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1、传感器原理与应用第六章磁敏传感器分类利用磁电感应原理的磁电感应式传感器。将运动速度、位移转换成线圈中的感应电动势输出。利川某些材料的磁电效应做成的对磁场敏感的传感器(磁敏传感器)一磁电效应主要有霍尔效应和磁阻效应其中霍尔效应是磁电效应的基础。磁敏二极管(SMD)非重点5.1磁电感应式传感器Part.l原理磁电感应式传感器非重点-磁电感应式传感器是一种电动式传感器，也是一种典型的有源传感器。特点：输出功率大稳定可靠、结构简单、可简化二次仪表工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换 为电量输出工作频率为10500Hz,适合做机械振动测量和转速测量。缺点：尺寸较大、较重频率响应低非重点工作
2、原理-磁电感应式传感器利用导体和磁场发生相对运动时会在导 体两端输出感应电动势。根据法拉第电磁感应定律可知:“导体在磁场中切割磁力线”。L闭合线圈的磁通发生变化”时，在导体两端或线圈内将产生感应电动势，电动势的大小与穿过线圈的磁通变化率有关。-当导体在均匀磁场中，沿垂直 磁场方向运动时，导体内产生 的感应电动势为：e N dt发电机恒磁通式非重点-磁路系统产生恒定的磁场，工作间隙中的磁通也保持恒定 不变，感应电动势是由线圈相对永久磁铁运动时切割磁力线而产生的。永久感铁动圈式超电传感器原理图动伙式破电传感黑原理图二永磁铁与传感器壳体固定，线圈相对于传感器壳体运动，称为动圈式。口线圈组件与传感器壳
3、体固定，永磁铁相对于传感器壳体运动，称为动铁式。非重点工作原理-动圈式和动铁式的工作原理相同。-若线圈和磁铁有相对运动，则线圈中产生的感应电动势与 磁场强度、线圈导体长度、线圈匝数以及线圈切割磁力线 的速度成比例关系，具体为：非重点变磁通式-对于变磁通式磁电传感器，线圈和磁铁都静止不动，感应 电动势是由变化的磁通产生的。由导磁材料组件构成的被 测体运动时，比如转动物体引起磁阻变化，使穿过线圈的 磁通量变化，从而在线圈中产生感应电动势，所以这种传感器也成为变磁阻式。(b)、永久磁铁faj开磁路(b)闭磁路磁电感应式传感器的基本特征电动势磁电感应传感器的灵敏度特性曲线在理论上应该是 一条直线，而实
4、际的灵敏度特性是非线性关系的。图6 4电动式磁电感应式传感 器的灵敏度特性当运动速度WVa时，运动速度太小, 不足以克服构件内的静摩擦力，因 此没有感应电动势输出；当运动速度VVa时，传感器才能克 服静摩擦力开诏做相对运动：当运动速度VVa时，惯性太大，超 过了传感器的弹性形变范围，输出 曲线开始福曲。J传感器运动速度通常工作在（Vb，Vj 范围之间，保证有足够的线性范甯。电流灵敏度：非重点-电流灵敏度是单位速度引起的输出电流变化，为：S,/ V电压灵敏度：电压灵敏度是单位速度引起的输出电压变化，为：V提高灵敏度的方法：可以增大磁场强度B、每匝线圈的长度I和线圈匝数N。-同时需要综合考虑传感器
5、的材料、体积、重量、内阻和工作频率。-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。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 正比；-前置放大器分别接积分电路和微分电路接积分电路时，感应电动势的输出正比于位移信号；接微分电路时，感应电动势的输出正比于加速度信号。非重点5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器的应用非重点特点：是一种典型的惯性传感器不需要静止的基准参考信号，可直接安装在被测物是一种典型的发电型传感器，工作时可不加电压， 直接将机械能转化为电能输出电动式磁电传感器从根本上讲是速度传感器磁电传感器输出阻抗低，通常为几十几千欧姆，
6、 对后继电路要求低，干扰小通常用来做机械振动测量CD1型振动速度传感器非重点磁电式扭矩传感器I非重点做电传感器 aa 点电传感器小测量仪表图 磁电式扭矩传感器工作原理图5.2 霍尔传感器Parti原理霍尔传感器霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器,是把磁学物理量转换成电信号的磁敏传感器。发展历程1879年，美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由 于金屈材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展，开始使用半导体材料制成霍尔元件，由于它 的霍尔效应显著而得到广泛应用和发展。优点：结构简单，体积小，坚固，频率响应宽（从直流到微波），动态范围大（输出电动势变化），u非接触、使
