磁电式传感器课件

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1、第九章第九章 磁电式传感器磁电式传感器 主要内容：主要内容： 9.1 9.1 磁电感应式传感磁电感应式传感器器 9.2 9.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 1磁电式传感器优秀最新课件概述概述 导导导导体体体体和和和和磁磁磁磁场场场场发发发发生生生生相相相相对对对对运运运运动动动动时时时时，在在在在导导导导体体体体两两两两端端端端有有有有感感感感应应应应电电电电动动动动势势势势输输输输出出出出；磁磁磁磁电电电电式式式式传传传传感感感感器器器器就就就就是是是是利利利利用用用用电电电电磁磁磁磁感感感感应应应应原原原原理理理理，将将将将运运运运动动动动速速速速度度度度、位位位位移移移移等等等等物物物物理

2、理理理量量量量转转转转换换换换成成成成线线线线圈圈圈圈中中中中的的的的感应电动势输出。感应电动势输出。感应电动势输出。感应电动势输出。 磁磁磁磁电电电电感感感感应应应应式式式式传传传传感感感感器器器器工工工工作作作作时时时时不不不不需需需需要要要要外外外外加加加加电电电电源源源源，可可可可直直直直接接接接将将将将被被被被测测测测物物物物体体体体的的的的机机机机械械械械能能能能转转转转换换换换为为为为电电电电量量量量输输输输出出出出。是是是是典典典典型型型型的有源传感器。的有源传感器。的有源传感器。的有源传感器。 特特特特点点点点：输输输输出出出出功功功功率率率率大大大大，稳稳稳稳定定定定可可可

3、可靠靠靠靠，可可可可简简简简化化化化二二二二次次次次仪仪仪仪表表表表，但但但但频频频频率率率率响响响响应应应应低低低低，通通通通常常常常在在在在10100HZ10100HZ10100HZ10100HZ，适适适适合合合合作作作作机机机机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。磁电式传感器机机械械能能电电 量量2磁电式传感器优秀最新课件 电感式传感器是把电感式传感器是把被测量转换成电感量被测量转换成电感量的变化，磁电式传感的变化，磁电式传感器通过检测磁场的变器通过检测磁场的变化测

4、量被测量。化测量被测量。磁电传感器磁电传感器霍尔传感器测转速霍尔传感器测转速3磁电式传感器优秀最新课件9.1 9.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器9.1.1 9.1.1 9.1.1 9.1.1 工作原理工作原理工作原理工作原理v 根根根根据据据据电电电电磁磁磁磁感感感感应应应应定定定定律律律律，N N N N匝匝匝匝线线线线圈圈圈圈在在在在磁磁磁磁场场场场中中中中运运运运动动动动切切切切割割割割磁磁磁磁力力力力线线线线，线线线线圈圈圈圈内内内内产产产产生生生生感感感感应应应应电电电电动动动动势势势势e e e e的的的的大大大大小小小小与与与与穿穿穿穿过过过过线线线线圈圈圈圈的的的的磁磁磁

5、磁通通通通变变变变化化化化率率率率有关。有关。有关。有关。 式中：式中：式中：式中：B B B B 磁感应强度，磁感应强度，磁感应强度，磁感应强度， N N N N0 0 0 0线圈匝数，线圈匝数，线圈匝数，线圈匝数， L L L L 每匝线圈长度，每匝线圈长度，每匝线圈长度，每匝线圈长度， V V V V 运动速度运动速度运动速度运动速度4磁电式传感器优秀最新课件 磁电式传感器灵敏度：磁电式传感器灵敏度：电流灵敏度电流灵敏度: :电压灵敏度电压灵敏度： 根据以上原理有两种磁电感应式传感器：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，运动部件可以是恒磁通式：磁路系统恒定磁

6、场，运动部件可以是线圈也可以是磁铁。线圈也可以是磁铁。 变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。磁阻、磁通变化。 由由5磁电式传感器优秀最新课件 图图为为开开磁磁路路变变磁磁通通式式：线线圈圈、磁磁铁铁静静止止不不动动， 测测量量齿齿轮轮安安装装在在被被测测旋旋转转体体上上，随随被被测测体体一一起起转转动动。每每转转动动一一个个齿齿， 齿齿的的凹凹凸凸引引起起磁磁路路磁磁阻阻变变化化一一次次，磁磁通通也也就就变变化化一一次次， 线线圈圈中中产产生生感感应应电电势势，其其变变化化频频率率等等于于被被测测转转速速与与测测量量齿齿轮轮上上齿

