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1、第五章 磁电式传感器,第七章 磁传感器,磁是人们所熟悉的一种物理现象，因此磁传感器具有古老的历史。最简单的把磁转换成电的磁传感器就是线圈，根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里，产生与磁通变化速率成正比的感应电动势。 现代的磁传感器已向固体化发展，它是利用磁场作用使物质的电性能发生变化的各种物理效应制成的，从而使磁场强度转换为电信号。 磁传感器的种类较多，制作传感器的材料有半导体、磁性体、超导体等，不同材料制作的磁传感器其工作原理和特性也不相同。,第五章 磁电式传感器,5-1 霍尔传感器,霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。
2、,一、霍尔效应,霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的物理效应。 置于磁场中的静止载流体中，若电流方向与磁场方向不相同，则在载流体的垂直于电流与磁场方向所组成的两个侧面将产生电动势。这一现象为美国物理学家爱德文霍尔于1879年发现，称为霍尔效应，相应的电动势称为霍尔电势。,第五章 磁电式传感器,称为霍尔系数，它是由基片材料的物理性质决定常数；,灵敏度系数，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势大小。,当磁场感应强度B和霍尔片平面法线成角度时, 霍尔电势为：,第五章 磁电式传感器,设为N型半导体， 载流子为电子。,霍尔元件,砷化钠霍尔器件温度系数小，灵敏度高，线性度好，温
3、漂小，稳定性高，体积小,第五章 磁电式传感器,二、霍尔片主要技术指标,1、额定激励电流 IH,使霍尔片温升10所施加的控制电流值。 （限制额定激励电流的主要因素是散热条件）,2、输入电阻 Ri,控制电极间的电阻值，规定在室温（205）的环境温度中测取。,指霍尔电极间的电阻值，规定在（205）条件下测取。,3、输出电阻 RS,第五章 磁电式传感器,4、不等位电势V0及零位电阻r0,当控制磁感应强度为零，控制电流为额定值IH时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势（或零位电势）。,第五章 磁电式传感器,不等位电势也可用不等位电阻表示：, 零位电阻,产生不等位电势的原因主要是： 霍尔电极安装位置不正确
4、（不对称或不在同一等电位面上）； 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀； 控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。 （均是制造工艺造成的）,第五章 磁电式传感器,三、霍尔片的电路,1、不等位电势的补偿,由于不等位电势与不等位电阻是一致的，因此可以用分析其电阻的方法来进行补偿。,第五章 磁电式传感器,补偿原理： 将R1、R2、R3、R4其视为电桥的四个臂，即电桥不平衡，为使其平衡可在阻值较大的臂上并联电阻，或在两个臂上同时并联电阻。,图中A、B为控制电极，C、D为霍尔电极，在极间分布的电阻用R1、R2、R3、R4表示，理想情况是R1R2R3R4，即零位电势为零（或零位电阻为零）
5、。但实际上存在着零位电势，则说明此四个电阻不等。,第五章 磁电式传感器,第五章 磁电式传感器,2、温度补偿,霍尔片是采用半导体材料制造的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。如半导体材料的电阻率，迁移率和载流子浓度等都随温度而变化。 霍尔片的性能参数如输入和输出电阻，霍尔系数等也随温度而变化，致使霍尔电势变化，产生温度误差，为了减小温度差： 除选用温度系数较小的材料（如砷化铟）； 采用适当的补偿电路。,第五章 磁电式传感器,（1）采用恒流源供电和输入回路并联电阻,温度变化引起霍尔元件输入电阻变化，在稳压源供电时，会使控制电流发生变化，带来误差。,为了减小这种误差，最好采用恒流源，但霍尔片的
