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1、第第8 8章章 磁电式传感器磁电式传感器 第一节 霍尔传感器第二节 磁敏电阻器第三节 磁敏二极管和磁敏三极管第四节 磁敏式传感器应用举例磁电式传感器par优秀课件第一节第一节 霍尔式传感器霍尔式传感器一、一、 霍尔效应及霍尔元件的工作原理霍尔效应及霍尔元件的工作原理 1. 霍尔效应霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍霍霍霍尔尔尔尔效效效效应应应应。该电势称霍尔电势。如图8-1所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板，导电板通以电流I，方向如图所示。导电板中的电流使金属中自由电子在电场作用下做
2、定向运动。此时，每个电子受洛伦兹力fl的作用，fl的大小为 fl=eBv磁电式传感器par优秀课件图8-1 霍尔效应原理图磁电式传感器par优秀课件 fl的方向在图8-1中是向内的，此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在fl的作用下漂移，结果使金属导电板内侧面积累电子，而外侧面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH， 称霍尔电场，该电场强度为 式中, UH为电位差。 磁电式传感器par优秀课件 霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛伦兹力作用外，还受到霍尔电场力的作用，其力的大小为eEH，此力阻止电荷继续积累。 随着内、外侧面积累电荷的增加，霍尔电场增大，电子受到的霍尔电场力也增大，当电子
3、所受洛伦磁力与霍尔电场作用力大小相等方向相反，即 eEH=eBv 时， 则 EH=vB此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。 磁电式传感器par优秀课件 若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速度为v，则激励电流I=nevbd，即 得 得 磁电式传感器par优秀课件 式中令RH=1/ne，称之为霍尔常数，其大小取决于导体载流子密度, 则 式中, KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。 由上式可见，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。 磁电式传感器par优秀课件 霍 尔 元 件 激 励 极 间
4、电 阻 R=l/(bd)， 同 时R=U/I=El/I=vl/(nevbd)（因为=v/E, 为电子迁移率），则 解得 RH= 磁电式传感器par优秀课件 可知，霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。 若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数RH，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。 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，但故载流子迁移率极低，只有半导体材料才适于制造霍尔片。目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、 锑化铟等半导体材料。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、 温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、 温度性能同N
5、型锗。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。磁电式传感器par优秀课件 2. 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、四根引线和壳体组成的， 如图7-9（a）所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四根引线： 1、 1两根引线加激励电压或电流，称激励电极（控制电极）； 2、 2引线为霍尔输出引线， 称霍尔电极。 霍尔元件的壳体是用非导磁金属、 陶瓷或环氧树脂封装的。 在电路中， 霍尔元件一般可用两种符号表示， 如图7-9（b）所示。 磁电式传感器par优秀课件图8-2
6、 霍尔元件（a） 外形结构示意图； （b） 图形符号 磁电式传感器par优秀课件 二、二、 霍尔元件的主要技术参数霍尔元件的主要技术参数 (1) 额定激励电流和最大允许激励电流 当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为额定激励电流。 以元件允许最大温升为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。改善霍尔元件的散热条件，可以使激励电流增加。 磁电式传感器par优秀课件 (2) 输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内
7、阻即为输出电阻。 以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在205时所确定的。 磁电式传感器par优秀课件 (3) 不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零， 则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势，如图7-10所示。 产生这一现象的原因有： 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； 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； 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。 磁电式传感器par优秀课件图7-10 不等位电势示意图 磁电式传感器par优秀课件 (4) 寄生直流电势 在外加磁场为零、霍尔元件用交
8、流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。 其产生的原因有： 激励电极与霍尔电极接触不良， 形成非欧姆接触， 造成整流效果； 两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同， 散热状态不同而形成极间温差电势。 寄生直流电势一般在1mV以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。 磁电式传感器par优秀课件 (5) 霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。 磁电式传感器par优秀课件 4. 霍尔元件不等位电势补偿霍尔元件不等位电势补偿 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，
