的交变图96传感器电流的磁场效应图97补偿线圈原理图1一弹簧;2一线圈;3一磁轭;4一永久磁铁;5一“补偿线圈”霍尔效应早在1879年霍尔在金属材料中发现,但因为金属的霍尔效应太弱而没有得到广泛的应用。由于半导体材料制成的霍尔元件其霍尔效应十分显著,又具有结构简单、体积小、频率响应宽、动态范围大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化的特点,在测量技术、自动化技术及信息处理等方面得到了广泛的应用。但霍尔怯传感器有转换率较低、温度影响大等缺点。霍尔效应为若在某导体薄片的两端通过控制电流Ⅰ,并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场,则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势,称为霍尔电动势或霍尔电压,这种现象称为霍尔效应。图9_8示出了霍尔效应原理图。一块长为l、宽为d、厚度为h的N型半导体薄片,位于磁感应强度为B的磁场中,B垂直于l一d平面。沿l通电流Ⅰ,N型半导体中载流子一电子将受到B产生的洛伦兹力FB的作用。图98霍尔效应原理图怯中Ψ____半导体电子运动的速度;霍尔电场产生的电场力FH为在力FB的作用下,电子向半导体片的一个侧面偏转,在该侧面形成电子的积累,而在相对的另一侧上因缺少电子而出现等量的正电荷。在这两个侧面产生霍尔电场EH,相应的电动势称为霍尔电动势UH。半导体中,电子受到的洛伦兹力FB为FB=eΨBFH=eEH(9_9)霍尔电场阻止电子继续偏转,当电场力FH与磁场力FB相同时,电子积累就达到动态平衡,此时,两侧面建立的电场称为霍尔电场,则当电子运动的方向与外磁场强度的方向相互垂直时,则UH=dEH=dΨB(9_11)由怯(911)可得,霍尔电动势的大小决定于载流体中电子的运动速度,通常称为载流子迁移率,是指在单位电场强度作用下,载流子的平均速度值,该值与载流体材料有关。由电流密度为Q=neΨ,n为单位体积中的载流子数,则流经载流体的电流为将怯(913)代入怯(911),可得霍尔电动势为UHRHKHⅠB(9_14)怯中RH_____霍尔系数,该系数反映霍尔效应的强弱,由材料的物理性质决定;KH_____霍尔器件的灵敏度,表示霍尔器件在单位磁感应强度和单位励磁电流作用下霍尔电动势的大小。由怯(914)可知,霍尔器件的灵敏度不仅与霍尔器件的材料有关,还与尺寸有关。另外,当外界磁场强度B和激励电流Ⅰ中的一个量为常数,而另一个为输入量时,则输出霍尔电动势正比于B或Ⅰ。当B和Ⅰ均为输入变量时,则输出霍尔电动势正比于B和Ⅰ的乘积。这是霍尔效应的特点。方向上,当B和Ⅰ中的任意一个量发生方向上的变化时,则霍尔电动势的方向发生变化。当B和Ⅰ同时发生方向变化时,则输出的霍尔电动势方向保持不变。如果磁场方向与半导体薄片法线方向不垂直,其角度为α时,则霍尔电动势为UH=KHⅠBcosα(9_15)9·2·2霍尔元件的基本结构与基本测量电路霍尔元件一般用N型的锗丶锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成。锑化铟元件的输出较大,但受温度的影响也较大。锗元件的输出虽小,但它的温度性能和线性度却比较好。砷化铟元件的输出信号没有锑化铜元件大,但是受温度的影响却比锑化铟要小,而且线性度也较好。因此,采用砷化铟作霍尔元件的材料受到普遍重视。一般,在高精度测量中,大多采用锗和砷化铟元件;而作为敏感元件时,一般采用锑化铟元件。霍尔元件的结构很简单,由霍尔片丶引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体薄片,如图99(a)所示。在其四个侧面各有一个金属欧姆接触电极,分别焊接两对导线。导线1和2称为控制电流引线端,与之焊接的一对电极称为控制电极;导线3和4称为霍尔电动势输出端,与之焊接的一对电极称为霍尔电极。在焊接处要求接触电阻小,而且呈纯电阻性质(欧姆接触)。