传感器原理及应用磁电式传感器课件

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1、传感器原理及应用 第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器主要内容：主要内容： 6.1 6.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器概述概述概述概述传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器磁磁磁磁电电电电式式式式传传传传感感感感器器器器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，通通通通过过过过检检检检测测测测

2、磁磁磁磁场场场场的的的的变变变变化化化化将将将将运运运运动动动动的的的的速速速速度度度度、位位位位移移移移、振振振振动动动动等等等等物物物物理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感感感应应应应电电电电动势输出。动势输出。动势输出。动势输出。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

3、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物体的测物体的测物体的测物体的机械能转换为电量机械能转换为电量机械能转换为电量机械能转换为电量输出。是典型的输出。是典型的输出。是典型的输出。是典型的有源传感器有源传感器有源传感器有源传感器。磁电式传感器机机械械能能电电 量量概述概述概述概述传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 电感电感式传感器是把被测量转换成电感量式传感器是把被测量转换成电感量( (自感、互感）自感、互感）的变化的变化 磁电磁电式传感器通过检测磁场大小和变化测量被测量式传感器通过检测磁

4、场大小和变化测量被测量. .霍尔传感器测转速霍尔传感器测转速霍尔传感器测转速霍尔传感器测转速霍尔元件霍尔元件用于用于 开关开关磁电式传感器机机械械能能电电 量量6.1 6.1 6.1 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁磁磁磁电式传感器电式传感器电式传感器电式传感器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

5、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，线圈内产生感应电动势的大小与穿过线圈磁通变化率有关。线圈内产生感应电动势的大小与穿过线圈磁通变化率有关。线圈内产生感应电动势的大小与穿过线圈磁通变化率有关。线圈内产生感应电动势的大小与穿过线圈磁通变化率有关。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 N 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 永久磁铁与线圈间的相对位移十分接近振动体的绝

6、对位永久磁铁与线圈间的相对位移十分接近振动体的绝对位永久磁铁与线圈间的相对位移十分接近振动体的绝对位永久磁铁与线圈间的相对位移十分接近振动体的绝对位移，相对运动速度就接近振动体的振动速度。移，相对运动速度就接近振动体的振动速度。移，相对运动速度就接近振动体的振动速度。移，相对运动速度就接近振动体的振动速度。 线圈绕组中的感应电势与磁场、线圈的匝数线圈绕组中的感应电势与磁场、线圈的匝数线圈绕组中的感应电势与磁场、线圈的匝数线圈绕组中的感应电势与磁场、线圈的匝数圈数及运动速度有关，感应电动势可以表示为圈数及运动速度有关，感应电动势可以表示为圈数及运动速度有关，感应电动势可以表示为圈数及运动速度有关

7、，感应电动势可以表示为 6.1 6.1 6.1 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁磁磁磁电式传感器电式传感器电式传感器电式传感器结构：磁电式传感器由结构：磁电式传感器由磁钢磁钢、线圈线圈、弹簧弹簧、阻尼器阻尼器和和壳体壳体等等组成，是典型的二阶系统，根据原理有两种磁电感应式组成，是典型的二阶系统，根据原理有两种磁电感应式传感器：传感器：1.1.恒磁通恒磁通式式: : 恒定磁

8、场，运动部件可以是恒定磁场，运动部件可以是线圈线圈也可以是也可以是磁铁磁铁。2.2.变磁通变磁通式式: : 线圈、磁铁静止不动，线圈、磁铁静止不动，转动转动物体引起物体引起磁阻磁阻、磁磁通通变化。变化。 恒磁通式恒磁通式（a）开磁路 （b）闭磁路变磁通式变磁通式 6.1 6.1 6.1 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器动钢型动

9、钢型动圈型动圈型恒磁通式测振动恒磁通式测振动恒磁通式恒磁通式传感器通常传感器通常用做机械振动测量。用做机械振动测量。振动传感器结构大体振动传感器结构大体分两种分两种: :动圈型动圈型 永久磁铁与壳固定永久磁铁与壳固定动钢型动钢型 线圈与壳体固定线圈与壳体固定第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器6.1 6.1 6.1 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 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传感器原理及应用传感器原理及应用 这种惯性式传

10、感器，不需要静止的参考基准，直接安装在这种惯性式传感器，不需要静止的参考基准，直接安装在被测体上，工作时传感器不需要加电压，线圈随被测物体运动，被测体上，工作时传感器不需要加电压，线圈随被测物体运动，直接将机械能转换为电能输出，是典型的发电型传感器。直接将机械能转换为电能输出，是典型的发电型传感器。1-1-弹簧片弹簧片,2-,2-阻尼环阻尼环3-3-磁铁磁铁,4-,4-铝支架铝支架5-5-芯轴芯轴,6-,6-线圈线圈7-7-壳体壳体,8-,8-引线引线v 动圈式振动速度传感器动圈式振动速度传感器磁电式绝对速度计磁电式绝对速度计 1 1弹簧弹簧; 2; 2壳体壳体; 3; 3阻尼环阻尼环; 4;

11、 4磁钢磁钢; 5; 5线圈线圈; 6; 6芯轴芯轴; ;固有频率固有频率10 -15Hz10 -15Hz，上限频率，上限频率1k1k。6.1 6.1 6.1 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 变磁通变磁通式又称为变磁阻式，线圈、磁铁静止不动，式又称为变磁阻式，线圈、磁铁静止不动， 测转速时测转速时, , 转动物体（齿轮的凹凸

12、）引起转动物体（齿轮的凹凸）引起磁阻或磁通磁阻或磁通变化。变化。开磁路闭磁路（a）开磁路）开磁路 （b）闭磁路）闭磁路第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器6.1 6.1 6.1 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 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传感器原理及应用传感器原理及应用电压电压灵敏度灵敏度： 由由 可确定可确定灵敏度为灵敏度为常数常数电流电流灵敏度灵敏度: : 可定义出磁电感应式传感器灵敏度可定义出磁电感应式传感器灵敏度

13、 对于结构确定的磁电式传感器，传感器电势输出正对于结构确定的磁电式传感器，传感器电势输出正比于振动速度比于振动速度6.1 6.1 6.1 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 实际输出特性（灵敏度）是不线性的，实际输出特性（灵敏度）是不线性的， 偏离的原因：偏离的原因： 当振动速度很小时（当振动速度很小时（a a），惯性力不），惯

14、性力不足以克服传感器活动部件的足以克服传感器活动部件的静摩擦静摩擦力，因此力，因此线圈与磁铁不存在相对运动，因此无输出；线圈与磁铁不存在相对运动，因此无输出； 当当a a超过超过b b时，惯性力克服静摩擦时，惯性力克服静摩擦力，有相对运动，但力，有相对运动，但摩擦阻尼摩擦阻尼使输出特性非使输出特性非线性；线性； 当速度超过当速度超过b b到达到达c c时时惯性惯性太大超过弹太大超过弹性形变范围，输出出现饱和；性形变范围，输出出现饱和； 这种传感器的输出在很小和很大情况下是这种传感器的输出在很小和很大情况下是非线性的，但实际的工作范围较大非线性的，但实际的工作范围较大, ,实用性实用性较强。较强

