第7章,磁电式传感器,7.1磁电感应式传感器,7.2霍尔传感器,7.3 磁敏元件,7.4实训 霍尔式传感器实验,第7章,7.1 磁电感应式传感器,7.1.1 工作原理和结构形式,7.1.2 磁电感应式传感器的测量电路,7.1.3 磁电感应式传感器的应用,磁电式传感器,本章介绍的磁电式传感器主要有两类：一类是利用电磁感应原理的磁电感应式传感器，如将运动速度、位移转换成线圈中的感应电动势输出；另一类是利用某些材料的磁电效应做成的对磁场敏感的传感器，如霍尔元件、磁阻元件、磁敏二极管、磁敏晶体管等，这类传感器除用于测量和感受磁场外，还广泛用于位移、振动、速度、转速、压力等多种非电量测量7.1 磁电感应式传感器,7.1.1 工作原理和结构形式 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 导体在磁场中运动切割磁力线，或者通过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,,,1恒磁通式 磁路系统产生恒定的磁场，工作间隙中的磁通也恒定不变，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。
运动部件可以是线圈或是磁铁，因此结构上又分为动圈式和动钢式两种动圈式,动钢式,2变磁通式 变磁通式磁电感应传感器结构及原理如图所示，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，如转动物体引起磁阻变化，使穿过线圈的磁通量变化，从而圈中产生感应电动势，所以这种传感器也称为变磁阻式根据磁路系统的结构不同又分为开磁路和闭磁路两种7.1.2 磁电感应式传感器的测量电路,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测量电路原理框图，,1积分电路 已知速度和位移、时间关系为 或者 dx=vdt 设传感器输出电压为积分放大器输入电压：Ui=e=sv，通过积分电路 输出电压为,,,,上式结果表示积分电路的输出电压UO正比于输入信号Ui对时间的积分值即正比于位移x的大小2微分电路 已知加速度和速度、时间关系为 同样设传感器输出电压为微分放大器输入电压Ui=e=sv ，通过微分电路（如图 b所示）输出电压为,,,上式结果表示微分电路的输出电压U正比于输入信号Ui对时间的微分值，即正比于加速度a7.1.3 磁电感应式传感器的应用,1磁电感应式振动传感器 永磁体、铝架、壳体一起随被测体振动，由于质量块的惯性，产生惯性力，而弹簧片又非常柔软，因此，当振动频率远大于传感器的固定频率时，线圈在磁路系统的环形气隙中相对永磁体运动，以振动体的振动速度切割磁力线，产生感应电动势，并通过引线9输出到测量电路。
2磁电感应式转速传感器 测量转速时，传感器的转轴1与被测物体转轴相连接，因而带动转子2转动当转子2的齿与定子5的齿相对时，气隙最小，磁路系统中的磁通最大3磁电感应式扭矩传感器 磁电感应式传感器的永磁体产生的磁通与齿形圆盘交链，当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，圈中产生出交流电压，其频率等于圆盘上齿数与转速的乘积7.2霍尔传感器,霍尔式传感器是基于霍尔效应的一种传感器 霍尔传感器具有体积小、成本低、灵敏度高、性能可靠、频率响应宽、动态范围大的特点，并可采用集成电路工艺，因此被广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量7.2.1 霍尔传感器的工作原理,1.霍尔效应 置于磁场中的导体或半导体内通入电流，如电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象称为霍尔效应利用霍尔效应制成的传感器称为霍尔传感器在磁场B中导体自由电子受洛仑兹力FL作用,,,FE阻止电子偏转，其大小与霍尔电势UH有关,,,电荷的积累达到动态平衡，即 FL=FE，有,,,,,,有电流关系式：Inevbd,,,由式可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d 成反比。
