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1、1传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术第第6章章 磁电式传感器磁电式传感器q主要内容：主要内容： 6.1 磁磁电感感应式式传感器感器6.2 霍霍尔式式传感器感器2传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 磁电感应式传感器是利用电磁感应原理，将运动磁电感应式传感器是利用电磁感应原理，将运动磁电感应式传感器是利用电磁感应原理，将运动磁电感应式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。速度、位移等物理量转换成线圈中的
2、感应电动势输出。工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。是典型的有源传感器。转换为电量输出。是典型的有源传感器。转换为电量输出。是典型的有源传感器。转换为电量输出。是典型的有源传感器。 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10101010100Hz1
3、00Hz100Hz100Hz适适适适合合合合作作作作机机机机械械械械振振振振动动动动测测测测量、转速测量。传感器尺寸大、重。量、转速测量。传感器尺寸大、重。量、转速测量。传感器尺寸大、重。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 量量概述概述概述概述3传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 霍尔传感器属于磁敏元件，霍尔传感器属于磁敏元件，霍尔传感器属于磁敏元件，霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电磁敏元件也是基于磁电磁敏元件也是基于磁电磁敏元件也是基于磁电转换原理，转换原理，转换原理，转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。磁敏传感
4、器是把磁学物理量转换成电信号。磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。 随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。方面的电磁、压力、加速度、振动测量。方面的电磁、压力、加速度、振动测量。方面的电磁、压力
5、、加速度、振动测量。 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。磁敏传感器磁磁学学量量电电信信号号概述概述概述概述4传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术霍尔传感器测转速霍尔传感器测转速磁电传感器磁电传感器概述概述概述概述5传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.1.1 6.1.1 6.1.1 6.1.1 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
6、 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。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磁通的磁通的磁通的磁通变化率有关。变化率有关。变化率有关。变化率有关。 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）6传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.1.1 6.1.1 6.1.1 6.1.1 工作原理工作原理工作原理工作原理根据以上原理有两种磁
7、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。可以是线圈也可以是磁铁。 变磁通式：线圈、磁铁静止不动，变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 转动物体引起磁阻、磁通变化。转动物体引起磁阻、磁通变化。 恒磁通式恒磁通式变磁通式变磁通式（a）开磁路 （b）闭磁路6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）7传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 基本特性基本特性基本特性基本特性电压灵敏度：电压灵敏度： 由由 可得；可得
8、； 传感器灵敏度：传感器灵敏度： ( (常数常数) )电流灵敏度电流灵敏度:6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）8传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.1.3 6.1.3 6.1.3 6.1.3 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 电磁式传感器通常用来做机械振动测量。电磁式传感器通常用来做机械振动测量。 振动传感器结构大体分两种：振动传感器结构大体分两种： 动铁式（线圈与壳体固定）动铁式（线圈与壳体固定） 动圈式（永久磁铁与壳固定）动圈式（永久磁铁与壳固定） 磁铁与线圈之间相对运动运动速
9、度接近振动速度，磁铁与线圈之间相对运动运动速度接近振动速度， 磁路空气隙中的线圈切割磁力线，磁路空气隙中的线圈切割磁力线， 产生于正比振动速度的感应电动势产生于正比振动速度的感应电动势 。6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）9传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.1.3 6.1.3 6.1.3 6.1.3 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动铁式动铁式动圈式动圈式6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）10传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技
10、术6.1.3 6.1.3 6.1.3 6.1.3 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开磁路闭磁路6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）11传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.1.3 6.1.3 6.1.3 6.1.3 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 动圈式振动速度传感器动圈式振动速度传感器6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）12传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.1.3 6.
11、1.3 6.1.3 6.1.3 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 n 信号输出送测量电路信号输出送测量电路 接入积分电路测量位移；接入积分电路测量位移； 接入微分电路测量加速度。接入微分电路测量加速度。 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）13传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.1.3 6.1.3 6.1.3 6.1.3 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 磁电式振动传感器的特性：磁电式振动传感器的特性： 磁电式振动传感器是惯性式
12、传感器，不需要磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要 静止的基准参考，可直接装在被测体上。静止的基准参考，可直接装在被测体上。 传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，传感器是发电型传感器，工作时可不加电压， 直接将机械能转化为电能输出。直接将机械能转化为电能输出。 速度传感器的输出电压正比于速度信号速度传感器的输出电压正比于速度信号 ， 便于直接放大。便于直接放大。 输出阻抗低，对后置电路要求低，干扰小。输出阻抗低，对后置电路要求低，干扰小。6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）14传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 实际应用中磁敏元件主要
13、用于检测磁场，而与人们实际应用中磁敏元件主要用于检测磁场，而与人们相关的磁场范围很宽，一般的磁敏传感器检测的最低磁相关的磁场范围很宽，一般的磁敏传感器检测的最低磁场只能到场只能到 高斯。高斯。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：利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如： 磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器；磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器； 利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件；利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件； 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，SQVIDSQVI
14、D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。 随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，微随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，微型化和集成化方向发展。型化和集成化方向发展。6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器15传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应 霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流（半导体薄片）两端通以控制电流I I，在薄片垂直，在薄片垂直方向施