15、。振动传感器输出特性振动传感器输出特性6.1 6.1 6.1 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 技术参数：技术参数：灵敏度：灵敏度：202050mV50mVmmmmSec 1Sec 1（根据用户调整）（根据用户调整） 频率响应（可选）：频率响应（可选）：5 5100Hz100Hz，1010500Hz500Hz，10101000

16、Hz 1000Hz 固有频率：约固有频率：约10Hz 10Hz 振幅极限：振幅极限：2mm2mm（峰（峰- -峰值）峰值） 最大加速度：最大加速度：10g 10g S-ZS型磁电式振动速度传感器型磁电式振动速度传感器 S-ZSS-ZS型振动速度传感器与振动型振动速度传感器与振动监控仪或振动烈度监控仪配接后，监控仪或振动烈度监控仪配接后，可以测量各种位移、速度等，用来可以测量各种位移、速度等，用来对机械故障进行预测和报警。对机械故障进行预测和报警。 6.1 6.1 6.1 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 6.1.3

17、 6.1.3 6.1.3 6.1.3 测量电路测量电路测量电路测量电路传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器n 信号输出经测量电路转换可获得信号输出经测量电路转换可获得位移位移和和加速度加速度 直接输出直接输出电动势，测量速度信号；电动势，测量速度信号； 接入接入积分积分电路可测量位移信号；电路可测量位移信号； 接入接入微分微分电路可测量加速度信号。电路可测量加速度信号。 磁电传感器根本上是速度传感器，磁电传感器根本上是速度传感器，磁铁与线圈磁铁与线圈之间相对之间相对运动时，能量全被弹簧吸收，磁路线圈切割磁力线产生于运动时

18、，能量全被弹簧吸收，磁路线圈切割磁力线产生于正比速度的感应电动势，正比速度的感应电动势， 由此输出可直接获得速度信号。由此输出可直接获得速度信号。第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器6.1 6.1 6.1 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 6.1.3 6.1.3 6.1.3 6.1.3 测量电路测量电路测量电路测量电路传感器原理及应用传感器原理及应用v 速度经积分电路速度经积分电路 可测量位移可测量位移I If f C CI Ii i R Ru ui iu u0 0- -+

19、 +理想运放理想运放RCRC称积分时间常数称积分时间常数根据根据设电容上初始电压为零，输出电压是输入电压对时间积分设电容上初始电压为零，输出电压是输入电压对时间积分uitu0t6.1 6.1 6.1 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 6.1.3 6.1.3 6.1.3 6.1.3 测量电路测量电路测量电路测量电路传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器v 速度经微分电路速度经微分电路 可测量加速度可测量加速度 I If f R Rf fI Ic

20、c C Cu ui iu u0 0- -+ +理想运放理想运放因为因为u0tuit第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器6.1 6.1 6.1 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 6.1.4 6.1.4 6.1.4 6.1.4 应用应用应用应用传感器原理及应用传感器原理及应用1.1.磁电式扭距传感器磁电式扭距传感器 圆圆盘盘齿齿引引起起磁磁通通量量变变化化，在在线线圈圈中中感感应应出出交交流流电电压压, ,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

21、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，传传感感器器可可以以将将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。转轴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 ut信号频信号频率率=齿数齿数转数转数第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器6.1 6.1 6.1 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 6

22、.1.4 6.1.4 6.1.4 6.1.4 应用应用应用应用传感器原理及应用传感器原理及应用2.2.磁电式转速传感器磁电式转速传感器 使探头对准测速齿轮的中部，调节探头与齿顶的距离为使探头对准测速齿轮的中部，调节探头与齿顶的距离为1mm1mm。 测得的传感器输出信号脉冲的频率就可以计算出测速齿轮的转速。测得的传感器输出信号脉冲的频率就可以计算出测速齿轮的转速。 设齿轮齿数为设齿轮齿数为N N，脉冲频率为，脉冲频率为f f， 转速为：转速为：n = f/N n = f/N 磁电转速传感器的工作方式磁电转速传感器的工作方式 转速的单位是转速的单位是转转/ /分钟分钟，所，所以要再乘以以要再乘以6

23、060，才是转速数据，才是转速数据，即即 n nz z= 60f/N= 60f/N 在使用在使用6060齿齿的发讯齿轮时，的发讯齿轮时，就可以得到一个简单的转速公就可以得到一个简单的转速公式式 n=fn=f。所以可用频率计测量。所以可用频率计测量转速。这就是在工业中转速测转速。这就是在工业中转速测量中齿轮多为量中齿轮多为6060齿的原因。齿的原因。第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器6.1 6.1 6.1 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 6.1.4 6.1.4 6.1.4

24、 6.1.4 应用应用应用应用传感器原理及应用传感器原理及应用3.3.机械振动监测机械振动监测 机机械械振振动动监监视视系系统统是是监监测测飞飞机机在在飞飞行行中中发发动动机机振振动动变变化化趋趋势势的的系系统统。磁磁电电式式振振动动传传感感器器固固定定在在发发动动机机上上，直直接接感感受受发发动动机机的的机机械械振振动动，并并输输出正比于振动速度的电压信号。出正比于振动速度的电压信号。 因因传传感感器器接接收收飞飞机机上上各各种种频频率率的的振振动动信信号号，必必须须经经滤滤波波电电路路将将其其它它频频率率信信号号衰衰减减后后，才才可可能能准准确确测测量量出出发发动动机机的的振振动动速速度度

25、。当当振振动动量量超超过过规规定值时，发出报警信号，飞行员可随时采取紧急措施，避免事故发生。定值时，发出报警信号，飞行员可随时采取紧急措施，避免事故发生。传传感感器器滤波滤波放大放大检波检波告警告警电路电路告警告警显示器显示器机械振动监视系统原理框图机械振动监视系统原理框图u ut第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器6.1 6.1 6.1 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 6.1.4 6.1.4 6.1.4 6.1.4 应用应用应用应用传感器原理及应用传感器原理及应用4.4

26、.加速度和速度传感器振动测量加速度和速度传感器振动测量 转子底座的振动可采用加速度传感器和速度传感器两种方式进行测量。转子底座的振动可采用加速度传感器和速度传感器两种方式进行测量。将带有磁座的加速度和速度传感器放置在试验台的底座上，将传感器的输将带有磁座的加速度和速度传感器放置在试验台的底座上，将传感器的输出经变送器接采集通道，输入到计算机中。出经变送器接采集通道，输入到计算机中。加速度和速度传感器振动测量 工程上可采用工程上可采用频谱分析频谱分析识别信号中的周期识别信号中的周期分量，通过测量的振动信号进行频谱分析，分量，通过测量的振动信号进行频谱分析，确定最大幅值的频率分量，然后找出故障。确

27、定最大幅值的频率分量，然后找出故障。大型空气压缩机传动装置故障诊断案例示意图大型空气压缩机传动装置故障诊断案例示意图6.1 6.1 6.1 6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 6.1.4 6.1.4 6.1.4 6.1.4 应用应用应用应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 磁电式振动传感器的特点：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基准准参参考考，可可直直接装在被

28、测体上，适合作机械振动测量、转速测量。接装在被测体上，适合作机械振动测量、转速测量。 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，直直接接将将机机械械能能转转化化为为电能输出。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。 输输出出功功率率大大，稳稳定定可可靠靠，可可简简化化二二次次仪仪表表，但但传传感感器器尺尺寸寸大大、重重，频频率率响响应应低低，通通常常在在1010100Hz100Hz。输输出出阻阻抗抗低低几几十十几几千千欧欧，对对后后置置电路要求低，干扰小。电路要求低，干扰小。v 航空航天