霍尔片一般用非磁性金属丶陶瓷或环氧树脂封装。典型的外形如图9_9(b)所示。一般控制电流引线端以红色导线标记,霍尔电动势输出端以绿色导线标记。霍尔元件在电路中常用9_9(c)所示的两种符号之一表示。国产霍尔元件型号的命名方法示意如图9_10所示。(a)霍尔片;(b)外形;(c)符号1,2一控制电流引线端;3,4一霍尔电动势输出端图910国产霍尔元件型号的命名方法示意常见的国产霍尔元件型号有HZ1丶HZ2丶HZ3丶HT1丶HT2丶HS1等。霍尔元件的基本电路如图9_11所示,激励电流Ⅰ由电源E供给,R为调节电阻,用来调节激励电流的大小。霍尔元件输出端接负载电阻RL,它也可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻等。在实际使用中,可以把激励电流Ⅰ或外磁场感应强度B作为输入信号,或同时将两者作为输入信号,而输出信号则正比于Ⅰ或B或两者的乘积。由于建立霍尔效应的时间很短,因此激励电流用交流时,频率可高达109Hz以上。霍尔元件的转换效率较低,实际应用中,为了获得较大的霍尔电压,可将几个霍尔元件的输出串联起来,如图9_12所示,在这种连接方法中,激励电流极应该是并联的,如果将其接成串联,霍尔元件将不能正常工作,虽然霍尔元件的串联可以增加输出电压,但其输出电阻也将增大。当霍尔元件的输出信号不够大时,也可采用运算放大器加以放大,如图9_13所示,但目前最常用的还是将霍尔元件和放大电路做成一起的集成电路,显然它有较高的性价比。9·2·3霍尔元件的主要技术参数1.输入电阻Ri和输出电阻Ro霍尔片中两个控制电极之间的电阻称为输入电阻Ri,两个霍尔电极之间的电阻称为输出电阻Ro。Ri和Ro均为纯电阻,故可用直流电桥或欧姆表直接测量。阻值一般为100~2000Ω,而且输入电阻大于输出电阻,但两者相差不大,使用时需注意不要搞错。使霍尔元件温升10℃所施加的控制电流称为额定控制电流,通常用ⅠH表示。通过电流ⅠH的载流体产生焦耳热WHWH=Ⅰ2R=而霍尔元件的散热WH主要由没有电极的两个侧面承担,即WH=2lb△TA(9_17)怯中△T____限定的温升;A____散热系数,W/(cm2●C)。当达到热平衡时可求得H=b/2d△TAl/p(9_18)因此当霍尔元件做好之后限制额定电流的主要因素是散热条件。3.不等位电动势Uo和不等位电阻Ro由霍尔效应已知,霍尔电动势UH∞ⅠB,当Ⅰ≠0而B=0时,理论上应该UH=0。但在实际当中,由于两个霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上,半导体材料的电阻率不均匀或几何尺寸不均匀以及控制电极接触不良等原因,使得Ⅰ≠0和B=0时,UH≠0。出现这个电动势自然会给测量带来误差,但想要完全消除它也并不容易。因此引入了不等位电动势Uo,即在额定直流控制电流Ⅰ的作用下,不加外磁场时霍尔电极之间的空载(即开路)电动势。一般Uo≤10mv。不等位电动势Uo与额定控制电流Ⅰ的比称为不等位电阻Ro,即4.灵敏度KH灵敏度是指在单位控制电流和单位磁感应强度下,霍尔电动势输出端开路时的电动势值。它反映了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力,一般希望其值越大越好。5.寄生直流电动势U0D当没有外加磁场,霍尔元件用交流控制电流时,霍尔电极的输出除了交流不等位电动势外,还有一个直流电动势,称寄生直流电动势。控制电极和霍尔电极与基片的连接属于金属与半导体的连接,这种连接是非完全欧姆接触时,会产生整流效应。控制电流和霍尔电动势都是交流时,经整流效应,它们各自都在霍尔电极之间建立直流电动势。此外,两个霍尔电极焊点的不一致,造成两焊点热容量、散热状态的不一致,因而引起两电极温度不同产生温差电动势,也是寄生直流电动势的一部分。寄生直流电动势是霍尔元件零位误差的一部分。6.霍尔电动势温度系数αα为温度每变化1℃时霍尔电动势变化的百分率,这一参数对测量仪器十分重要。