9、有时甚至超过霍尔电势， 而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥， 用分析电桥平衡来补偿不等位电势。 磁电式传感器par优秀课件 图8-2为霍尔元件的等效电路，其中A、 B为霍尔电极，C、 D为激励电极，电极分布电阻分别用r1、r2、r3、r4表示，把它们看作电桥的四个桥臂。理想情况下，电极A、B处于同一等位面上， r1= r2= r3= r4 ，电桥平衡，不等位电势U0为0。实际上，由于A、 B电极不在同一等位面上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电势不等于零。此时可根据A、 B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联
10、一定的电阻，使电桥达到平衡， 从而使不等位电势为零。几种补偿线路如图8-3所示。图（a）、 （b）为常见的补偿电路， 图（b）、（c）相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻， 图（d）用于交流供电的情况。 磁电式传感器par优秀课件图8-2 霍尔元件的等效电路 磁电式传感器par优秀课件图8-3 不等位电势补偿电路 磁电式传感器par优秀课件 5. 霍尔元件温度补偿霍尔元件温度补偿 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度误差。 为了减小霍尔元件的温度误差， 除选
11、用温度系数小的元件或采用恒温措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定。但也只能是减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流I的变化的影响。 磁电式传感器par优秀课件 霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数，它随温度变化将引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成 KH=KH0(1+T)式中：KH0温度T0时的KH值； T=T-T0温度变化量； 霍尔电势温度系数。 磁电式传感器par优秀课件 大多数霍尔元件的温度系数是正值，它们的霍尔电势随温度升高而增加T倍。 但如果同时让激励电流Is相应地减小， 并能保持KH Is 乘积不变，也就抵消了灵敏
12、系数KH增加的影响。 图8-4就是按此思路设计的一个既简单，补偿效果又较好的补偿电路。电路中Is为恒流源，分流电阻Rp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而增加时，旁路分流电阻Rp自动地增大分流，减小了霍尔元件的激励电流IH，从而达到补偿的目的。 磁电式传感器par优秀课件图8-4 恒流温度补偿电路 磁电式传感器par优秀课件 在图8-4所示的温度补偿电路中，设初始温度为T0，霍尔元件输入电阻为Ri0，灵敏系数为KH0，分流电阻为Rp0，根据分流概念得 当温度升至T时，电路中各参数变为 式中：霍尔元件输入电阻温度系数； 分流电阻温度系数。 磁电式传感器par优秀课件则 虽
13、然温度升高了T，为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足温升前、 后的霍尔电势不变，即UH0=UH，则 KH0IH0B=KHIHB 有 KH0IH0=KHIH 磁电式传感器par优秀课件 经整理并略去(T)2高次项后得 当霍尔元件选定后，它的输入电阻Ri0和温度系数及霍尔电势温度系数是确定值。计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值。为了满足Rp0及两个条件，分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合，这样虽然麻烦但效果很好。 磁电式传感器par优秀课件三、三、 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 1. 霍尔式微位移传感器霍尔式微位移传感器 霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点，
14、它不仅用于磁感应强度、有功功率及电能参数的测量， 也在位移测量中得到广泛应用。 图8-5给出了一些霍尔式位移传感器的工作原理图。图8-5（a）是磁场强度相同的两块永久磁铁，同极性相对地放置， 霍尔元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0， 因此霍尔元件输出的霍尔电势UH也等于零，此时位移x=0。若霍尔元件在两磁铁中产生相对位移，霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变，这时UH不为零，其量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量。这种结构的传感器， 其动态范围可达5 mm，分辨率为0.001mm。 磁电式传感器par优秀课件图8-5 霍尔式位移传感器的工作原理图(a) 磁场强度
15、相同传感器； (b) 简单的位移传感器； (c) 结构相同的位移传感器 磁电式传感器par优秀课件 图8-5（b）是一种结构简单的霍尔位移传感器，是由一块永久磁铁组成磁路的传感器，在霍尔元件处于初始位置x=0时， 霍尔电势UH不等于零。 图8-5（c）是一个由两个结构相同的磁路组成的霍尔式位移传感器，为了获得较好的线性分布，在磁极端面装有极靴， 霍尔元件调整好初始位置时， 可以使霍尔电势UH=0。 这种传感器灵敏度很高， 但它所能检测的位移量较小， 适合于微位移量及振动的测量 。 磁电式传感器par优秀课件 2. 霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器 图8-6是几种不同结构的霍尔式转速传感器。转盘
16、的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目多少就可确定传感器测量转速的分辨率。 磁电式传感器par优秀课件图8-6 几种霍尔式转速传感器的结构磁电式传感器par优秀课件 3. 霍尔计数装置霍尔计数装置 霍尔集成元件是将霍尔元件和放大器等集成在一块芯片上。 它由霍尔元件、 放大器、电压调整电路、电流放大输出电路、 失调调整及线性度调整电路等几部分组成，有三端T形单端输出和八脚双列直插型双端输出两种结构。它的特点是输出电压在一定范围内与磁感应强度成线性关系。霍尔开关传感器SL3501具有较高灵敏度的集成霍尔元件，能感受到很小的磁场变化， 因而可对黑色金属零件进行计数检测。图8-7是对钢球进行计数的工作示意图和电路图。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(A741) 放大后， 驱动半导体三极管V(2N5812)工作，V输出端便可接计数器进行计数，并由显示器显示检测数值。 磁电式传感器par优秀课件图8-7 霍尔计数装置的工作示意图及电路图磁电式传感器par优秀课件