29、发动机等设备的振动实验；航空航天发动机等设备的振动实验；v 兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射；兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射；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。6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁磁磁磁电式传感器电式传感器电式传感器电式传感器 霍尔传感器是一种磁霍尔传感器是一种磁敏元件，主要用于磁场敏元件，主要用于磁场检测检测; ; 而与人们相关的磁而与人们相关的磁场范围很宽，一般的磁场范围很宽

30、，一般的磁敏传感器检测的最低磁敏传感器检测的最低磁场只能测到场只能测到1010-6-6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6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁磁磁磁电式传感器电式传感器电式传感器电式传感器 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）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；如：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、霍尔元件测量磁场利用磁敏电阻、磁敏二极管

31、、霍尔元件测量磁场； 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。 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；随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，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。微型化和集成化方向发展。概述概述概述概述传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 霍尔霍尔霍尔霍尔传感器属于磁敏元件，传感器属于磁敏元件，传感器属

32、于磁敏元件，传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换磁敏元件也是基于磁电转换磁敏元件也是基于磁电转换磁敏元件也是基于磁电转换 原理，原理，原理，原理，磁敏传感器是把磁敏传感器是把磁敏传感器是把磁敏传感器是把磁学物理量磁学物理量磁学物理量磁学物理量转换成电信号。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， 目前广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等目前广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等目前广

33、泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等目前广泛用于自动控制、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、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6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 霍尔效应霍尔效应霍尔

34、效应霍尔效应传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 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，在在垂垂直直方方向向施施加加磁磁感感强强度度的的磁磁场场，在在导导体体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动势势U UH H ，这这种种现现象象称称霍霍尔尔效应效应。电动势为。电动势为18781878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因年美国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

35、用。随着半导体技术的发展，人们发现半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，并且体积小有利于集成化。导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传感器基于霍尔传感器基于霍尔效应霍尔效应6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 在在磁磁场场作作用用下下导导体体中中的的自自由由电电子子做做定定向向运运动动。每每个个电电子

36、子受受洛洛仑仑兹兹力力作作用用被被推推向向导导体体的的另另一侧：一侧： 式中霍尔电场强度为式中霍尔电场强度为 霍尔电场作用于电子的力霍尔电场作用于电子的力第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器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传感器原理及应用传感器原理及应用当两作用力相等时电荷不再向两边积累达到动态平衡：当两作用力相等时电荷不再向两边积累达到动态平衡：u 通过（半）导体薄片的通过（半）导体薄片的电流电流 I与下列因素有关：与下列因

37、素有关：霍尔电势：霍尔电势： n n 载流子浓度载流子浓度， v v 电子运动速度电子运动速度， b d b d 导体薄片横截面积导体薄片横截面积 ， e e 为电子电荷量。为电子电荷量。第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器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传感器原理及应用传感器原理及应用代入后：代入后：与薄片尺寸有关与薄片尺寸有关与材料有关与材料有关霍尔灵敏度霍尔灵敏度霍尔常数霍尔常数式中：式中：电阻率、电阻率、nn电子浓度、

38、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。 可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器 讨论：讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件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

39、霍尔元件; ; 金属材料金属材料因电子浓度因电子浓度n n很高，很高，R RH H很小，很小，U UH H很小很小; ; 绝缘材料绝缘材料电阻率电阻率很大，但电子迁移率很大，但电子迁移率很小，不适用；很小，不适用； 半导体材料半导体材料电阻率电阻率较大，电子迁移率较大，电子迁移率适中，非常适于做霍尔元件；适中，非常适于做霍尔元件； 半导体中半导体中电子电子迁移率一般大于迁移率一般大于空穴空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用的迁移率，所以霍尔元件多采用N N型型 半导体（多电子）半导体（多电子）; ; 由霍尔灵敏度可见，由霍尔灵敏度可见，厚度厚度d d 越小霍尔灵敏度越小霍尔灵敏度K KH H越大，

40、所以霍尔元件通常越大，所以霍尔元件通常 做的较薄，近似做的较薄，近似1 1微米微米( d1m )( d1m )，工作电压很低工作电压很低。6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器霍尔元件外形和符号霍尔元件外形和符号 6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器6.2.2 6.2.2 6.2.2

41、 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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁磁磁磁电式传感器电式传感器电式传感器电式传感器 霍尔晶体的外形为矩形薄片霍尔晶体的外形为矩形薄片, ,有四根引线，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，R RL L为负载电阻为负载电阻 ； 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 IB 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；

42、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U UH H与与I I或或B B成正比关系，成正比关系， 或与或与 I IB B 成正比关系。成正比关系。6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 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

43、电电势势 U UH H=0=0, , 但但实实际际 U UH H00，这这时时测测得得的的空空载载电电势势称称不等位电势不等位电势 U U0 0 。 产生的原因：产生的原因：霍尔引出电极安装不对称不在霍尔引出电极安装不对称不在同一等位面上，或激励电极接同一等位面上，或激励电极接触不良。触不良。半导体材料不均匀，几何尺半导体材料不均匀，几何尺寸不均匀，造成电阻率不均寸不均匀，造成电阻率不均匀。匀。(1) (1) 不等位电势不等位电势6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器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

44、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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 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不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出，初始有不平衡输出，U U0 000，可在电阻大的桥，可在电阻大的桥臂上并联电阻。臂上并联电阻。不等位电势可表示为不等位电势可表示为 U U0 0 = r = r0 0 I IH H r r0 0为不等位电阻为不等位电阻6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器

45、霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器霍霍尔尔元元件件是是半半导导体体元元件件，它它的的许许多多参参数数与与温温度度有有关关。当当温温度度变变化化时时，载载流流子子浓浓度度n n、迁迁移移率率、电电阻阻率率，霍尔系数霍尔系数R RH H都会变化。都会变化。(2) (2) 温度误差及补温度误差及补偿偿多数霍尔器件是多数霍尔器件是正温度系数正温度系数，T K

46、T KH H ，可通过减小，可通过减小 I I 保持保持 K KH HI I 不变，抵消温度造成不变，抵消温度造成K KH H增加的影响。增加的影响。灵敏度与温度系数关系灵敏度与温度系数关系 恒流源补偿：恒流源补偿： 由由 U UH H = K = KH H I B I B 可见，恒流源可见，恒流源 I I 供电可使供电可使U UH H稳定，稳定， 但灵敏度系数但灵敏度系数 K KH H = R = RH H/d = /d = /d/d 也是温度的函数，也是温度的函数， 温度温度T T变化时，灵敏度变化时，灵敏度K KH H也变化。也变化。6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感

47、器霍尔式传感器霍尔式传感器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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 具体补偿方法具体补偿方法: :在霍尔元件上并联一分流电阻在霍尔元件上并联一分流电阻R Rp pI IH H R RININ当当T TI IP PU UH H由于恒流源电流由于恒流源电流I I不变，不变，R Rp p自动增加分流，使自动增加分流，使I Ip p增大，增大， I IH H 下降，下降，U UH H下降；补偿电阻下