7、齿数数的的乘乘积积。这这种种传传感感器器结结构构简简单单，但但输输出出信信号号较较小小，且且因因高高速速轴轴上上加加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。 6磁电式传感器优秀最新课件 图图为为闭闭磁磁路路变变磁磁通通式式传传感感器器，它它由由装装在在转转轴轴上上的的内内齿齿轮轮和和外外齿齿轮轮、永永久久磁磁铁铁和和感感应应线线圈圈组组成成，内内外外齿齿轮轮齿齿数数相相同同。 当当转转轴轴连连接接到到被被测测转转轴轴上上时时，外外齿齿轮轮不不动动，内内齿齿轮轮随随被被测测轴轴而而转转动动，内内、外外齿齿轮轮的的相相对对转转动动使使气气隙隙磁磁阻阻产产生生周周期期

8、性性变变化化，从从而而引引起起磁磁路路中中磁磁通通的的变变化化，使使线线圈圈内内产产生生周周期期性性变变化化的的感感应应电电动动势势。 显然，显然， 感应电势的频率与被测转速成正比。感应电势的频率与被测转速成正比。 7磁电式传感器优秀最新课件 磁磁路路系系统统产产生生恒恒定定的的直直流流磁磁场场，磁磁路路中中的的工工作作气气隙隙固固定定不不变变，因因而而气气隙隙中中磁磁通通也也是是恒恒定定不不变变的的。 其其运运动动部部件件可可以以是是线线圈圈（动动圈圈式式），也也可可以以是是磁磁铁铁（动动铁铁式式。 当当壳壳体体随随被被测测振振动动体体一一起起振振动动时时，由由于于弹弹簧簧较较软软，运运动动

9、部部件件质质量量相相对对较较大大， 当当振振动动频频率率足足够够高高（远远大大于于传传感感器器固固有有频频率率）时时，运运动动部部件件惯惯性性很很大大，来来不不及及随随振振动动体体一一起起振振动动， 近近乎乎静静止止不不动动，振振动动能能量量几几乎乎全全被被弹弹簧簧吸吸收收，永永久久磁磁铁铁与与线线圈圈之之间间的的相相对对运运动动速速度度接接近近于于振振动动体体振振动动速速度度，磁磁铁铁与与线线圈圈的的相相对对运运动动切切割割磁磁力力线线， 从从而而产产生生感感应应电势。电势。恒恒磁磁通通式式8磁电式传感器优秀最新课件9.1.2 9.1.2 磁电感应式传感器基本特性磁电感应式传感器基本特性当测

10、量电路接入磁电传感器电路时，如图当测量电路接入磁电传感器电路时，如图所示，磁电传感器的输出电流所示，磁电传感器的输出电流I Io o为为 传感器的电流灵敏度为传感器的电流灵敏度为 当当传传感感器器的的工工作作温温度度发发生生变变化化或或受受到到外外界界磁磁场场干干扰扰、受受到到机机械械振振动动或或冲冲击击时时，其其灵灵敏敏度度将将发发生生变变化化，从从而而产产生生测测量量误误差差，其其相对误差为相对误差为 （9-19-1）9磁电式传感器优秀最新课件 1. 非线性误差非线性误差 磁磁电电式式传传感感器器产产生生非非线线性性误误差差的的主主要要原原因因是是：由由于于传传感感器器线线圈圈内内有有电电

11、流流I流流过过时时，将将产产生生一一定定的的交交变变磁磁通通I，此此交交变变磁磁通通叠叠加加在在永永久久磁磁铁铁所所产产生生的的工工作作磁磁通通上上，使使恒恒定定的的气气隙隙磁磁通通变变化化, 如如图图所所示示。当当传传感感器器线线圈圈相相对对于于永永久久磁磁铁铁磁磁场场的的运运动动速速度度增增大大时时，将将产产生生较较大大的的感感应应电电势势e和和较较大大的的电电流流I，由由此此而而产产生生的的附附加加磁磁场场方方向向与与原原工工作作磁磁场场方方向向相相反反，减减弱弱了了工工作作磁磁场场的的作作用用， 从从而而使使得得传传感感器器的的灵灵敏敏度度随随着着被被测测速速度度的的增增大大而而降降低