为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状 如果磁场与薄片法线夹角为，那么 又因R H= ,即霍尔系数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小，而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低，故只有半导体材料适于制造霍尔片7.2.2 霍尔元件的结构及技术参数,1.霍尔元件的结构 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线a、b两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；c、d引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极 霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成a）实物图 b） ） 结构图 图7-9 霍尔元件,c）图形符号,2.霍尔元件主要特性参数 霍尔灵敏系数KH 额定激励电流IN和最大允许激励电流Imax 输入电阻Ri输出电阻R0 不等位电势U0和不等位电阻R0 寄生直流电势U0D 霍尔电势温度系数,7.2.3 霍尔传感器测量电路,1.基本电路及原理 控制电流由电源E供给，RP为调节电阻，调节控制电流的大小霍尔输出端接负载Rf，Rf可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示器内阻在磁场与控制电流的作用下，负载上就有电压输出在实际使用时，I或B或两者同时作为信号输入，而输出信号则正比于I或B或两者的乘积。
2.温度误差及其补偿 （1）温度误差 因半导体对温度很敏感，霍尔元件的载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都随温度而变化，因而使霍尔元件的特性参数成为温度的函数，导致霍尔传感器产生温度误差 （2）温度误差的补偿 常用的补偿方法：采用恒流源提供控制电流，选择合理的负载电阻进行补偿，利用霍尔元件回路的串联或并联电阻进行补偿，也可以在输入回路或输出回路中加入热敏电阻进行温度误差的补偿采用温度补偿元件是一种最常见的补偿方法 在使用时，温度补偿元件最好和霍尔元件封在一起或靠近，使它们温度变化一致图7-11 采用热敏电阻进行补偿的几种补偿方法,图a 输入回路补偿电路,图b输出回路补偿电路,图 c热敏电阻进行补偿,7.2.4集成霍尔元件,1.线性集成霍尔传感器 线性集成霍尔传感器的特点是输出电压与外加磁感应强度B呈线性关系 在一定范围内输出特性为线性，线性中的平衡点相当于N和S磁极的平衡点较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等2.开关集成霍尔传感器 由霍尔元件HG、放大器A、输出晶体管VT、施密特电路C和稳压电源R等组成，与线性集成传感器不同之点是增设了施密特电路C，通过晶体管VT的集电极输出 开关集成传感器只有一个输出端，是以一定磁场电平值进行开关工作的。
由于内设有施密特电路，开关特性具有时滞性，因此有较好的抗噪声效果7.2.5 霍尔传感器的应用,霍尔元件应用有三种方式： 1）激励电流不变，霍尔电势正比于磁场强度，可进行位移、加速度、转速测量 2）激励电流与磁场强度都为变量，传感器输出与两者乘积成正比，可测量乘法运算的物理量，如功率 3）磁场强度不变时，传感器输出正比于激励电流，可检测与电流有关的物理量，并可直接测量电流1.霍尔元件测压力、压差 霍尔式压力、压差传感器一般由两部分组成：一部分是弹性元件，用来感受压力，并把压力转换成为位移量；另一部分是霍尔元件和磁路系统，通常把霍尔元件固定在弹性元件上，当弹性元件产生位移时，将带动霍尔元件在具有均匀梯度的磁场中移动，从而产生霍尔电势的变化，完成将压力（或压差）变换成电量的转换过程2.霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将霍尔元件及磁路系统靠近齿盘，随着齿盘的转动，磁路的磁阻也周期性地变化，测量霍尔元件输出的脉冲频率就可以确定被测物的转速3.霍尔计数装置 当钢球通过霍尔开关传感器时，传感器可输出峰值20 mV的脉冲电压，该电压经运算放大器A（A741）放大后，驱动半导体晶体管VT（ 2 N5812）工作，VT输出端便可接计数器进行计数，并由显示器显示检测数值。