48、降；补偿电阻R Rp p可选择负温度系数可选择负温度系数. .I IH HR RP PT TI IP PU UH H6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 位移测量位移测量 测转速测转速 测磁场测磁场 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 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传

49、感器霍尔式传感器霍尔式传感器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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器1.1.霍尔传感器位移测量原理霍尔传感器位移测量原理 6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式

50、传感器2.2.霍尔压力传感器结构原理霍尔压力传感器结构原理 6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器3.3.交直流钳形数字电流表交直流钳形数字电流表 霍尔元件的磁感应强度与导线电流霍尔元件的磁感应强度与导线电流 成正比，成正比，B IB IX X，可求出测量电路的霍尔可求出测量电路的霍尔输出电势，输出电势与导线电流成正比。输出电势，输出

51、电势与导线电流成正比。 H H = K = KH HC C B = K B = KH HC CK KB BI IX X 霍尔元件灵敏度；霍尔元件灵敏度；C C 控制电流控制电流, , X X为导线电流；为导线电流； K KB B 为比例系数；为比例系数；K KH Hc Kc KB B 为一定值；为一定值； 环形环形磁集束器磁集束器作用是将载流导体中被作用是将载流导体中被测电流产生的磁场集中到霍尔元件上，测电流产生的磁场集中到霍尔元件上，以提高灵敏度。以提高灵敏度。霍尔元件霍尔元件磁集束器磁集束器导线电流导线电流 IX钳口钳口6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍

52、尔式传感器6.2.5 6.2.5 6.2.5 6.2.5 霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器 线性、开关线性、开关线性、开关线性、开关传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器1.1.线性霍尔集成电路线性霍尔集成电路( (测位移、测振动测位移、测振动) ) 输出电压在一定范围与磁感应强度输出电压在一定范围与磁感应强度B B成线性关系，四端输出成线性关系，四端输出6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器6.2.5 6.2.5 6.2.5 6.2.5 霍尔集成传感器霍尔

53、集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器2.2.开关型集成器件开关型集成器件( (测转速、开关控制、判断测转速、开关控制、判断N SN S极性极性) ) 输出两种状态输出两种状态H H、L L，高低电平转换的磁场强度高低电平转换的磁场强度B B不同不同 BB、BB形成形成切换回差切换回差, ,这是位置式作用传感器的特点这是位置式作用传感器的特点, , 作无触点开关时可防止干扰引起的误动作作无触点开关时可防止干扰引起的误动作 。 开关型有开关型有常开常开、常闭常闭型两种型两种霍尔开关元件性

54、能演示霍尔开关元件性能演示6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器6.2.5 6.2.5 6.2.5 6.2.5 霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 TTL COMS LED TTL COMS LED集成霍尔元件及接口电路集成霍尔元件及接口电路3. 3. 应用应用 6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器6.2.5 6.2.5 6.2.5 6.2.5 霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集

55、成传感器霍尔集成传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器 霍尔元件作无触点开关霍尔元件作无触点开关6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.5 6.2.5 6.2.5 6.2.5 霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器霍尔元件和磁体运动方式霍尔元件和磁体运动方式霍尔元件和磁体运动方式霍尔元件和磁体运动方式6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感

56、器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.5 6.2.5 6.2.5 6.2.5 霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器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应用应用6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.5 6.2.5 6.2.5 6.2.5 霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第

57、6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器应用：应用：汽汽车车转转速速测测量量?实典型信号的相关分析典型信号的相关分析6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.5 6.2.5 6.2.5 6.2.5 霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器应用：计数电路应用：计数电路利用霍尔元件实现的编码计利用霍尔元件实现的编码计数典型电路。（晶体管、集成数典型电路。（晶体管、集成电路）。电路）。 随磁鼓上永久

58、磁体的极性随磁鼓上永久磁体的极性（N N、S S）变化，霍尔元件）变化，霍尔元件c c、d d端输出电压的极性（正、负）端输出电压的极性（正、负）也发生变化，通过整形输出，也发生变化，通过整形输出，获得近似矩形的脉冲信号。获得近似矩形的脉冲信号。根据磁鼓上永久磁体数量多根据磁鼓上永久磁体数量多少，可获得磁鼓旋转一周的脉少，可获得磁鼓旋转一周的脉冲数目，从而进行与旋转有关冲数目，从而进行与旋转有关的参数测量和控制。的参数测量和控制。6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器6.2.5 6.2.5 6.2.5 6.2.5 霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传

59、感器霍尔集成传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器应用应用 ：天然气点火电路（无触点开关）天然气点火电路（无触点开关）磁钢远离霍尔元件时磁钢远离霍尔元件时VT1导通，高压无输出导通，高压无输出6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器6.2.5 6.2.5 6.2.5 6.2.5 霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔

60、式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器6.2.5 6.2.5 6.2.5 6.2.5 霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器应用应用 ：霍尔计数装置：霍尔计数装置 传感器可输出峰值传感器可输出峰值20mV20mV脉冲电压脉冲电压NS霍尔元件霍尔元件钢珠钢珠绝缘传送带绝缘传送带磁钢磁钢信号输出信号输出+ V+ VCCCCC 22C 22VTVT11K11KS N计数器计数器LM741SL3051+ 12V+ 12V470K470K470K470K1K1K10K10

61、K6.2 6.2 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器6.2.5 6.2.5 6.2.5 6.2.5 霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器霍尔集成传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器应用应用工位定位：工位定位： 使用霍尔传感器进行定位，霍尔传感器在检测到磁钢经使用霍尔传感器进行定位，霍尔传感器在检测到磁钢经过传感器探头时，磁场的变化会使传感器输出脉冲信号。过传感器探头时，磁场的变化会使传感器输出脉冲信号。 利用霍尔传感器的这一特性，我们将磁钢安装在自动化利用霍尔传感器的这一特性，我

62、们将磁钢安装在自动化生产流水线某几个特定的链板上，这样，当这些安装有磁生产流水线某几个特定的链板上，这样，当这些安装有磁钢的链板经过传感器探头时，传感器就会钢的链板经过传感器探头时，传感器就会“认出认出”这些链这些链板。板。 6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器n 磁磁敏敏元元件件也也是是基基于于磁磁电电转转换换原原理理,60,60年年代代西西门门子子公公司司研研制制了了第第一一个个磁磁敏敏元元件件,68,68年年索索尼尼公公司司研研制制成成磁磁敏敏

63、二二极极管管, ,目前磁敏元件应用广泛。目前磁敏元件应用广泛。磁敏元件磁敏传感器主要有：磁敏传感器主要有：磁敏电阻；磁敏电阻；磁敏二极管；磁敏二极管；磁敏三极管；磁敏三极管；霍尔式磁敏传感器。霍尔式磁敏传感器。6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.1 6.3.1 6.3.1 6.3.1 磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 磁磁阻阻效效应应：载载载载流流流流导导导导体体体体置置置置于于于于磁磁磁磁场场场场中中中中, , , ,除除除除了了了了产产产