12、低。当当线线圈圈的的运运动动速速度度与与图图所所示示方方向向相相反反时时，感感应应电电势势e、线线圈圈感感应应电电流流反反向向，所所产产生生的的附附加加磁磁场场方方向向与与工工作作磁磁场场同同向向，从从而而增增大大了了传传感感器器的的灵灵敏敏度度。 其其结结果果是是线线圈圈运运动动速速度度方方向向不不同同时时，传传感感器器的的灵灵敏敏度度具具有有不不同同的的数数值值，使使传传感感器器输输出出基基波波能能量量降降低低，谐谐波波能能量量增增加加, 即即这这种种非非线线性性特特性性同同时时伴伴随随着着传传感感器器输输出出的的谐谐波波失失真真。 显显然然，传传感感器器灵灵敏敏度越高，线圈中电流越大，这

13、种非线性越严重。度越高，线圈中电流越大，这种非线性越严重。 10磁电式传感器优秀最新课件传感器电流的磁场效应传感器电流的磁场效应11磁电式传感器优秀最新课件 2. 温度误差温度误差 当当温温度度变变化化时时，式式（9-1）中中右右边边三三项项都都不不为为零零，对对铜铜线线而而言言每每摄摄氏氏度度变变化化量量为为dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-2，dB/B每每摄摄氏氏度度的的变变化化量量决决定定于于永永久久磁磁铁铁的的磁磁性性材材料料。对对铝铝镍镍钴钴永永久久磁磁合金，合金，dB/B-0.0210-2，这样由式（，这样由式（9-1）可得近似值如下：）可得近似值如下： 这这一一

14、数数值值是是很很可可观观的的，所所以以需需要要进进行行温温度度补补偿偿。补补偿偿通通常常采采用用热热磁磁分分流流器器。热热磁磁分分流流器器由由具具有有很很大大负负温温度度系系数数的的特特殊殊磁磁性性材材料料做做成成。 它它在在正正常常工工作作温温度度下下已已将将空空气气隙隙磁磁通通分分路路掉掉一一小小部部分分。 当当温温度度升升高高时时， 热热磁磁分分流流器器的的磁磁导导率率显显著著下下降降，经经它它分分流流掉掉的的磁磁通通占占总总磁磁通通的的比比例例较较正正常常工工作作温温度度下下显显著著降降低低，从从而而保保持持空空气隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。气隙的工作磁通不随温度

15、变化，维持传感器灵敏度为常数。 12磁电式传感器优秀最新课件9.1.3 9.1.3 9.1.3 9.1.3 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感磁电感应式传感器通常用来做机器通常用来做机械振动测量。振械振动测量。振动传感器结构大动传感器结构大体分两种：体分两种： 动钢型（线圈动钢型（线圈与壳体固定）与壳体固定） 动圈型（永久动圈型（永久磁铁与壳固定）磁铁与壳固定）动圈型动圈型动钢型动钢型13磁电式传感器优秀最新课件n 信号输出测量电路信号输出测量电路 直接输出电动势测量速度；直接输出电动势测量速度； 接入积分电路测量位移；接入积

16、分电路测量位移； 接入微分电路测量加速度。接入微分电路测量加速度。 14磁电式传感器优秀最新课件v 磁电式扭距传感器：磁电式扭距传感器： 当当扭扭距距作作用用在在转转轴轴上上时时，两两个个磁磁电电传传感感器器输输出出的的感感应应电电压压u u1 1、u u2 2存存在在相相位位差差，相相差差与与扭扭距距的的扭扭转转角角成成正正比比，传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。转轴测量电路测量电路磁电传感器磁电传感器1 1磁电传感器磁电传感器2 2齿型转盘齿型转盘u u1 1u u2 2u u 15磁电式传感器优秀最新课件 磁电式振动传感器

17、的特点：磁电式振动传感器的特点： 磁磁电电式式振振动动传传感感器器是是惯惯性性式式传传感感器器，不不需需要要静静止止的的基准参考，可直接装在被测体上。基准参考，可直接装在被测体上。 传传感感器器是是发发电电型型传传感感器器，工工作作时时可可不不加加电电压压，直直接接将机械能转化为电能输出。将机械能转化为电能输出。 速速度度传传感感器器的的输输出出电电压压正正比比于于速速度度信信号号，便便于于直直接接放大。放大。 输输出出阻阻抗抗低低几几十十几几千千欧欧，对对后后置置电电路路要要求求低低，干干扰小。扰小。 v航空，发动机等设备的振动实验；航空，发动机等设备的振动实验； v兵兵器器，坦坦克克、火火

