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1、磁电传感器,磁电传感器原理,动圈式磁电传感器,磁阻式电磁传感器,1 磁电传感器原理,对一个匝数为N的线圈，当穿过它的磁通量 发生变化时，线圈产生的感应电动势: 磁通的变化可通过多种方法来实现，如磁铁与线圈之间作切割磁力线运动、磁路中磁阻变化、恒定磁场中线圈面积变化等，因此可制造出不同类型的传感器，用于测量速度、加速度、扭矩等物理量。 按结构方式不同，磁电式传感器可分为动圈式和磁阻式。,霍尔式传感器,引文：该传感器是以霍尔元件作为其敏感元件和转换元件的传感器，即利用某些半导体材料的霍尔效应原理制成的。,霍尔效应（图1） 霍尔电动势与灵敏度（图2） 材料结构及主要技术指标（图3、指标） 霍尔元件的
2、基本测量电路（图6） 电磁特性（曲线图） 误差分析及其补偿方法 应用（图18、图19、图20）,霍尔式传感器,霍尔效应演示,c,d,a,b,在霍尔元件的平面法线方向上施加磁感应强度B，通入控制电流I，则在洛仑兹力的作用，两个霍尔电极上出现相反极性载流子的积累，进而产生霍尔电势UH ，这一现象称霍尔效应.,霍 尔 效 应,霍尔效应对一切导体、半导体都适应.,UH,静电力与洛伦兹力相平衡,霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果： UH=KHIB,KH-霍尔器件灵敏度,它是表征在单位磁感应强度和单位控制电流作用时输出霍尔电压大小.与霍尔器件的材料及尺寸有关.,霍尔电势,1）KH= R
3、H / d ，则d要小，霍尔片要薄（1m）霍尔系数RH = (,) 反映霍尔效应的强弱; 2）材料电阻与载流子浓度n和其迁移率相关; 3）霍尔片长边/短边4，输出不受影响（一般长边/短边=2, 短边通以电流，长边输出UH ）,灵敏度,霍 尔 元 件,环氧树脂封装,Z,霍尔元件尺寸： 4mm 2mm 0.1mm,基本测量电路,霍尔元件的符号,x,霍尔器件的输出电压一般为数毫伏到数百毫伏，需要放大电路放大其输出电压。,放大电路,主要技术指标,1、额定控制电流IC： 在B=0时，霍尔元件在空气中产生10C温升的控制电流。它的数值从几毫安至几百毫安。 2、输入电阻Ri ： 霍尔元件两激励电流端的直流电
4、阻称为输入电阻。它的数值从几欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高，输入电阻变小，从而使输入电流变大，最终引起霍尔电势变化。为了减少这种影响，最好采用恒流源作为激励源。 3、输出电阻R0： 两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻，它的数值与输入电阻同一数量级。它也随温度改变而改变。选择适当的负载电阻RL与之匹配，可以使由温度引起的霍尔电势的漂移减至最小。,4.灵敏度KH ： KH=UH/（IB），它的数值约为10mV(mAT)左右。 5.最大磁感应强度BM ： 磁感应强度超过BM时，霍尔电势的非线性误差将明显增大，BM的数值一般为零点几特斯拉。 6.不等位电势 ： 在额定激励电流下，当外
5、加磁场为零时，霍尔 输出端之间的开路电压称为不等位电势，它是由于两个电极的几何尺寸不对称或焊接不良、或元件材料电阻率不均匀引起的。 7.霍尔电势温度系数： 在一定磁场强度和激励电流的作用下，温度每变化1时霍尔电势变化的百分数称为霍尔电势温度系数，它与霍尔元件的材料有关。,温度对霍尔元件影响,因半导体材料的电阻率、迁移率、载流子浓度随温度变化。,温度误差及其补偿电路,选用温度系数小的材料（砷化铟）、控制电流极并联补偿电阻，起分流作用。,霍尔集成电路,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，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便
6、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,集成型霍尔器件,线性型霍尔特性,右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时，输出为正；磁场反向时，输出为负。,开关型霍尔集成电路,开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、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。 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UGN302
7、0等。,霍尔传感器应用,霍尔器件及传感器具有良好的可靠性、灵敏度和温度稳定性，因而在汽车、工业控制和安全系统的位置、速度、电流等检测中得到广泛应用。由于霍尔传感器具有无接触、耐油污、粉尘等特点，常用于替代控制系统的光电传感器、机械开关等，使系统更可靠更优良。,霍尔元件可做成线性元件和数字元件，数字元件的开关次数不受限制，且性能不降低；,(1)当输入电流恒定不变时，传感器的输出正比于磁感应强度。因此，凡是能转换磁感应强度B变化的物理量均可进行测量和控制，如位移、角度、转速及加速度等。 (2)当磁感应强度B保持恒定时，传感器的输出正比于电流Ic 的变化。因此，凡是能转化为电流变化的物理量均可进行测
8、量和控制。 (3)由于霍尔电压UH正比于输入控制电流Ic和磁感应强度B的乘积，所以凡是可以转换为乘法的物理量（如功率）都可进行测量。,在传感器领域内，根据霍尔电压UH与输入控制电流IC及磁感应强度B的线性关系，可形成三种应用方式：,高斯计,电流互感器,乘法器、功率表,霍尔特斯拉计（高斯计）,霍尔元件,霍尔传感器用于测量磁场强度,霍尔元件,测量铁心 气隙的B值,霍尔式位移传感器,UH=KX,霍尔式压力传感器,霍尔转速表,60,Z,f,n,=,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，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件
9、输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。,S,N,线性霍尔,磁铁,霍尔转速表原理,当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。,霍尔式接近开关用于转速测量演示,n,=,60,f,4,(r/min),软铁分流翼片,开关型霍尔IC,T,用霍尔线性传感器测覆盖层厚度,对钢铁表面的镀膜、油漆、塑料、搪瓷等覆盖层的厚度可用磁法厚度测量的方法。,霍尔电流传感器,铁心,线性霍尔IC,EH=KH IkB,I,I,其他霍尔 电流传感器,霍尔钳形电流表演示,直流200A量程,被测电流的导线未放入铁心时示值为零,70.9A,霍尔钳形 电流表演示,磁电编码器,光电编码器：装置比较复杂、要求环境清洁，但分辨率高。,磁电编码器：结构比较简单，抗污染能力强，价格低，寿命长。,磁鼓上的永磁体极性,1、霍 尔传感器由哪几部分组成？有哪些用途？ 2、试画出霍 尔传感器测位移的结构原理示意图，并说明测量原理。 3、什么是霍 尔效应？霍 尔电动势与哪些因素有关？ 4、什么是不等位电势？产生的原因是什么？,思考题,