64、产生生生生霍霍霍霍尔尔尔尔效效效效应应应应外外外外, , , ,导导导导体体体体中中中中载载载载流流流流子子子子因因因因受受受受洛洛洛洛仑仑仑仑兹兹兹兹力力力力作作作作用用用用要要要要发发发发生生生生偏偏偏偏转转转转, , , ,载载载载流流流流子子子子运运运运动动动动方方方方向向向向的的的的偏偏偏偏转转转转使使使使电电电电流流流流路路路路径径径径变变变变化化化化，起起起起到到到到了了了了加加加加大大大大电电电电阻阻阻阻的的的的作作作作用，磁场越强增大电阻的作用越强。用，磁场越强增大电阻的作用越强。用，磁场越强增大电阻的作用越强。用，磁场越强增大电阻的作用越强。0 0 0 0 零磁场电阻率，零

65、磁场电阻率，零磁场电阻率，零磁场电阻率， B B B B B B B B磁场电阻磁场电阻磁场电阻磁场电阻率率率率vv 外加磁场使导体外加磁场使导体外加磁场使导体外加磁场使导体( ( ( (半导体半导体半导体半导体) ) ) )电阻随磁场增加而增大的现电阻随磁场增加而增大的现电阻随磁场增加而增大的现电阻随磁场增加而增大的现象称象称象称象称 磁阻效应磁阻效应磁阻效应磁阻效应。 磁阻效应表达式为磁阻效应表达式为磁阻效应表达式为磁阻效应表达式为6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.1 6.3.1 6.3.1 6.3.1 磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻传感器原

66、理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.1 6.3.1 6.3.1 6.3.1 磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻传感器原理及应用传感器原理及应用 而而霍霍尔尔电电场场作作用用会会抵抵消消洛洛伦伦兹兹力力, ,磁磁阻阻效效应应被被大大大大减减弱弱, ,但但仍仍然然存存在在。由由于于霍霍尔尔电电场场强强度度与与导导体体薄薄片片的的宽宽度度b b成成反反比比关关系系，所以所以磁阻元件

67、的电阻率与几何尺寸有关磁阻元件的电阻率与几何尺寸有关：长方形样品长方形样品 扁条状长形扁条状长形 圆盘样品圆盘样品电阻变化很小电阻变化很小 磁阻变化明显磁阻变化明显 不产生霍尔电场不产生霍尔电场6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.1 6.3.1 6.3.1 6.3.1 磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁磁磁磁电式传感器电式传感器电式传感器电式传感器 长方形样品：霍尔电场作用长方形样品：霍尔电场作用长方形样品：霍尔电场作用长方形样品：霍尔电场作用F F F FH H H H, , , ,电阻

68、变化很小。电阻变化很小。电阻变化很小。电阻变化很小。 扁条状长形：霍尔电势扁条状长形：霍尔电势扁条状长形：霍尔电势扁条状长形：霍尔电势 E E E EH H H H 很小电流磁场作用偏转厉害效应明显。很小电流磁场作用偏转厉害效应明显。很小电流磁场作用偏转厉害效应明显。很小电流磁场作用偏转厉害效应明显。 圆圆圆圆盘盘盘盘样样样样品品品品：外外外外加加加加磁磁磁磁场场场场时时时时，电电电电流流流流以以以以螺螺螺螺旋旋旋旋形形形形路路路路径径径径指指指指向向向向外外外外电电电电极极极极，路路路路径径径径增增增增大大大大电电电电阻阻阻阻增增增增加加加加。在在在在圆圆圆圆盘盘盘盘中中中中任任任任何何何何

69、地地地地方方方方都都都都不不不不会会会会积积积积累累累累电电电电荷荷荷荷也也也也不不不不会会会会产产产产生生生生霍霍霍霍尔尔尔尔电电电电场，磁阻效应明显。场，磁阻效应明显。场，磁阻效应明显。场，磁阻效应明显。长方形L L L Lb b b bvv为了消除霍尔电场影响，获得大的磁阻效应为了消除霍尔电场影响，获得大的磁阻效应为了消除霍尔电场影响，获得大的磁阻效应为了消除霍尔电场影响，获得大的磁阻效应, , , ,一般将磁敏一般将磁敏一般将磁敏一般将磁敏电阻制成圆形或扁条长方形，并且磁敏元件需满足电阻制成圆形或扁条长方形，并且磁敏元件需满足电阻制成圆形或扁条长方形，并且磁敏元件需满足电阻制成圆形或扁

70、条长方形，并且磁敏元件需满足 L/b 1L/b 16.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.1 6.3.1 6.3.1 6.3.1 磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁磁磁磁电式传感器电式传感器电式传感器电式传感器磁磁敏敏电电阻阻与与霍霍尔尔元元件件属属同同一一类类, ,都都是是磁磁电电转转换换元元件件, ,本本质质不不同同是是磁磁敏敏电电阻阻没没有有判判断断极极性性的的能能力力, ,只只有有与与辅辅助助材材料料( (磁铁磁铁) )并用才具有识别磁极的能力并用才具有识别磁极的能力. . 磁敏电阻的

71、输出特性磁敏电阻的输出特性例例：磁磁阻阻图图形形识识别别传传感感器器BS05A1HFAABS05A1HFAA检检测测电电路路，工工作作电电压压5V5V，输输出出，被被测测物物体体3mm3mm，可可测测磁磁性性齿齿轮轮，磁磁性性墨墨水水，磁磁性性条条形形码码，磁磁带带，识识别别有有机机磁磁性性（自自动动售售货机）。货机）。 磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.1 6.3.1 6.3.1 6.3.1 磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁磁磁磁电式传感器电式传感器电式传

72、感器电式传感器 无无偏偏置置磁磁场场时时, ,检检测测磁磁场场不不能能判判别别磁磁性性；输输出出弱弱磁磁场场时时磁磁阻阻与与磁磁场关系为：场关系为： R =RR =R0 0（1+MB1+MB2 2）R R0 0为零磁场内阻；为零磁场内阻；M M为零磁场系数；为零磁场系数； 外外加加偏偏置置磁磁场场时时磁磁阻阻具具有有极极性性，相相当当在在检检测测磁磁场场外外加加了了偏偏置置磁磁场场，工工作作点点移移到到线线性性区区，磁磁极极性性也也作作为为电电阻阻值值变变化化表表现现出出来来，这这时时电电阻值的变化为：阻值的变化为： R = RR = RB B（1+MB1+MB）R RB B为为加偏置磁场电阻

73、加偏置磁场电阻偏置磁铁偏置磁铁R RM M6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.1 6.3.1 6.3.1 6.3.1 磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁磁磁磁电式传感器电式传感器电式传感器电式传感器 在自动测量技术中有许多微小磁信号需要检测，如录音机、在自动测量技术中有许多微小磁信号需要检测，如录音机、录像机的磁带，防伪纸币、票据、信用（磁）卡上用的磁性录像机的磁带，防伪纸币、票据、信用（磁）卡上用的磁性油墨等。油墨等。 利用三端差分型磁敏电阻做成磁头检测微弱信号，又称为利用三端差分型磁敏

74、电阻做成磁头检测微弱信号，又称为图形识别器。图形识别器。MS-F-06MS-F-06型磁敏传感器为日本产型磁敏传感器为日本产InSbInSb（锑化铟）（锑化铟）图形识别传感器的等效电路与外部结构及传感器的电阻值与图形识别传感器的等效电路与外部结构及传感器的电阻值与磁感应强度关系曲线；磁感应强度关系曲线；6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.1 6.3.1 6.3.1 6.3.1 磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁磁磁磁电式传感器电式传感器电式传感器电式传感器由特性曲线图中可见，由特性曲线图中

75、可见，R=0R=0时为时为，当磁感应强度，当磁感应强度B B为为时，时，电阻电阻R RB B约为约为2.4 2.4 kk，有较好的磁灵敏度。，有较好的磁灵敏度。这种传感器主要用于识别磁性墨水的图形和文字，磁迹信这种传感器主要用于识别磁性墨水的图形和文字，磁迹信号阅读电路原理示意图如图所示。磁图形识别传感器由磁敏号阅读电路原理示意图如图所示。磁图形识别传感器由磁敏元件，放大整形检测电路组成，磁敏电阻工作电压元件，放大整形检测电路组成，磁敏电阻工作电压5V5V，输出，输出，被检测物体的距离被检测物体的距离3mm3mm。6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.