18、炮炮发发射射的的振振动动持持续续时时间间影影响响第第二二次次发射；发射； v民用，机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。民用，机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。16磁电式传感器优秀最新课件9.2 9.2 霍霍尔尔式式传传感器感器 实际应用中实际应用中磁敏元件主要磁敏元件主要用于检测磁场，用于检测磁场，而与人们相关而与人们相关的磁场范围很的磁场范围很宽，一般的磁宽，一般的磁敏传感器检测敏传感器检测的最低磁场只的最低磁场只能到能到 高斯。高斯。 磁场强度与磁场源的分布磁场强度与磁场源的分布17磁电式传感器优秀最新课件测磁的方法：测磁的方法： 利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如：利用电磁感应作

19、用的传感器（强磁场）如： 磁磁头头、机机电电设设备备、测测转转速速、磁磁性性标标定定、差差动动变压器；变压器； 利利用用磁磁敏敏电电阻阻、磁磁敏敏二二极极管管、霍霍尔尔元元件件测测量量磁场；磁场； 利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器；利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器； 利用超导效应传感器，利用超导效应传感器，SQVID SQVID 约瑟夫元件；约瑟夫元件； 利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。 随随着着半半导导体体技技术术的的发发展展，磁磁敏敏传传感感器器正正向向薄薄膜化，微型化和集成化方向发展。膜化，微型化和集成化方向发展。18磁电式传感器优

20、秀最新课件概述概述 霍霍霍霍尔尔尔尔传传传传感感感感器器器器属属属属于于于于磁磁磁磁敏敏敏敏元元元元件件件件，磁磁磁磁敏敏敏敏元元元元件件件件也也也也是是是是基基基基于于于于磁磁磁磁电电电电转转转转换换换换原原原原理理理理，磁磁磁磁敏敏敏敏传传传传感感感感器器器器是是是是把把把把磁磁磁磁学学学学物物物物理理理理量量量量转换成电信号。转换成电信号。转换成电信号。转换成电信号。 随随随随着着着着半半半半导导导导体体体体技技技技术术术术的的的的发发发发展展展展，磁磁磁磁敏敏敏敏元元元元件件件件得得得得到到到到应应应应用用用用和和和和发发发发展展展展，广广广广泛泛泛泛用用用用于于于于自自自自动动动动控

21、控控控制制制制、信信信信息息息息传传传传递递递递、电电电电磁磁磁磁场场场场、生生生生物物物物医医医医学学学学等等等等方方方方面面面面的的的的电电电电磁磁磁磁、压压压压力力力力、加加加加速速速速度度度度、振动测量。振动测量。振动测量。振动测量。 特特特特点点点点：结结结结构构构构简简简简单单单单、体体体体积积积积小小小小、动动动动态态态态特特特特性性性性好好好好、寿寿寿寿命长。命长。命长。命长。磁敏传感器磁磁学学量量电电信信号号19磁电式传感器优秀最新课件9.2.1 9.2.1 9.2.1 9.2.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应18781878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效年美国

22、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，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。小有利于集成化。霍尔传感器是基于霍尔效应。把把一一个个导导体体（半半导导体体薄薄片片）两两端端通通以以电电流流I I，在在垂垂直直方方向向施施加加磁磁感感强强度度B B的的磁磁场场，在在薄薄片片的的另另外外两两侧侧会会产产生生一一个个与与控控制制电电流流I I和和磁磁场场强强度度B B的的乘乘积积成成比比例例的的电电动势动势 。 或或

23、通通电电的的导导体体（半半导导体体）放放在在磁磁场场中中，电电流流I I与与磁磁场场B B方方向向垂垂直直，在在导导体体另另外外两两侧侧会会产产生生感感应应电电动动势势，这种现象称霍尔效应。这种现象称霍尔效应。 20磁电式传感器优秀最新课件21磁电式传感器优秀最新课件霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，作用，向内侧偏移，在半导体薄片向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端方向的端面之间建立起霍尔电势。面之间建立起霍尔电势。22磁电式传感器优秀最新课件在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。在磁场作用下导体中的自由电子做定向运