6、灵敏度系数KH也是温度的函数，为进一步提高VH的温度稳定性，对于具有正温度系数的霍尔元件，可在其输入回路中并联电阻RP。,第五章 磁电式传感器,（2）采用恒压源和输入回路串联电阻,当霍尔元件采用稳压电源供电，且霍尔输出开路状态工作时，可在输入回路串入适当电阻来补偿温度误差。,第五章 磁电式传感器,四、霍尔开关集成传感器,霍尔开关集成传感器是利用霍尔效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。,由稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作，开始输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。
7、,第五章 磁电式传感器,霍尔开关传感器的用途： 霍尔开关集成传感器基本用途有：汽车点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的检测与控制、位置及角度的检测，等等。,第五章 磁电式传感器,几种接口电路形式,第五章 磁电式传感器,几种不同尺寸外形的霍尔开关,第五章 磁电式传感器,五、霍尔线性集成传感器,霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场呈线性比例关系。,单端输出传感器的电路结构,双端输出的电路结构,第五章 磁电式传感器,霍尔线性集成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。 霍尔线性传感器广泛用于
8、位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。,第五章 磁电式传感器,六、霍尔传感器的应用,霍尔元件可以测量磁物理量及电量、还可以通 过转换测量其它非电量。 由于霍尔元件的输出量是比例于两个输入量的 乘积，因此可以方便而准确地实现乘法运算， 可构成各种非线性运算部件。 霍尔元件工作从直流到数百千赫兹的频率范围 内。,霍尔元件在工程技术上的应用相当广泛，具体产品有高斯计、霍尔罗盘、大电流计、功率计、位移传感器、乘法器、调制器等。,第五章 磁电式传感器,1、转速测量,永磁体装在轴端的转速测量方法,永磁体装在轴侧的转速测量方法,第五章 磁电式传感器,第五章 磁电式传感器,工作原理及用途：被测
9、体上贴一磁钢，非接触式测量，高可靠，适用于低转速，体积小、安装方便，对环境无要求，适合各种恶劣环境、污浊环境、功耗低，适宜长期工作。,霍尔式转速计,2、利用霍尔线性集成传感器进行磁法覆盖 层厚度测量,磁法覆盖厚度测量是指对铁磁性物质表面非磁性涂层的厚度测量。 例如对钢铁表面的镀膜、油漆、塑料、搪瓷等覆盖层的厚度等便可使用磁法厚度测量的方法。,第五章 磁电式传感器,测量时将U形铁芯的两极放到被测物体表面上，这时永磁体产生的磁通便通过U形铁芯和被测物体构成磁回路。当被测物体表面覆盖层厚度不同时，磁回路的磁阻和磁通量将会发生变化，磁回路中的霍尔集成传感器将会检测出磁场强度的不同，从而使霍尔集成传感器
10、产生的输出电压随覆盖层厚度的不同而变化，完成覆盖层非电量到电量的转换。,将U型硅钢片铁芯中间断开，然后将SL3501M霍尔线性集成传感器和一片钕铁硼永磁体夹在中间，用502胶粘牢。,第五章 磁电式传感器,霍尔集成传感器内部虽然设有差分放大器，但其输出的电压仍然满足不了使用电路的要求，为此，将信号加一级放大，便可得到足够大的信号幅度。,第五章 磁电式传感器,3、霍尔元件在电流测量上的应用,用霍尔元件测量电流，都是通过霍尔元件检测通电导线周围的磁场来实现的。,第五章 磁电式传感器,在现代工程技术中，往往要测量大直流电流，有时直流电流值高达10KA以上。过去，多采用电阻器分流的方法来测量这样大的电流
11、。这种方法有许多缺点，如分流器结构复杂、笨重、耗电、耗铜等。利用霍尔效应原理测量大电流可以克服上述的一些缺点。霍尔效应大电流计结构简单、成本低、准确度高，在很大程度上与频率无关，便于远距离测量，测量时不需要断开回路。,（1）导线旁测法 这种方法是一种最简单的方法，将霍尔元件放在通电导线的附近，给霍尔元件通以恒定电流，用霍尔元件测量被测电流产生的磁场，就可以从元件输出的霍尔电压中确定被测电流值。 这种方法虽然结构简单，但测量精度较差，受外界干扰也大，只适用一些不重要的场合。,第五章 磁电式传感器,当导线中有电流流通时，导线周围产生磁场，使导磁体铁芯磁化成暂时性磁铁，在环形气隙中就会形成一个磁场，