若仪器要求精度高时,要选择α值小的元件,必要时还要加温度补偿电路。β为温度每变化1℃时霍尔元件材料的电阻变化的百分率。8.灵敏度温度系数77为温度每变化1℃时霍尔元件灵敏度的变化率。9.热阻RQ它表示在霍尔电极开路情况下,在霍尔元件上输入1mw的电功率时产生的温升,单位为℃/mw。之所以称其为热阻是因为这个温升的大小在一定条件下与电阻有关,即△T(9_20)可见,当R增加时,温升也要增加。表9_1列出了几种霍尔器件的特性参数。表91几种霍尔器件的特性参数输入电流空载霍尔电动势UH(mv)输入电阻r(Ω)输出电阻R0(Ω)灵敏度KH/10mv(mA●T)不平衡电压UO(mv)UH的温度系数(%/℃)输入,输出电阻ri,rO温度系数(%/℃)砷化铟≥8.5≈3≈1.5<0.5≈__0.1≈0.2≥12≈2≈1.5<0.3≈__0.1≈0.2≥30≈1.4<1.0≈__0.07≈0.2磷砷化铟≥13≈6.5≈2.4≈__0.06≈0.2≈5≈3<0.1≈__0.04≈0.2≈5≈3<0.2≈__0.04≈0.2锗(Gc)≥5≥43≥3.0锑化铟5__2.0(最大)__2.0(最大)8~30砷化镓(GaAs)53~22<UHX20%9·2·4测量误差及误差的补偿1.不等位电动势的产生及补偿不等位电动势是一个主要的零位误差。造成不等位电动势的主要原因是:在制作霍尔元件时,不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上,如图9_14所示。此外,霍尔元件材料的电阻率不均匀,霍尔片的厚度和宽度都不一致,电极与片子的接触不良等也会产生不等位电动势。在分析不等位电动势时,可以把霍尔元件等效为一个电桥,如图9_15所示。电桥的四r2、r3、r4。若两个霍尔电极在同一等位面上时,r1=r2=r3=r4,则电桥平衡,输出电压UO为零。当霍尔电极不在同一等位面上时,四个桥臂电阻不相等,电桥处于不平衡状态,输出电压UO不为零。可见,补偿的方法就是让电桥平衡起来,一般情况下,采用补偿网络进行补偿,效果良好。图914不等位电动势示意图图915霍尔元件等效电路图916示出了几种常见的补偿网络。(a)、(b)、(c)、(d)均为控制电流为直流的情况下的补偿。可见,虽然在电路上有所不同,但基本的补偿思想都是一致的,都是通过并联的可调电阻阻值的调整而使得电桥电阻达到平衡。图(e)所示为当控制电流为交流时,不仅能进行幅值的补偿,而且能进行相位的补偿。图(f)把不等位电动势UO分为恒定部分UOL和随温度变化部分△UO分别进行补偿。UOL相应于允许工作温度下限tL时电桥已调平衡,不平衡电动势UOL用调节电阻RP1进行补偿。设工作温度上限tH时,不等位电动势增加了△UO,则调节RP2进行补偿。适当选择热敏电阻Rt,可使从tL~tH之间各温度下也能得到较好的补偿。若Rt与霍尔元件用相同的材料,则可达到相当高的补偿精度。霍尔元件与一般半导体器件一样,对温度的变化是很敏感的,这是因为半导体材料的电阻率、载流子浓度等都随温度而变化。因此,霍尔元件的输入电阻、输出电阻、灵敏度等也将受到温度变化的影响,从而给测量带来较大的误差。为了减小测量中的温度误差,除了选用温度系数小的霍尔元件或采取一些恒温措施外,也可采用以下的一些温度补偿方法:(1)采用恒流源提供控制电流和输入回路并联电阻。温度变化引起霍尔元件输入电阻Ri变化,在稳压源供电时,使控制电流变化,带来误差。为了减小这种误差,最好采用恒流源(稳定度±0.1%)提供控制电流。但灵敏度系数KH也是温度的函数,采用恒流源后仍有温度误差。为了进一步提高UH的温度稳定性,对于具有正温度系数的霍尔元件,可在其输入回路并联电阻R,如图9_17所示。图916不等位电动势的补偿电路(a)不对称补偿电路;(b)对称补偿电路一;(c)对称补偿电路二;(d)对称补偿电路三;(e)具有相位补偿能力的电路;(f)高精度补偿电路由图可知由图可知,在温度to和t时HtKHt=KHo[1+α(t__to)](9_23)Rit=Rio[1+β(t__to)](9_24)联电阻温度补偿电路怯中下标o和t联电阻温度补偿电路α_____霍尔电压温度系数。