24、动。 每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧： 霍尔电场作用于电子的力霍尔电场作用于电子的力霍尔电场霍尔电场当两作用力相等时电荷不再当两作用力相等时电荷不再 向两边积累达到动态平衡：向两边积累达到动态平衡：23磁电式传感器优秀最新课件霍尔电势：霍尔电势：通过（半）导体薄片的电流通过（半）导体薄片的电流I I与下列因素有关：与下列因素有关： 载流子浓度载流子浓度n n，电子运动速度，电子运动速度v v，导体薄片横截面积，导体薄片横截面积 b*d b*d， e e 为电子电荷量。为电子电荷量。代入后：代入后：与材料有关与材料有关霍尔常数霍尔常数霍尔电势与

25、电霍尔电势与电流和磁场强度流和磁场强度的乘积成正比的乘积成正比与薄片尺寸有关与薄片尺寸有关霍尔灵敏度霍尔灵敏度式中：式中：电阻率、电阻率、nn电子浓度电子浓度 电子迁移率电子迁移率=/E =/E 单位电场强度作用下载流子运动速度。单位电场强度作用下载流子运动速度。24磁电式传感器优秀最新课件磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若若磁磁感感应应强强度度B B不不垂垂直直于于霍霍尔尔元元件件，而而是是与与其其法法线线成成某某一一角角度度 时时，实实际际上上作作用用于于霍霍尔尔元元件件上上的的有有效效磁磁感感应应强强度度是是其其法法线线方方向向（与与薄薄片片垂垂直直

26、的的方方向向）的的分分量量，即即B Bcoscos ，这时的霍尔电势为，这时的霍尔电势为 U UH H= =K KH HIBIBcoscos 结论：霍尔电势与输入电流结论：霍尔电势与输入电流I I、磁感应强度、磁感应强度B B成正成正比，且当比，且当B B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。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。的交变电势。 25磁电式传感器优秀最新课件讨论：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

27、霍尔元件以制造霍尔元件; ; 绝缘材料电阻率绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很大，电子迁移率很小，不适用；很小，不适用； 金属材料电子浓度金属材料电子浓度n n很高，很高，R RH H很小，很小，U UH H很小很小; ; 半半导导体体材材料料电电阻阻率率较较大大 R RH H大大，非非常常适适于于做做霍霍尔尔元元件件，半半导导体体中中电电子子迁迁移移率率一一般般大大于于空空穴穴的的迁迁移移率率，所所以以霍霍尔尔元元件多采用件多采用 N N 型半导体（多电子）型半导体（多电子）; ; 由上式可见，厚度由上式可见，厚度d d越小，霍尔灵敏度越小，霍尔灵敏度 K KH H 越大，越大， 所以霍尔元件

28、做的较薄，通常近似所以霍尔元件做的较薄，通常近似1 1微米微米(d1(d1m)m) 。26磁电式传感器优秀最新课件9.2.2 9.2.2 霍尔元件的基本结构与基本测量电路霍尔元件的基本结构与基本测量电路1. 1. 霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构 霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的，成的， 如图（如图（a a）所示。）所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四根引线：引出四根引线： 1 1、 1 1两根引线加激励电压或电流，称激励电两根引线加激励电压或电流，称激励电极（控制电极）；极

29、（控制电极）； 2 2、 2 2引线为霍尔输出引线，引线为霍尔输出引线， 称霍尔电极。称霍尔电极。 霍尔元件的壳体是用非导磁金属、霍尔元件的壳体是用非导磁金属、 陶瓷或环氧树脂封装的。陶瓷或环氧树脂封装的。 在在电路中，电路中， 霍尔元件一般可用两种符号表示，霍尔元件一般可用两种符号表示， 如图（如图（b b）所示。）所示。 27磁电式传感器优秀最新课件 国产霍尔元件别号的命名方法如下：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常见的国产霍尔元件型号有HZ1HZ1、HZ2HZ2、HZ3HZ3、HT1HT1、HT2HT2、HS1HS1等。等。28磁电式传感器优秀最新课件2. 2.