12、导体中的电流越大，气隙处的磁感应强度就越大，霍尔元器件输出的霍尔电压VH就越大。可以通过霍尔电压检测到导线中的电流。这种方法可以提高电流测量的精度。,（2）导线贯串磁芯法 如果用铁磁材料做成磁导体的铁芯，使被测通电导线贯串它的中央，将霍尔元件或霍尔集成传感器放在磁导体的气隙中，这样，可以通过环形铁芯集中磁力线，如下图所示。,第五章 磁电式传感器,在实际应用中，为了测量的方便，还可以把导磁铁芯做成钳式形状，或非闭合磁路的形状，如下图所示。,钳式,非闭合磁路式,第五章 磁电式传感器,（3）磁芯绕线法 这种方法如下图所示。它由标准环形导磁铁芯和SL3501M霍尔线性集成传感器组合而成。,被测通电导线
13、绕在导磁铁芯上，每1安1匝在气隙处可产生0. 0056T的磁感应强度。若测量范围是020A时，则导线绕制9匝便可产生约0. 1 T的磁感应强度，SL3501M会有1. 4V的电压输出。,第五章 磁电式传感器,第五章 磁电式传感器,数字钳型表,用途：主要用于大电流测量，可用于机械加工车间，工厂，及各种耗电量较大的任何场合。,4、霍尔元件在磁性材料研究上的应用,在磁性材料特性研究中，往往需要复杂的过程才能得到B-H曲线或磁场分布图。因为霍尔电压同铁芯磁化绕组的电流的关系VH=f (IM）同样反映了磁感应强度B与磁场强度H之间的关 系B=f (H)，所以可以直接用示波器来观察这个关系。,第五章 磁电
14、式传感器,5、霍尔线性位移传感器,霍尔线性位移传感器,第五章 磁电式传感器,第五章 磁电式传感器,若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。图中3种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微位移传感器。从曲线可见，结构（b）在Z2mm时，VH与Z有良好的线性关系，且分辨力可达1m，结构（C）的灵敏度高，但工作距离较小。,几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔位移传感器的静态特性,霍尔线性位移传感器原理,第五章 磁电式传感器,6、霍尔压力传感器,霍尔压力传感器由弹
15、性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如图所示。(a)的弹性元件为膜盒，(b)为弹簧片，(c)为波纹管。磁系统最好用在能构成均匀梯度磁场的复合系统，如图中的(a)、(b)，也可采用单一磁体，如(c)。加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压VH。由事先校准的pf(VH)曲线即可得到被测压力p的值。,霍尔压力传感器的构成原理,检测齿轮的速度、齿形、齿数,7、齿轮检测,37,汽车防抱死（ABS）系统霍尔传感器,8、ABS,利用霍尔元件测地磁场，用于寻北、空间 姿态等。,9、霍尔电子罗盘,第五章 磁电式传感器,特点：磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易
16、于安装，测量范围宽可超过十几米，抗干扰能力强。 类型：磁栅可分为长磁栅和圆磁栅。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。 组成：磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。,5-2 磁栅传感器简介,磁栅的外形及结构,磁尺,静态磁头,去信号处理电路,固定孔,第五章 磁电式传感器,磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示,第五章 磁电式传感器,鉴相型磁栅数显表的原理框图,磁尺与磁头接触，使用寿命 不如光栅，数年后易退磁。,设置两个磁头的 意义何在？,第五章 磁电式传感器,磁栅测量系统,压板,磁头,磁尺,第五章 磁电式传感器,磁栅在磨床测长系统中的应用,磁尺,磁头安装在何处？,第五章 磁电式传感器,5-3 磁电感应式传感器,磁电式传感器是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、速度等）转换成电信号的一种传感器，也称为电磁感应传感器。 根据电磁感应定律，当N匝线圈在恒定磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为 ，则线圈内会产生感应电动
