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1、7.1 磁电感应式传感器 7.1.1 工作原理和结构类型 7.1.2 动态特性 7.1.3 误差及其补偿 7.1.4 信号调理电路 7.1.5 应用举例 7.2 霍尔式传感器 7.2.1 霍尔效应与霍尔元件材料 7.2.2 测量电路 7.2.3 特性和指标 7.2.4 补偿电路 7.2.5 应用举例 7.3 磁敏传感器 7.3.1 磁敏电阻 7.3.2 磁敏二极管 7.3.3 磁敏三极管,第7章 磁电式传感器,磁电式传感器,定义：通过磁电作用，将被测量的变化转变为电信号的传感器。 分类： 磁电感应式传感器：利用法拉第电磁感应定律，测量磁场和位置速度等 霍尔式传感器：利用霍尔效应，测量磁场、位置
2、、速度、电压、电流等 磁敏传感器：利用磁阻效应，测量转速、磁通、电流、流量等,7.1 磁电感应式传感器,磁电感应式传感器简称感应式传感器，根据电磁感应原理，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即将运动速度转换成感应电势输出。是典型的无源传感器。反向使用时可构成力发生器或电磁激振器，称为电动式传感器。 优点：一种机-电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围（一般为101000Hz），只适用于振动、转速、扭矩等动态测量。 缺点：尺寸和重量都较大。,电感式传感器是把被测量转换成电感量的变化，磁电式传感器通过检测磁场的变化测量被测量。
3、,磁电传感器,霍尔传感器测转速,7.1.1 工作原理和结构类型,磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。根据法拉第电磁感应定律可知，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小取决于穿过线圈的磁通的变化率，即,磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈与磁场的相对运动速度有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。 根据以上原理有两种磁电感应式传感器： 恒磁通式：磁路系统恒定磁场，运动部件可以是线圈也可以是磁铁。 变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。,1.恒磁通式,由永久磁铁、线圈、弹簧和骨架组成，磁路系统产生恒定的直流
4、磁场，磁路中的工作气隙固定不变，气隙中的磁通也恒定不变，感应电势是由于线圈相对于永久磁铁运动时切割磁力线产生的，运动部件可以是线圈也可以是磁铁，结构常分为动圈式和动磁式,下图所示为动圈式磁电感应式传感器的结构原理图。当线圈在垂直于磁场方向作直线运动或旋转运动时，若以线圈相对磁场运动的速度v或角速度表示，则所产生的感应电动势e为,式中l每匝线圈的平均长度； B线圈所在磁场的磁感应强度；,式中l每匝线圈的平均长度； B线圈所在磁场的磁感应强度； S每匝线圈的平均截面积 。,在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、S均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或)成正比，所以这类传感器的基本形
5、式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。,2变磁通式,开磁路式,闭磁路式,变磁通式的线圈和永久磁铁都是静止的，感应电势由变化的磁通产生。,图为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿， 齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速n与测量齿轮上齿数z的乘积。由频率计测得f，即可求得转速n。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转
6、速的场合。,图为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮5和外齿轮6、永久磁铁1和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。 当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。 显然， 感应电势的频率与被测转速成正比。,7.1.4 信号调理电路 为便于各级阻抗匹配，将积分电路和微分电路置于两极放大器之间。 直接输出电动势测量速度； 接入积分电路测量位移； 接入微分电路测量加速度。,7.1.5磁电式传感器的应用举例,磁电式扭距传感器： 当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压
7、u1、u2存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比，传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。,电磁心音传感器 电磁血流量计,例子1：某磁电传感器的总刚度为3200N/m，测得其固有频率为20Hz。若欲使其固有频率降低为为10Hz，则其刚度应该为多大？,解：,固有频率为：,其中，c为弹簧刚度；m为质量块质量；,因此有：,两个式子相比：,1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传感器是基于霍尔效应。 霍尔传感器是目前国内外应用最广的一种磁电式传感器，利用霍尔效应实现磁电转
8、换，可以检测微位移、转速、流量、角度，也可以制作高斯计、电流表、功率计、乘法器、接近开关和无刷直流电机等,7.2 霍尔传感器,1 霍尔效应 半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。,磁感应强度B为零时的情况,7.2 .1霍尔效应与霍尔元件,磁感应强度B 较大时的情况,作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势UH可用下式表示： UH=KH（霍尔常数） IB,霍尔效应演示,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，直至在半导体薄片c、d方向的端面之间建立
9、起稳定的霍尔电势。,c,d,a,b,磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势,若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为 UH=KHIBcos,结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。,工作原理,设霍尔片的长度为l，宽度为b，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力 q电子电量(1.6210-19C)； v电子运动速