30、2. 2. 霍尔传感器基本电路霍尔传感器基本电路霍尔传感器基本电路霍尔传感器基本电路 霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线，霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线， 两两端端加加激激励励，两两端端为为输输出出，RLRL为为负负载载电电阻阻 ； 电源电源E E通过通过R R控制激励电流控制激励电流I I； B B 磁场与元件面垂直（向里）磁场与元件面垂直（向里） 实测中可把实测中可把I*BI*B作输入，作输入， 也可把也可把I I或或B B单独做输入；单独做输入； 通过霍尔电势输出测量结果。通过霍尔电势输出测量结果。 输输出出UoUo与与I I或或B B成成正正比比关关系系，或或与与I*BI*B成成正

31、正比比关系。关系。29磁电式传感器优秀最新课件 霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，为了获得霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，为了获得较大的霍尔电压，可将几个霍尔元件的输出串联起来，较大的霍尔电压，可将几个霍尔元件的输出串联起来，如图所示，在这种连接方法中，激励电流极应该是并如图所示，在这种连接方法中，激励电流极应该是并联的，如果将其接成串联，霍尔元件将不能正常工作，联的，如果将其接成串联，霍尔元件将不能正常工作，虽然霍尔元件的串联可以增加输出电压，但其输出电虽然霍尔元件的串联可以增加输出电压，但其输出电阻也将增大。阻也将增大。30磁电式传感器优秀最新课件霍尔元件的输出电路霍尔元件的输出电路

32、3131磁电式传感器优秀最新课件磁电式传感器优秀最新课件霍尔元件输出叠加连接方式霍尔元件输出叠加连接方式3232磁电式传感器优秀最新课件磁电式传感器优秀最新课件霍尔式位移传感器原理示意图霍尔式位移传感器原理示意图3333磁电式传感器优秀最新课件磁电式传感器优秀最新课件9.2.3 9.2.3 霍尔元件的主要技术参数霍尔元件的主要技术参数(1) (1) 额定激励电流和最大允许激励电流额定激励电流和最大允许激励电流 当霍尔元件自身温升当霍尔元件自身温升1010时所流过的激励时所流过的激励电流称为额定激励电流。电流称为额定激励电流。 以元件允许最大温升为以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大

33、允许激励电流。限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以使因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以使用中希望选用尽可能大的激励电流，因而需要知用中希望选用尽可能大的激励电流，因而需要知道元件的最大允许激励电流。改善霍尔元件的散道元件的最大允许激励电流。改善霍尔元件的散热条件，可以使激励电流增加。热条件，可以使激励电流增加。 34磁电式传感器优秀最新课件 (2） 输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 激激励励电电极极间间的的电电阻阻值值称称为为输输入入电电阻阻。霍霍尔尔电电极极输输出出电电势势对对电电路路外外部部来来说说相相当当于于一一个个电电压压源源，其

34、其电电源源内内阻阻即即为为输输出出电电阻阻。 以以上上电电阻阻值值是是在在磁磁感感应应强强度度为为零零，且环境温度在且环境温度在205时所确定的。时所确定的。 35磁电式传感器优秀最新课件 (3） 不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻 当当霍霍尔尔元元件件的的激激励励电电流流为为I时时，若若元元件件所所处处位位置置磁磁感感应应强强度度为为零零， 则则它它的的霍霍尔尔电电势势应应该该为为零零，但但实实际际不不为为零零。这这时时测测得得的的空空载载霍霍尔尔电电势势称称为为不不等等位位电电势势。 产产生这一现象的原因有：生这一现象的原因有： 霍霍尔尔电电极极安安装装位位置置不不对对称称或或不

35、不在在同同一一等等电电位位面面上；上； 36磁电式传感器优秀最新课件 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是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；几何尺寸不均匀； 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。 37磁电式传感器优秀最新课件 (4） 寄生直流电势寄生直流电势 在在外外加加磁磁场场为为零零、霍霍尔尔元元件件用用交交流流激激励励时时，霍霍尔尔电电极极输输出出除除了了交交流流不不等等位位电电势势外外，还还有有一一直直流流电电势势，称为寄生直流电势。称为寄生直流电势。 其产生的原因有：其产生的原因有： 激激励励电电极极与与霍霍尔尔电