7、用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化。缺点：转换率较低、温度影响大、要求转换精度较高时需要进行温度补偿。霍尔效应金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中（若磁场垂直于薄 片），当有电流I流经时（若I与B正交），在垂直于电流I和磁场B的方 向上将产生电动势U这种物理现象称为霍尔效应。把一个长度为L,宽度为b,厚度为d的导体或半导体薄片两端通以控 制电流I,在薄片的垂直方向上施加磁感强度为B的磁场，在薄片的另 外两侧将会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的感应电 动势Uh。-并设其正电荷所受洛伦茨力方向为正，则电子所受的洛伦 兹力可表示为：fL = -evBe:电子电量 v:运动速度
8、 B:磁场强度霍尔电场作用于电子的力fE可表示为:fE = （一6）（一 J ） = 6Eh表示电场方向与规定正方向相反（单位V/m）-当达到动平衡后，二力的代数和为零Eh=vBUH = vBb对于n型半导体，电流强度I可以表示为:I = /= = 进而得到：IV =nebd可以推出:Uhnedj表示电流密度（A/m2）n表示单位体积内的电子数，负号表示电子运动方向与电流方向相反。s表示霍尔元件的截面积（m2）d表示霍尔元件的厚度（m）霍尔电动势U巴与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例霍尔系数-设=-,将相应公式改写为： ne力=-阳田Rh称为霍尔系数，其大小反映出霍尔效应的强弱。-考虑电阻率
9、的表达式为：夕=一,可以得到：ne/d|p表示材料的电阻率（Qm）Rh = PNp表示载流子的迁移率（m2/sV）即单位电场作用下我流子的运动速度般情况卜.，电子的迁移率要大于空穴的迁移率,因此制成霍尔元件时多采用N型半导体材料。灵敏度 Kh称为元件的灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单 位控制电流作用下霍尔电势的大小，单位是（mV/mAT）关于灵敏度的理解k 由于金属的电子浓度很高，所以它的霍尔系数或灵敏度都很小，因此不适于制作霍尔元件。 元件的厚度d越小，灵敏度越高，因此制作霍尔片时可以采用减小d 的方法来增加灵敏度，但是不能认为d越小越好，因为这会导致元 件的输入和输出电阻增加。磁
10、场与霍尔元件平面呈现夹角-当磁感应强度B和霍尔片平面法线n成角度6时，此时实际作 用于霍尔片的有效磁场使其法线方向的分量，EPB-COS0,其 霍尔电势为：UH =KhIBcosO I分析交变的电场使用控制电压代替控制电流P =电阻率公式ne/dI=倍）也演= p 口口 IUh = / EBS八与LR”5.2霍尔传感器Part.2霍尔敏感元件霍尔元件的结构-霍尔元件外形为矩形薄片，有四根引线，两端加激励电流,称为激励电极。另外两端为输出引线，称为霍尔电极，外面用陶瓷或环氧树脂封装。金属薄片图8座尔臬成电路的构造霍尔元件的主要特性参数非重点输入电阻用和输出电阻定义霍尔元件激励电极之间的电阻称为输
11、入电阻国。霍尔元件的霍尔电极输出的是霍尔电势，对外它是一个 等效的电压源，这就需要知道霍尔电极之间的电阻，这 个电阻称为输出电阻儿。额定控制电流I和最大允许控制电流Imax霍尔元件在空气中产生10的温升时，所施加的控制电 流称为额定控制电流卜。以元件允许的最大温升为限制，所对应的控制电流称为 最大允许控制电流Imax。霍尔元件的主要特性参数-续 I非重点I 不等位电势U。和不等位电阻r0 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a。霍尔灵敏系数9在单位控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输 出端的开路电压，称为霍尔灵敏系数
12、仆，霍尔灵敏系数 %的单位为V/(AT)。它反映了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希 望他越大越好。霍尔传感器的测量电路 基本测量电路控制电流I由电压源日共给。J L 虹，箕R是调节电阻，用以根据需求一Y1调节的大小。4霍尔电势输出的负载电阻Rl， 111可以是放大器的输入电阻或表 e头的内阻等。施加的外磁场B一般与霍尔元件的平面垂直。控制电流可以是交流。由于建立霍尔效应所需的时间短， 所以控制电流的频率可高达109Hz输出电路 在直流激励电流情况下，为了获得较大的霍尔电压，可将 几块霍尔元件的输出电压串联，如左图所示。 在交流激励电流情况下，几块霍尔元件的输出可通过变压 器接成如右图的