4.霍尔无刷电动机 传统的直流电动机使用换向器来改变转子（或定子）电枢电流的方向，以维持电动机的持续运转霍尔无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子电路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转7.3 磁敏元件,磁敏元件与霍尔元件类似，也是基于磁电转换原理，20世纪60年代西门子公司研制了第一个磁敏元件，1968年索尼公司研制成磁敏二极管，目前磁敏元件已获得广泛应用磁敏传感器主要有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏晶体管等7.3.1 磁敏电阻器,1.磁阻效应 磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件磁敏电阻与普通电阻不同的是它的电阻值随磁场的变化而变化磁敏电阻是根据几何磁阻效应原理制造的器件 当长方形半导体片受到与电流方向垂直的磁场作用时，不但产生霍耳效应，而且还会出现电流密度下降、电阻率增大的现象若适当地选几何尺寸，还会出现电阻值增大的现象前一种现象称为物理磁阻效应，后一种现象称为几何磁阻效应半导体磁阻器件就是综合利用这样两种效应而制成的磁敏器件影响半导体电阻改变的原因首先是载流子在磁场中运动受到洛仑兹力作用，另一个作用是霍尔电场，由于霍尔电场作用会抵消电子运动时受到的洛伦兹力作用，磁阻效应被大大减弱，但仍然存在。
磁敏电阻的磁阻效应可表示为,,,式中，0为零磁场电阻率；为导磁系数；B为磁场强度2.磁敏电阻结构 磁阻元件的阻值与制作材料的几何形状有关 1）由于电子运动的路程较远，霍尔电场对电子的作用力部分（或全部）抵消了洛仑兹力作用，即抵消磁场作用，电子行进路线基本还为直线运动，电阻率变化很小，磁阻效应不明显,2）扁条状长方形，如图所示，因为是扁条形状，其电子运动的路程较短，霍尔电势EH作用很小，洛仑兹力引起的电流磁场作用使电子经过的路径偏转厉害，磁阻效应显著；,3）圆盘样品 这种结构与以上两种不同，它将一个电极焊在圆盘中央，另一个电极焊在外圆，无磁场时电流向外围电极辐射，外加磁场时中央流出的电流以螺旋形路径指向外电极使电子经过的路径增大，电阻增加这种结构的样品在园盘中任何地方都不会积累电荷，因此不会产生霍尔电场磁阻效应员明显3.磁敏电阻的输出特性 磁敏电阻与霍尔元件属于同一类，都是磁电转换元件，两者不同的是磁敏电阻没有判断极性的能力，只有与辅助材料（磁钢）并用时才具有识别磁极的能力 磁敏电阻在无偏置磁场情况下检测磁场时与滋极性无关，磁敏电阻只有大小的变化，不能判别磁极性，无偏置磁场时磁敏电阻的磁场强度与磁阻关系为,,,4磁敏电阻的应用 磁阻式传感器可由磁阻元件、磁钢及放大整形电路构成。
可作为转速测量传感器、线位移测量传感器，加入偏置磁场可用于磁场强度测量 利用磁敏电阻由磁场改变阻值的特性可应用于无触点开关、磁通计、编码器、计数器、电流计、电子水表、流量计、可变电阻图形识别等 在自动检测技术中有许多微小磁信号需要测量，如录音机、录像机的磁带，防伪纸币、票据、信用（磁）卡上用的磁性油墨等利用三端差分型磁敏电阻做成磁头来检测微弱信号，又称为图形识别器7.3.2磁敏二极管与磁敏晶体管,1磁敏二极管 磁敏二极管与普通晶体二极管相似，也有锗管（2ACM）和硅管（2DCM），它们都是长“基区”（I区）的P+IN+型二极管结构由于注入形式是双注入的，所以也称双注入长基区二极管，特点是PN为掺杂区，本征区（I区）为高纯度锗，长度较长，构成高阻半导体 磁敏二极管的结构特征是，在长“基区”的一个侧面用打磨的方法设置了复合区r面，r面是个粗糙面，截流子复合速度非常高，r区对面是复合率很小的光滑面，一般基区长度要比载流子的扩散长度大5倍以上无外加磁场情况下，当磁敏二极管接入正向电压时P区的空穴，N区的电子同时注入I区，大部分空穴跑向N区，电子跑向P区，从而形成电流，只有少部分电子和空穴在I区复合。