76、1 6.3.1 6.3.1 6.3.1 磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁磁磁磁电式传感器电式传感器电式传感器电式传感器6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.1 6.3.1 6.3.1 6.3.1 磁敏电阻器磁敏电阻器磁敏电阻器磁敏电阻器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁磁磁磁电式传感器电式传感器电式传感器电式传感器 由于磁墨的磁场强度较弱，根据磁阻元件特性需要加偏置磁由于磁墨的磁场强度较弱，根据磁阻元件特性需要加偏置磁场，使磁敏电阻工作在线性区域。磁敏电阻应用

77、时一般采用恒场，使磁敏电阻工作在线性区域。磁敏电阻应用时一般采用恒压源驱动，分压输出，三端差分型电路有较好的温度特性。压源驱动，分压输出，三端差分型电路有较好的温度特性。这种磁敏传感器呈纯电阻特性，输出信号的变化按字迹间距这种磁敏传感器呈纯电阻特性，输出信号的变化按字迹间距变化出现，可测磁性齿轮，磁性墨水，磁性条形码，磁带，可变化出现，可测磁性齿轮，磁性墨水，磁性条形码，磁带，可识别有机磁性（自动售货机）等。识别有机磁性（自动售货机）等。 6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2 磁敏晶体管磁敏晶体管磁敏晶体管磁敏晶

78、体管 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 特点：长特点：长“基区基区” PIPI为掺杂区，本征区为掺杂区，本征区I I长度较长构成高阻半导体；长度较长构成高阻半导体； 工工作作过过程程：磁磁敏敏二二极极管管在在长长“基基区区”的的一一侧侧面面设设置置了了复复合合区区r r，r r面面是是个个粗糙面粗糙面截流子复合速度非常高，截流子复合速度非常高，r r区对面是复合率很小的区对面是复合率很小的光滑面光滑面。 外加正向电压时，空穴、电子同时注入外加正向电压时，空穴、电子同时注入I I区（双二极管）区（双二极管）v 无磁场无

79、磁场 B=0 B=0 时大部分时大部分P P区空穴注入区空穴注入N N区，区，N N区电子注入区电子注入P P区形成电流；区形成电流；v 加正向磁场时，由于洛仑磁力作用，空穴电子偏向加正向磁场时，由于洛仑磁力作用，空穴电子偏向r r区，并在区，并在r r区很快区很快 复合复合 ，I I区载流子减小区载流子减小 ，电流减小，电流减小 ，相当于电阻增加压降增加，相当于电阻增加压降增加 ；v 加反向磁场时，空穴电子偏向加反向磁场时，空穴电子偏向r r区背面，复合减少，区背面，复合减少，I I区载流子增区载流子增 加加 ，相当电阻减小，相当电阻减小 电流增加电流增加 ，压降减小，压降减小 。（1）磁敏

80、二极管（）磁敏二极管（锗管锗管2ACM2ACM，硅管，硅管2DCM2DCM）6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2 磁敏晶体管磁敏晶体管磁敏晶体管磁敏晶体管 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 在正向磁场在正向磁场 作用下电阻大作用下电阻大 ，电流小，电流小 在负向磁场在负向磁场 作用下电阻小作用下电阻小 ，电流大，电流大 在磁场作用下，磁敏二极管灵敏度大大提高。在磁场作用下，磁敏二极管灵敏度大大提高。 输出电压与外加磁场的关系叫磁敏二极管

81、的输出电压与外加磁场的关系叫磁敏二极管的磁磁电特性电特性， 磁敏二极管具有磁敏二极管具有正反磁灵敏度正反磁灵敏度，这是磁阻元件欠缺的。，这是磁阻元件欠缺的。 但正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度，需互补使用，对臂相同、但正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度，需互补使用，对臂相同、 邻臂相反。邻臂相反。UUB BE ED D1 1D D2 2D D3 3D D4 4U U0 06.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2 磁敏晶体管磁敏晶体管磁敏晶体管磁敏晶体管传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁

82、电式传感器式传感器式传感器式传感器以锗管以锗管NPNNPN型为例：型为例： 磁磁敏敏三三极极管管也也是是以以长长基基区区为为特特征征，有有两两个个PNPN结结，发发射射极极与与基基极极之之间间的的PN PN 结结由由长长基基区区二二极极管管构构成成，有一个高复合区，集电极电流大小与磁场有关。有一个高复合区，集电极电流大小与磁场有关。 （2）磁敏三极管）磁敏三极管6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2 磁敏晶体管磁敏晶体管磁敏晶体管磁敏晶体管传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁

83、电式传感器式传感器式传感器式传感器v加正向磁场加正向磁场 ，载流子偏向高复合区，集电极电流减小；，载流子偏向高复合区，集电极电流减小；v加反向磁场加反向磁场 ，载流子背向高复合区，集电极电流，载流子背向高复合区，集电极电流IcIc增加；增加；v当基极电流一定，靠外加磁场可以改变集电极电流，这是当基极电流一定，靠外加磁场可以改变集电极电流，这是与普通三极管不同之处；与普通三极管不同之处；v由于长基区大于扩散长度，所以发射极电流增益由于长基区大于扩散长度，所以发射极电流增益1 1，但但集电极电流有很高的磁灵敏度。集电极电流有很高的磁灵敏度。（2）磁敏三极管）磁敏三极管6.3 6.3 6.3 6.3

84、 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2 磁敏晶体管磁敏晶体管磁敏晶体管磁敏晶体管传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 位移测量位移测量 磁磁敏敏二二极极管管组组成成电电桥桥，磁磁铁铁处处于于磁磁敏敏元元件件之之间间，中中间间位位置置时时输输出出电电压压U U0 0=0=0；位位移移时时两两磁磁敏敏元元件件感感受受的的磁磁场场强强度度不不同同，R RD1D1RRD3D3，电电桥桥失失衡衡，输输出出与与位位移移有有关关。位位移移方方向向相相反反输输出出极极性变化，可判别位移大

85、小和方向。性变化，可判别位移大小和方向。E ED D1 1D D2 2D D3 3D D4 4U U0 0SN 涡流流量计涡流流量计 液体流动时，涡轮转动，流速与转速成正液体流动时，涡轮转动，流速与转速成正比，磁敏晶体管检测到磁性涡轮周期变化近比，磁敏晶体管检测到磁性涡轮周期变化近似正弦波波形，频率与齿轮的转速成正比。似正弦波波形，频率与齿轮的转速成正比。 频率频率转速转速流量流量磁性齿轮磁性齿轮传感器传感器（3）磁敏晶体管的应用）磁敏晶体管的应用 HMCHMC系系列列是是美美国国霍霍尼尼威威尔尔（HoneywellHoneywell) )公公司司生生产产的的单单片片集集成成化化磁磁场场传传感