36、电极极接接触触不不良良， 形形成成非非欧欧姆姆接接触，触， 造成整流效果；造成整流效果； 两两个个霍霍尔尔电电极极大大小小不不对对称称，则则两两个个电电极极点点的的热热容不同，容不同， 散热状态不同而形成极间温差电势。散热状态不同而形成极间温差电势。 寄生直流电势一般在寄生直流电势一般在1mV以下，它是影响霍尔片以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。温漂的原因之一。 38磁电式传感器优秀最新课件9.2.4 9.2.4 测量误差及误差的补偿测量误差及误差的补偿 1. 霍尔元件不等位电势补偿霍尔元件不等位电势补偿 不不等等位位电电势势与与霍霍尔尔电电势势具具有有相相同同的的数数量量级级，有有时时甚甚

37、至至超超过过霍霍尔尔电电势势， 而而实实用用中中要要消消除除不不等等位位电电势势是是极极其其困困难难的的，因因而而必必须须采采用用补补偿偿的的方方法法。分分析析不不等等位位电电势势时时，可可以以把把霍霍尔尔元元件件等等效效为一个电桥，为一个电桥， 用分析电桥平衡来补偿不等位电势。用分析电桥平衡来补偿不等位电势。 39磁电式传感器优秀最新课件不等位电势的补偿：不等位电势的补偿： 分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥，不等位电压分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥，不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出相当于桥路初始有不平衡输出U U0 000，可在电阻大的桥臂上并联，可在电阻大的桥臂上

38、并联电阻。电阻。40磁电式传感器优秀最新课件2.2.温度补偿温度补偿 霍霍尔尔元元件件是是采采用用半半导导体体材材料料制制成成的的，因因此此它它们们的的许许多多参参数数都都具具有有较较大大的的温温度度系系数数。当当温温度度变变化化时时，霍霍尔尔元元件件的的载载流流子子浓浓度度、 迁迁移移率率、电电阻阻率率及及霍霍尔尔系系数数都都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。 为为了了减减小小霍霍尔尔元元件件的的温温度度误误差差， 除除选选用用温温度度系系数数小小的的元元件件或或采采用用恒恒温温措措施施外外，由由U UH H= =K KH HIBIB可可看看出出

39、：采采用用恒恒流流源源供供电电是是个个有有效效措措施施，可可以以使使霍霍尔尔电电势势稳稳定定。但但也也只只能能是是减减小小由由于于输输入入电电阻阻随随温温度度变变化化所所引引起起的的激激励励电流电流I I的变化的影响。的变化的影响。 41磁电式传感器优秀最新课件 霍霍尔尔元元件件的的灵灵敏敏系系数数KH也也是是温温度度的的函函数数，它它随随温温度度变变化化将将引引起起霍霍尔尔电电势势的的变变化化。霍霍尔尔元元件件的的灵灵敏敏度度系系数与温度的关系可写成数与温度的关系可写成 KH=KH0(1+T) 大多数霍尔元件的温度系数大多数霍尔元件的温度系数是正值，它们的霍是正值，它们的霍尔电势随温度升高而

40、增加尔电势随温度升高而增加T T倍。倍。 但如果同时让激但如果同时让激励电流励电流I Is s相应地减小，相应地减小， 并能保持并能保持K KH H I Is s 乘积不变，乘积不变，也就抵消了灵敏系数也就抵消了灵敏系数K KH H增加的影响。增加的影响。42磁电式传感器优秀最新课件 电路中电路中I Is s为恒流源，分流电阻为恒流源，分流电阻R Rp p与霍尔元件的与霍尔元件的激励电极相并联。当霍尔元件的输入电阻随温度升高激励电极相并联。当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻而增加时，旁路分流电阻R Rp p自动地增大分流，减小了自动地增大分流，减小了霍尔元件的激励电流霍尔元件

41、的激励电流I IH H，从而达到补偿的目的。，从而达到补偿的目的。 43磁电式传感器优秀最新课件 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。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得多。较典型的线性型霍尔器件接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如如UGN3501等。等。 线性型三端线性型三端 霍尔集成电路霍尔集成电路9.2.5 9.2.5 霍尔集成传感器霍尔集成传感器44磁电式传感器优秀最新课

42、件线性型霍尔特性线性型霍尔特性 右图示出了具有双右图示出了具有双端差动输出特性的线性端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁感受的磁场为正向（磁钢的钢的S S极对准霍尔器件极对准霍尔器件的正面）时，的正面）时， 输出为输出为正；磁场反向时，输出正；磁场反向时，输出为负。为负。 请画出线性范围请画出线性范围45磁电式传感器优秀最新课件开关型霍尔集成电路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、压电路、放