13、形式，以增加霍尔电压或输出功率。由温度造成的误差非重点 霍尔元件对温度的变化很敏感，因此，霍尔元件的输入电 阻、输出电阻、乘积灵敏度等将受到温度变化的影响，从 而给测量带来较大误差。-为了减少测量中的温度误差，选用温度系数较小的霍尔元件 或采用一些恒温措施外，还可以使用一些电路温度补偿方法。非重点采用热敏元件对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，采用 温度补偿电路，图中凡是热敏元件（热电阻or热敏电阻）左图在输入回路中进行温度补偿的电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵 消霍尔元件的乘积灵敏度Kh和输入电阻R1变化对霍尔输出电势Uh的影响。右图在输出回路进行温度补偿的电路，当温度变化时，
14、用Rl的变化来抵消 霍尔输出电势Uh和输出电阻R。变化对负载电阻Rl上的电压Ul的影响。不等位电势的补偿I非重点I-不等位电势当霍尔元件的激励电流为额定值小时，若元件所处位置的磁感成强 度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零，这时测得的空 载霍尔电势称为不等位电势。产生原因不等位电势是由于两个霍尔电极安装时不在同一个电位面上所致。2Ino :0；, U 01 P11不等位电阻：不等位电势是由于霍尔电极2和2之间的电阻为不等位电阻。非重点一个矩形霍尔片有两个电极，各 个电极之间有4个电阻R1，R2, 1%，R4，因而可以把霍尔元件视 为一个4臂电阻电桥。-o21rr图77霍尔元件的等效电路
15、6C国7-8也势的补偿电路- 这样不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。- 理想状况下，不等位电势为0,即电桥平衡。非重点- 所有能够使电桥达到平衡的方法均可以用作补偿不等位电 势，使不等位电势为0。图7-9 不对称电势的基本补偿电路 (a)不对称补偿电路；(b)对称补供电路5.2霍尔传感器Part.3集成霍尔传感器集成霍尔传感器将霍尔敏感元件、放大电路、校正电路、温度补偿电路以及激励源（比如给霍尔敏感元件供电的恒流源）全部集成在一片芯片上，构成集成霍尔传感器。根据霍尔敏感材料的特性不同，可以分成两大类:线性测量型开关型GaAs （种化线 InSb （锚化钿）J线性 度裔线性集成霍尔传感
16、器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。 其输出信号与磁感应强度成比例。通常由霍尔元件、差分放大、射极跟随 输出及稳压四部分组成。级性型宗尔器件示然图桧徐源UGN 33OIT第一级差分放大第二级差分放大HL1.1型线性集成出尔传感器外接 射级电阻达林顿管开关型集成霍尔传感器霍尔开关集成传感器是一种双稳态型传感器.乂称为锁键型传感器。 当外加磁感应强度超过工作点小J,其输出为导通状态。而在磁场撤销后， 输出仍保持不变，必须施加反向磁场并使之超过释放点，这样才能使其关 断。(V)粒压源开关型霍尔案件示意图VoutoVccGND典型的霍尔开关集成传感器型号HAL1881,HAL732,HAL41
17、F, I HAL51312OFF霍尔开关集成传感器的工作特性曲线5.2霍尔传感器Part.4霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用电路归纳起来，霍尔传感器有三个方面的用途：当控制电流不变时，使传感器处于非均匀磁场中，则传感器 的霍尔电势正比于磁感应强度，利用这一关系可反映位置、 角度或励磁电流的变化。当控制电流与磁感应强度皆为变量时，传感器的输出与这两 者乘积成正比。在这方面的应用有乘法器、功率计以及除法、倒数、开方等运 算器，此外，也可用于混频、调制、解调等环节中，但由于霍尔元件 变换频率低，温度影响较显著等缺点，在这方面的应用受到一 定的限制，这有待于元件的材料、工艺等方面的改进或电路上 的补偿措施。若保持磁感应强度恒定不变，则利用霍尔电压与控制电流成 正比的关系，可以组成回转器、隔离器和环行器等控制装置。测微小位移均匀梯度磁场 微小位移测量测角度均匀磁场 角度测量Uh =kHIBH =kHIBsinO电流传感器霍尔式转速传感器图714 京尔式转速传感器转速测量利用霍尔传感器非重点实现无接触式仿型加工霍尔式压力传感器非重点图713霍尔式压力传感器结构示意图自动供水装置校牌口考尔传惑若水；t头 V非重点收陶河水瓶-7控制电路霍尔元件在磁性材料研究中的应用非重点非接触式键盘开关非重点外壳外流彳次传慝器奎尔传感器图7-16四汽缸汽车点火装置霍尔式汽车无触点点火装置点火线圈