86、器，简称感器，简称 MRMR（磁敏电阻）磁敏电阻）传感器。传感器。 该该系系列列有有6 6种种型型号号：其其中中HMC1001HMC1001、1021D1021D、1021S1021S、1021Z1021Z为为单单轴轴磁磁场场传感器，传感器，HMC1002HMC1002、10221022属于属于双轴双轴磁场传感器磁场传感器。 单单轴轴磁磁场场和和双双轴轴磁磁场场传传感感器器配配套套使使用用，可可以以构构成成3 3轴轴（X X、Y Y、Z Z轴轴）磁磁场传感器，测量立体空间磁场。场传感器，测量立体空间磁场。 这这种种传传感感器器体体积积小小、灵灵敏敏度度高高、价价格格低低，可可用用于于地地球球磁

87、磁场场探探测测仪仪、导导航系统、磁疗设备以及自动化装置中。航系统、磁疗设备以及自动化装置中。 传感器内部有传感器内部有4 4只半导体磁敏电阻（只半导体磁敏电阻（HMC1001HMC1001典型值为典型值为850850）构成构成MRMR电桥，当受到外部磁场作用时桥臂电阻会发生变化，电桥，当受到外部磁场作用时桥臂电阻会发生变化，使电桥输出一个差分电压信号；使电桥输出一个差分电压信号； 灵敏度灵敏度：对磁场的敏感程度可达：对磁场的敏感程度可达3nT3nT，测量范围可达，测量范围可达610610-4-4T T（地球磁场仅为地球磁场仅为510510-5-5T T）。）。6.3 6.3 6.3 6.3 磁

88、敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.3 HMC6.3.3 HMC6.3.3 HMC6.3.3 HMC系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器1 12 23 34 45 56 67 78 8 HMC1001HMC1001（SIP-8SIP-8）封装）封装传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器HMCHMC系列磁场传感器工作原理系列磁场传感器工作原理 UBRUBR供电桥压供电桥压+5V+5V，GNDGND公共地；公共地； OUTOUT+ +、OUTOUT- -差分电压输出端；差分电压输

89、出端； OFFSETOFFSET+ +、OFFSETOFFSET- -为内部补偿线圈引线，为内部补偿线圈引线，表示电流极性表示电流极性 ； S/RS/R+ +、S/RS/R- -为置位、复位线圈引出端，为置位、复位线圈引出端， 改变电流的极性可分别实现置位、复位；改变电流的极性可分别实现置位、复位； 图中小尖头代表图中小尖头代表MRMR传感器灵敏度的方向传感器灵敏度的方向。 双轴磁场传感器的引脚图中，芯片内部双轴磁场传感器的引脚图中，芯片内部有有A A、B B两组两组MRMR传感器适合测量平面磁场。传感器适合测量平面磁场。6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器

90、6.3.3 HMC6.3.3 HMC6.3.3 HMC6.3.3 HMC系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器1 12 23 34 45 56 67 78 8 HMC1001 SIP-8封装S/R+S/R+OFFSET+OFFSET+S/R-S/R-GNDGNDOUT+OUT+OFFSET-OFFSET-UBRUBROUT-OUT- HMC1022HMC1022SOIC-16SOIC-16封装封装1 12 23 34 45 56 67 78 816161515141413131212111110 10 9 9A AB BYX传感器原理及应用传感器原理及应用第第

91、第第6 6 6 6章章章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器 HMCHMC系列磁场传感器工作原理系列磁场传感器工作原理 以以HMCHMC 1001 1001为例为例 HMC1001HMC1001内部电路框图包括集成工艺制成的内部电路框图包括集成工艺制成的MRMR电桥，两电桥，两个带绕式线圈，个带绕式线圈， 一个一个补偿线圈补偿线圈可等效于可等效于的标称电阻的标称电阻; ; 另一个是另一个是置位置位/ /复位线圈复位线圈，等效，等效的标称电阻。的标称电阻。6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.3 HMC6.3.3 HMC6.3.3 HMC

92、6.3.3 HMC系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器HMC1001MR电桥 R RR RR RR RUBRUBROUT+OUT+OUT-OUT-GNDGND OFFSET+OFFSET+OFFSET-OFFSET-S/R+S/R+S/R-S/R-补偿线圈 置位/复位线圈 YX传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器 当线圈上有电流通当线圈上有电流通过时，所产生的磁场过时，所产生的磁场就耦合到就耦合到MRMR电桥上。电桥上。这两个线圈具有磁场这两个线圈具有磁场信号信号调理调理功能。功能。

93、 HMCHMC系列磁场传感器工作原理系列磁场传感器工作原理 以以HMCHMC 1001 1001为例为例6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.3 HMC6.3.3 HMC6.3.3 HMC6.3.3 HMC系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器 接入电源后，传感器能接入电源后，传感器能测量沿水平轴方向的环境测量沿水平轴方向的环境磁场或外加磁场；磁场或外加磁场； 外部磁场加到传感器时外部磁场加到传感器时改变磁敏电阻的电阻值，改变磁敏电阻的电阻值，产生变化率产生变化率R/RR/R，使，使MRMR输出电压随外部磁场信号输出电

94、压随外部磁场信号变化，配上数字电压表即变化，配上数字电压表即可测量磁场。可测量磁场。YX传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器补偿线圈补偿线圈可实现下述功能：可实现下述功能：1 1） 无检测磁场时无检测磁场时, ,补偿线圈上有电流通过，就形成补偿线圈上有电流通过，就形成X X轴方向轴方向的磁场（敏感方向），利用这个磁场可以的磁场（敏感方向），利用这个磁场可以抵消环境磁场抵消环境磁场（地磁）的影响。（地磁）的影响。因为补偿电流从因为补偿电流从- -端流向端流向+ +端时补偿线圈产生一个与原磁场端时补偿线圈产生一个与原磁场方

95、向相反的磁场；方向相反的磁场；25mA25mA电流产生磁通电流产生磁通510510-5-5T T 使原磁场减使原磁场减弱，只要合理选择调节补偿电流弱，只要合理选择调节补偿电流I IOFFSETOFFSET值就可以完全抵消值就可以完全抵消环境磁场和铁磁性物质对测量的影响。环境磁场和铁磁性物质对测量的影响。6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.3 HMC6.3.3 HMC6.3.3 HMC6.3.3 HMC系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器2 2）补偿线圈可作为闭环反馈元件，消除待测磁场的影响；补偿线圈可作为闭环反馈元

96、件，消除待测磁场的影响；3 3）补偿线圈用于）补偿线圈用于MRMR电桥自动校准；电桥自动校准；4 4）当环境温度变化时，）当环境温度变化时，MRMR传感器的灵敏度会变化，利用补偿传感器的灵敏度会变化，利用补偿线圈可检测沿灵敏轴方向的灵敏度。线圈可检测沿灵敏轴方向的灵敏度。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器置位置位/ /复位线圈：复位线圈：该线圈主要作用是在测量磁场时能保持该线圈主要作用是在测量磁场时能保持MRMR传感器的高灵敏度特性传感器的高灵敏度特性当被测弱磁场受到一个强磁场干扰时，当被测弱磁场受到一个强磁场干扰时