15、加磁感强度方向施加磁感强度B B的磁场，在薄片的另外两侧会的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流产生一个与控制电流I I和磁场强度和磁场强度B B的乘积成比例的乘积成比例的电动势的电动势 。 通电的导体（半导体）放在磁场中，电流通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I I与磁与磁场场B B方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。这种现象称霍尔效应。 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器16传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应
16、 在磁场中导体自由电子在磁场的作用下做定向运动。在磁场中导体自由电子在磁场的作用下做定向运动。 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： 霍尔电场霍尔电场霍尔电场作用于电子的力霍尔电场作用于电子的力6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器17传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应 当两作用力相等时电荷不再向两边积累，当两作用力相等时电荷不再向两边积累， 达到动态平衡：达到动态平衡：通过（半）导体薄片的电流通过（半）导体薄片的电流I与载流子浓度与载流子浓度
17、n， 电子运动速度电子运动速度v，薄片横截面积，薄片横截面积 b*d 有关：有关： 霍尔电势：霍尔电势：6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器18传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应代入后：代入后：霍尔常数霍尔常数 与材料有关与材料有关 霍尔灵敏度霍尔灵敏度 与薄片尺寸有关与薄片尺寸有关6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器19传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应讨论：讨论： 任何材料在一定条
18、件下都能产生霍尔电势，但不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；绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用； 金属材料电子浓度很高，金属材料电子浓度很高，RHRH很小，很小，UHUH很小。很小。 半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以 霍尔元件多采用霍尔元件多采用N N型半导体（多电子）。型半导体（多电子）。 v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， 所以霍尔元件做的较薄，通常近似所以霍尔元件做的较
19、薄，通常近似1 1微米。微米。6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器20传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 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 霍尔晶体外形矩形薄片有四根引线，霍尔晶体外形矩形薄片有四根引线， 两端加激励两端为输出；两端加激励两端为输出； 电源电源E E，控制电流，控制电流I I； 负载负载RLRL，R R可调保证控制电流，可调保证控制电流， 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
20、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。 输出输出UoUo与与I I或或B B成正比关系。成正比关系。6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器21传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿霍尔传感器的误差及补偿霍尔传感器的误差及补偿霍尔传感器的误差及补偿(1)(1)不等位电势不等位电势 当当霍霍尔尔元元件件通通以以激激励励电电流流I I时时，若若磁磁场场B=0B=0，理理论论上上霍霍尔尔电电势势U UH H=0,=0,但但实实际际U UH H不不等等于于0 0，这这
21、时时测测得得的的空空载载电电势称不等位电势势称不等位电势U U0 0。 产生的原因：产生的原因：霍尔引出电极安装不对称霍尔引出电极安装不对称半导体材料不均匀半导体材料不均匀6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器22传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿霍尔传感器的误差及补偿霍尔传感器的误差及补偿霍尔传感器的误差及补偿( (1)1)不等位电势及补偿不等位电势及补偿6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器23传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3
22、 霍尔传感器的误差及补偿霍尔传感器的误差及补偿霍尔传感器的误差及补偿霍尔传感器的误差及补偿 (2)(2)温度误差及补偿温度误差及补偿霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温度当温度T T变化时，载流子浓度变化时，载流子浓度n n、迁移率、迁移率、电阻率、电阻率，霍尔系数，霍尔系数R RH H 都会变化。以下是几种补偿方法：都会变化。以下是几种补偿方法： 恒流源补偿：恒流源补偿： 由由 U UH H=K=KH HIB IB 可见恒流源供电可使可见恒流源供电可使U UH H稳定但灵敏度系数稳定但灵敏度系数 K KH H = R= RH H/d
23、 = /d/d = /d也是温度的函数：也是温度的函数：6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器24传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿霍尔传感器的误差及补偿霍尔传感器的误差及补偿霍尔传感器的误差及补偿 (2)(2)温度误差及补偿温度误差及补偿u具体补偿方法具体补偿方法: : 在霍尔元件上并联在霍尔元件上并联RpRp分流，分流， 当当T T增大时增大时RiRi增大增大U UH H 增大增大 I IH H 减小减小IpIp增大增大U UH H 下降，下降， Rp Rp 自动加强分流，使自动加强分流，使Ip
24、Ip 增大增大 I IH H 下降下降U UH H下降下降, ,补偿电阻补偿电阻 RpRp可选择负温度系数可选择负温度系数. .6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器25传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.2.4 6.2.4 6.2.4 6.2.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用(1)(1)位移测量位移测量 (2)(2)测转速测转速 (3)(3)计数装置计数装置( (导磁产品导磁产品) )检缺口检缺口 检齿检齿磁磁 场场 测测 量量6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器26传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.
25、2.4 6.2.4 6.2.4 6.2.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔元件符号霍尔元件符号 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器27传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.2.4 6.2.4 6.2.4 6.2.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔传感器位移测量原理霍尔传感器位移测量原理 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器28传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.2.4 6.2.4 6.2.4 6.2.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔传感器的
26、应用霍尔压力传感器结构原理霍尔压力传感器结构原理 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器29传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.2.4 6.2.4 6.2.4 6.2.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍霍霍霍 尔尔尔尔 元元元元 件件件件 和和和和 磁磁磁磁 体体体体 运运运运 动动动动 方方方方 式式式式6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器30传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术6.2.4 6.2.4 6.2.4 6.2.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔元件测位置霍尔元件测位置霍尔元件测位置霍尔元件测位置霍霍霍霍 尔尔尔尔 元元元元 件件件件 测测测测 角角角角 度度度度6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器31传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术本章要点：本章要点：1 1 1 1、磁、磁、磁、磁电电感感感感应应式式式式传传感器（感器（感器（感器（电动电动式）式）式）式）工作原理、工作原理、工作原理、工作原理、 基本特性和基本特性和基本特性和基本特性和应应用；用；用；用；2 2 2 2、霍、霍、霍、霍尔尔式式式式传传感器感器感器感器原理及原理及原理及原理及应应用。用。用。用。