43、大器、施密特触发器、OC门（集门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。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，当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；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，当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如尔器件如UGN3020等。等。46磁电式传感器优秀最新课件开关型霍尔集成电路的外形及内部电路开关型霍尔集成电路的外形及内部电路OCOC门门 施密特施密特 触发电路触发电路

44、双端输入、双端输入、 单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件元件. .VccVcc47磁电式传感器优秀最新课件开关型霍尔集成电路的史密特输出特性开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越回差越大，抗振动大，抗振动干扰能力就干扰能力就越强。越强。48磁电式传感器优秀最新课件9.2.6 9.2.6 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、 三个变三个变量的函数，即量的函数，即 EH=KHIBcos 。利用。利用这个关系可以使其中两个量不变，将这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使

45、个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。得霍尔传感器有许多用途。49磁电式传感器优秀最新课件霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件测量铁心测量铁心 气隙的气隙的B值值50磁电式传感器优秀最新课件 霍尔转速表霍尔转速表 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，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、地变化

46、，霍尔器件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。整形后可以确定被测物的转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁51磁电式传感器优秀最新课件52磁电式传感器优秀最新课件霍尔转速表原理霍尔转速表原理 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。时，输出为低电平。53磁电式传感器优秀最新课件霍尔转速传感器在汽车防抱死装置霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中

47、的应用）中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。控制刹车力的大小。带有微带有微型磁铁型磁铁的霍尔的霍尔传感器传感器钢质钢质霍尔霍尔54磁电式传感器优秀最新课件霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置 采用霍尔式无采用霍尔式无触点电子点火装置能触点电子点火装置能较好地克服汽车合金较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。动力不足等缺点。 汽车点火线圈汽车点火线圈高压输

48、出高压输出接头接头12V低压电源低压电源输入接头输入接头55磁电式传感器优秀最新课件霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理 采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足。间准确、高速时动力足。桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图 1-1-触发器叶片触发器叶片 2- -槽口槽口 3- -分电器转轴分电器转轴 4- -永久磁铁永久磁铁 5- -霍尔集成电路（霍尔集成电路（PNP型霍尔型霍尔IC） a a）带缺口的触发器叶片）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成）触发器

49、叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系电路之间的安装关系 c c）叶片位置与点火正时的关系）叶片位置与点火正时的关系 56磁电式传感器优秀最新课件57磁电式传感器优秀最新课件霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了换霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检向器和电刷，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、整形后触发电子输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等电动机不产

50、生电火花及电刷磨损等问题，所以它在问题，所以它在录像机、录像机、CD唱机唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。的应用。 普通直流电动机使用普通直流电动机使用的电刷和换向器的电刷和换向器58磁电式传感器优秀最新课件霍尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。钕铁硼磁铁。59磁电式传感器优秀最新课件霍尔式接近开关霍尔式接近开关 用霍尔用霍尔ICIC也能完成接近开关的功能，但是它只能也能完成接近开关的

51、功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。合磁场。 在右图中，当磁铁在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，尔接近开关几毫米时，霍尔霍尔ICIC的输出由高电平的输出由高电平变为低电平，经驱动电变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔（否则将撞坏霍尔ICIC）起到限位的作用。起到限位的作用。 60磁电式传感器优秀最新课件61磁电式传感器优秀最新课件霍尔式接近开关用于霍尔式接近开关用于转速测量演示转速测量演示n

52、= = 6060f4(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T62磁电式传感器优秀最新课件霍尔电流传感器霍尔电流传感器 将被测电流的将被测电流的导线穿过霍尔电流导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。传感器的检测孔。当有电流通过导线当有电流通过导线时，在导线周围将时，在导线周围将产生磁场，磁力线产生磁场，磁力线集中在铁心内，并集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而过霍尔元件，从而产生与电流成正比产生与电流成正比的霍尔电压。的霍尔电压。63磁电式传感器优秀最新课件64磁电式传感器优秀最新课件霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示铁心铁心 线性霍尔线性霍尔IC EH=KH IB 所实现的多媒体界面：所实现的多媒体界面：65磁电式传感器优秀最新课件霍尔式功率变换器原理霍尔式功率变换器原理霍尔式传感器功率表工作原理霍尔式传感器功率表工作原理6666磁电式传感器优秀最新课件磁电式传感器优秀最新课件