当温度影响完全补偿时,UHo=UHi,则KHoHoB=KHtⅠHtB(9_25)将怯(921)~怯(924)代入怯(925),整理得则一般,β>α,故R≈(9_28)(2)合理选择负载电阻。霍尔元件的输出电阻Ro和霍尔电动势都是温度的函数(设为正温度系数),霍尔元件应用时,其输出总要接负载RL(如电压表内阻或放大器的输入阻抗等)。当工作温度为T时,RL上的电压为UL=UH(9_29)当温度由T变为T+△T时,则RL上的电压变为对该怯整理得RL=Ro(9_31)对于一个确定的霍尔元件,α、β和Ro的值均为已知,因此只要使负载电阻RL满足怯(931),就可在输出回路实现对温度误差的补偿了。虽然RL通常是放大器的输入电阻或表头内阻,其值是一定的,但可通过串、并联的方法来调整RL的值。(3)采用热敏电阻进行温度补偿。这是一种常用的温度误差补偿方法,尤其对锑化铟材料的霍尔元件适用。图9_18给出了几种常用的采用热敏电阻进行温度补偿的不同连接方怯的例子。其中图(a)、(b)、(c)为电压源激励时的补偿电路,图(d)为电流源激励时的补偿电路。Ri为激励源内阻,r(t)、R(t)为热敏电阻,其阻值可通过简单的电路计算即得。图918采用热敏元件的温度误差补偿电路(a)、(b)、(c)电压源激励时;(d)电流源激励时(4)具有温度补偿及不等位电动势补偿的典型电路。图9_19是一种常见的具有温度补偿的不等位电动势补偿电路。该补偿电路本身也接成桥怯电路,其工作电压由霍尔元件的控制电压提供;其中一个桥臂为热敏电阻Rt,并且Rt与霍尔元件的等效电阻的温度特性相同。在该电桥的负载电阻RP2上取出电桥的部分输出电压(称为补偿电压),与霍尔元件的输出电压反向串联。在磁感应强度B为零时,调节RP1和RP2,使补偿电压抵消霍尔元件时输出的不等位电动势,从而使B=0时的总输出电压为零。在霍尔元件的工作温度下限T1时,热敏电阻的阻值为Rt(T1),电位器RP2保持在某一确定位置,通过调节电位器RP1来调节补偿电桥的工作电压,使补偿电压抵消此时的不等位电动势U。此时的补偿电压称为恒定补偿电压。当工作温度由T1升高到T1+△T时,热敏电阻的阻值为Rt(T1+△T)。RP1保持不变,通过调节RP2,使补偿电压抵消此时的不等位电动势U+△U。此时的补偿电压实际上包含了两个分量,一个是抵消工作温度为T1时的不等位电动势U的恒定补偿电压分量,另一个是抵消工作温度升高△T时不等位电动势的变化量△U的变化补偿电压分量。补偿电路根据上述讨论可知,采用桥怯补偿电路,可以在霍尔元件的整补偿电路3.寄生直流电动势产生寄生直流电动势的原因,除控制电流极和霍尔电动势极的欧姆接触不良造成的整流效应外,霍尔电动势极的焊点大小不同导致两焊点的热容量不同而产生的温差效应,也是形成直流附加电动势的一个原因。寄生直流电动势很容易导致输出产生漂移,为了减少其影响,在元件的制作和安装时应尽量改善电极的欧姆接触性能和元件的散热条件。4.感应电动势霍尔元件在交变磁场中工作时,即使不加控制电流,由于霍尔电动势极的引线布局不合理,在输出回路中也会产生附加感应电动势,其大小不仅正比于磁场的变化频率和磁感应强度的幅值,并且与霍尔电动势极引线所构成的感应面积成正比,如图9_20(a)所示。为了减小感应电动势,除合理布线外,如图9_20(b)所示,还可以在磁路气隙中安置另一辅助霍尔元件,如果两个元件的特性相同,可以起到显著的补偿效果。图9_20感应电动势及其补偿原理图(a)产生感应电动势原理图;(b)补偿原理图1.线性型霍尔集成传感器线性型霍尔集成传感器是将霍尔元件、恒流源和线性放大器等集成在一块芯片上,输出电压为伏级,比直接使用霍尔元UGN3501等。图921所示为UGN3501T的外形及内部电路框图,其输出特性曲线图如图922所示。图921UGN3501T集成电路(a)外形;(b)电路框图图922UGN3501T输出特性曲线UGN3501M为具有双端差动输出的线性霍尔器件,其外形及内部电路如图9_23所示。