10、度。 同时，作用于电子的电场力,当达到动态平衡时,霍耳电势UH与 I、B的乘积成正比，而与d 成反比。,电流密度 j=nqv,nN型半导体中的电子浓度,N型半导体,P型半导体,霍耳系数，由载流材料物理性质决定。材料电阻率,pP型半导体中的空穴浓度,载流子迁移率,=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。,定义 KH=RH / d,KH霍耳器件的灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。,若磁感应强度B的方向与霍尔器件的平面法线夹角为时，霍尔电势应为：,UH KH I B,UH KH I B cos,注意：当控制电流的方向或磁场方向改
11、变时，输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势并不改变方向。,讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可 以制造霍尔元件; 绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用； 金属材料电子浓度n很高，RH很小，UH很小; 半导体材料电阻率较大 RH大，非常适于做霍尔元件，半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用 N 型半导体（多电子）; 由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度 KH 越大， 所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米(d1m) 。,当RH ，d一定时，即载流材料和几何尺寸一定时，霍尔电势电流I（磁场B一定时）或磁场B（电流I一定时），所以
12、霍尔传感器可以用来测量磁场或检测电流。,当霍尔元件在一个线性梯度磁场中移动时，输出霍尔电势的大小反映了磁场变化，即可测量微小位移、压力或者机械振动等,优点：霍尔元件使用寿命长、可靠性高、结构简单，外围电路简单、体积小、动态特性好、频带宽、易微型化集成化 。因而在很多领域得到了广泛的应用。 缺点：转换效率低，受温度影响大。,习题8：已知霍尔元件厚度1mm，沿长度方向通有1mA电流，在垂直方向加均匀磁场B=0.3T，灵敏度SH=22V/(AT)，试求输出霍尔电势及载流子浓度？,解：,习题9：霍尔元件灵敏度SH=40V/(AT)，控制电流为3mA，将其置于B=1*10-45*10-4 T的线性变化磁
13、场中，其输出霍尔电势的范围有多大？,解：,霍尔电势变化范围在12uV60uV之间。,霍尔元件材料,2 霍尔元件,霍尔元件构造,控制电极,国产霍尔元件别号的命名方法如下：,常见的国产霍尔元件型号有HZ1、HZ2、HZ3、HT1、HT2、HS1等。,控制电流I； 霍尔电势UH； 控制电压V； 输出电阻R0； 输入电阻Ri； 霍尔负载电阻RL； 霍尔电流IH。,图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍尔输出端接负载RL， RL可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍尔器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。,实际使用时,器件输入信号可以是I
14、或B，或者IB,而输出可以正比于I或B, 或者正比于其乘积IB。,7.2.2信号调理电路 霍尔元件的测量电路及符号,霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端或输出端。 若霍耳端子间连接负载,称为霍耳负载电阻或霍耳负载。 电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。 霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。,器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。,电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。,上两式是霍尔器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍尔输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。,同样，若
15、给出控制电压U，由于U=R1I，可得控制电压和霍尔电势的关系式,设霍尔片厚度d均匀，电流I和霍尔电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流I和霍耳电势UH的关系式,霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。,线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压与外加磁场强度呈线性关系。广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电场等的测量和控制。输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。,线性型三端 霍尔集成电路,霍尔集成传感器,单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容
16、交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是UGN3501T。 双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是UGN3501M。,开关型霍尔集成电路,开关型霍尔集成电路将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。特点是输出电压为高低电平两种状态。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如CS系列和UGN3020等。可做成无触点、无抖动、高可靠、长寿命的接近开关或按键开关，广泛用于计数装置以及汽车点火等系统。,温度特性,7.2.3误差分析及补偿方法,1、温度补偿,霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、 迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温