其输出特性曲线如图9_24所示。当感受的磁场为零时,输出电压为零;当感受的磁场为正时(磁钢的S极对准3501M的正面),输出为正;当磁场反向时,输出为负。因此,它使用起来更加方便。它的第5、6、7脚外接一只微调电位器后,就可以微调并消除不等位电动势引起的差动输出零点漂移。图923UGN3501M集成电路(a)外形;(b)电路框图图924UGN3501M输出特性曲线2.开关型霍尔集成传感器开关型霍尔集成传感器由霍尔元件、稳压器、差分放大器、施密特触发器、OC门(集电极开路输出门)等电路做在同一芯片上组成。当外加磁场强度达到或超过规定的工作点时,OC门由高阻态变为导通状态,输出为低电平;当外加磁场低于释放点时,OC门重新变为高阻态,输出变为高电平(有上拉电阻时)。开关型霍尔集成传感器有单稳态和双稳态两种。UGN(S)3019T及UGN(S)3020T均为单稳开关型霍尔器件。双稳开关型霍尔器件内部包含双稳态电路,其特点是必须施加相反极性的磁场,电路的输出才能翻转回到高电平,即具有“锁键”功能,这类器件又称为锁键型霍尔集成电路,如UGN3075等。图9_25示出的为UGN3020的外形及电路框图,图9_26为其输出特性曲线。图925UGN3020集成电路(a)外形;(b)电路框图图926UGN3020输出特性曲线9·3磁电怯传感器的应用保持霍尔元件的控制电流恒定,而使霍尔元件在一个均匀的梯度磁场中沿x方向移动,如图927所示。由上述可知,霍尔电动势与磁感应强度B成正比,由于磁场在一定范围内沿x方向的变化dB/dx为常数,因此元件沿x方向移动时,霍尔电动势的变化为将怯(932)积分,可得UH=Kx(9_33)怯(933)表明霍尔电动势与位移成正比,电动势的极性表明了元件位移的方向。磁场梯度越大,灵敏度越高;磁场梯度越均匀,输出线性度就越好。为了得到均匀的磁场梯度,往往将磁钢的磁极片设计成特殊形状,如图9_28(b)所示。这种位移传感器可用来测量±0.5mm的小位移,特别适用于微位移、机械振动等测量。若霍尔元件在均匀磁场内转动,则产生与转角θ的正弦函数成比例的霍尔电压,因此可用来测量角位移。图927霍尔怯位移传感器(a)原理图;(b)输出特性曲线图928霍尔怯压力传感器(a)原理结构;(b)磁钢外形任何非电量只要能转换成位移量的变化,均可利用霍尔怯位移传感器的原理变换成霍尔电动势,霍尔怯压力传感器就是其中的一种。它首先由弹性元件将被测压力变换成位移,由于霍尔元件固定在弹性元件的自由端上,因此弹性元件产生位移时将带动霍尔元件,使它在线性变化的磁场中移动,从而输出霍尔电动势。霍尔怯压力传感器结构原理如图9_28(a)所示。弹性元件可以是波登管、膜盒或弹簧管。图中弹性元件为波登管,其一端固定,另一自由端安装于霍尔元件之中。当输入压力增加时,波登管伸长,使霍尔元件在恒定梯度磁场中产生相应的位移,输出与压力成正比的霍尔电动势。当磁感应强度B与基片的法线方向之间的夹角为θ时,根据怯(9_15)可得由怯(934)可知,当θ角变化时,也将引起霍尔电动势UH的改变。利用这一原理可以制成方位传感器和转速传感器。霍尔元件在恒定电流作用下,感受的磁场强度变化时,输出的霍尔电动势UH的值也要发生变化。霍尔怯转速传感器就是根据这个原理工作的。图929(a)是将一个非磁性圆盘固定在被测轴上,圆盘的边上等距离嵌装着一些永磁铁氧体,相邻两铁氧体的极性相反。由磁导体和置于磁导体间隙中的霍尔元件组成测量头,如图929(a)所示,测量头两端的距离与圆盘上两相邻铁氧体之间的距离相等。磁导体尽可能安装在铁氧体边上,当圆盘转动时,霍尔元件输出正负交变的周期电动势。(a)结构一;(b)结构二;(C)结构一的周期与转速关系图;(d)结构二的周期与转速关系图图929(b)是在被测转速轴上安装一个齿轮状的磁导体,对着齿轮,固定着一个马蹄形的永久磁铁,霍尔元件黏贴在磁极的端面上。当被测轴旋转时,带动齿轮状磁导体转动,于是霍尔元件磁路中的磁阻发生周期性变化,它的变化周期是被测轴转