97、，MRMR传感器的输出信传感器的输出信号有可能被干扰信号所淹没，造成输出信号丢失。为减小号有可能被干扰信号所淹没，造成输出信号丢失。为减小这种影响并使输出信号最大化，需要利用置位这种影响并使输出信号最大化，需要利用置位/ /复位线圈。复位线圈。6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.3 HMC6.3.3 HMC6.3.3 HMC6.3.3 HMC系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器1.1.置位置位/ /复位线圈必须通过几安的复位线圈必须通过几安的脉冲电流，持续时间脉冲电流，持续时间2s 2s ；2.2.该线圈产生沿该线

98、圈产生沿Y Y轴方向的磁场，轴方向的磁场，这是这是MRMR最最不敏感的方向不敏感的方向；3.3.利用置位（或复位）可改变输利用置位（或复位）可改变输出极性。出极性。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.3 HMC6.3.3 HMC6.3.3 HMC6.3.3 HMC系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器1.0 0.5 0 0.5 1.00 B/101.0 0.5 0 0.5 1.00 B/10- -4 4T

99、T40402020 0 0-20-20-40-40-60-60-80-80置位曲线置位曲线复位曲线复位曲线U UO O/mV/mV 输出响应曲线输出响应曲线 当置当置/ /复位脉冲电流通过引脚复位脉冲电流通过引脚S/RS/R+ +时时, ,输出响应曲线斜率为正值输出响应曲线斜率为正值, ,反之反之为负值为负值, ,可改变输出电压的极性；可改变输出电压的极性；电流方向电流方向S S/R/R+ + S/RS/R- - 输出输出U UoSEToSET，电流方向电流方向S/RS/R- - S/RS/R+ +输出输出U UoRESEToRESET 输出电压差值能消除温漂和非线输出电压差值能消除温漂和非线

100、性影响。性影响。U UO O=(U=(UOSETOSET-U-UORESETORESET)/2)/2 置位和复位曲线是对称的置位和复位曲线是对称的; ; 由于工艺使桥臂不可能完全一致由于工艺使桥臂不可能完全一致, ,可采用补偿技术使可采用补偿技术使MRMR电桥平衡电桥平衡. .具具体办法在输出之间跨接一只电阻体办法在输出之间跨接一只电阻, ,使零磁场时输出电压为零使零磁场时输出电压为零. .MR电桥 R RR RR RR RUBRUBROUT+OUT+OUT-OUT-GND GND OFFSET+ OFFSET+ OFFSET- OFFSET-S/R+S/R+S/R-S/R-补偿线圈 置位/复

101、位线圈 IOFFSET传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器HMCHMC系列磁场传感器应用系列磁场传感器应用 接近开关接近开关 HMC1001HMC1001接运放接运放AMP04AMP04（做比较器做比较器使用），构成接近开关电路，磁铁使用），构成接近开关电路，磁铁接近时接近时MRMR输出电压达到输出电压达到30mV30mV，使比使比较器翻转，输出变低较器翻转，输出变低LEDLED发光。可用发光。可用来检测位移、转速等非电量。来检测位移、转速等非电量。 特斯拉计特斯拉计 由由HMC1001/1002HMC1001/100

102、2构成系统，可测构成系统，可测量小于量小于10nT10nT的磁场，的磁场，S/RS/R脉冲电流幅脉冲电流幅度需大于度需大于4A4A。6.3 6.3 6.3 6.3 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器6.3.3 HMC6.3.3 HMC6.3.3 HMC6.3.3 HMC系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器系列集成磁场传感器7 7 8 85 54 4UBROUT+OUT-GNDAMP04磁铁磁铁LEDLED传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章

103、章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器课堂练习课堂练习 电机通断控制电路，电机通断控制电路，电机通断控制电路，电机通断控制电路，VTVTVTVT三极管功率驱动三极管功率驱动三极管功率驱动三极管功率驱动1A1A1A1A负载，负载，负载，负载，PT-525PT-525PT-525PT-525为开关型霍尔元件；为开关型霍尔元件；为开关型霍尔元件；为开关型霍尔元件； 叙述电路工作原理；叙述电路工作原理；叙述电路工作原理；叙述电路工作原理； 磁钢磁钢磁钢磁钢N N N N接近时霍尔元件导通（低），电机接近时霍尔元件导通（低），电机接近时霍尔元件导通（低），电机接近时霍尔元件导通（低），电机

104、M M M M的状态？的状态？的状态？的状态？ 磁磁磁磁钢远离时霍尔元件截止（高），电机钢远离时霍尔元件截止（高），电机钢远离时霍尔元件截止（高），电机钢远离时霍尔元件截止（高），电机M M M M的状态？的状态？的状态？的状态？D D4.7K4.7KPST-525MS N12V12V1.1K1.1KC C0.10.1VTVT传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第6 6 6 6章章章章磁电式磁电式磁电式磁电式传感器传感器传感器传感器本章要点：本章要点：磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 工作原理、工作原理、工作原理、工作原

105、理、 基本特性和应用；基本特性和应用；基本特性和应用；基本特性和应用；霍尔式传感器原理、霍尔传感器的应用、霍尔式传感器原理、霍尔传感器的应用、霍尔式传感器原理、霍尔传感器的应用、霍尔式传感器原理、霍尔传感器的应用、 霍尔集成传感器；霍尔集成传感器；霍尔集成传感器；霍尔集成传感器；磁敏传感器，磁敏传感器，磁敏传感器，磁敏传感器，磁敏电阻器、磁敏二极管、磁敏电阻器、磁敏二极管、磁敏电阻器、磁敏二极管、磁敏电阻器、磁敏二极管、 磁敏三极管。磁敏三极管。磁敏三极管。磁敏三极管。6.1 6.1 试述磁电感应式振动传感器的工作原理和结构形式。试述磁电感应式振动传感器的工作原理和结构形式。6.2 6.2 什

106、么是霍尔效应？霍尔元件常用材料有哪些？为什么不用什么是霍尔效应？霍尔元件常用材料有哪些？为什么不用 金属做霍尔元件材料？金属做霍尔元件材料？6.3 6.3 霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些？霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些？6.4 6.4 某一霍尔元件尺寸为某一霍尔元件尺寸为 沿沿L L方向通以电流，在垂直于方向通以电流，在垂直于L L和和b b的方向加有均匀磁场的方向加有均匀磁场B B，灵敏度为，灵敏度为22V(A.T)22V(A.T)，试求输出霍尔电势及载流子浓度。，试求输出霍尔电势及载流子浓度。思考题和习题思考题和习题6.5 6.5 试分析霍尔元件输出接有负载时，利用恒压源和输人回路

107、串试分析霍尔元件输出接有负载时，利用恒压源和输人回路串 联电阻进行温度补偿的条件。联电阻进行温度补偿的条件。6.6 6.6 霍尔元件灵敏度霍尔元件灵敏度 K KH H=40V(A.T)=40V(A.T)，控制电流，写出它置，控制电流，写出它置 于于110110-4-4510510-4-4T T线性变化的磁场中输出的霍尔电势范线性变化的磁场中输出的霍尔电势范围？围？列举（查找）列举（查找）l l2 2个霍尔元件的应用例子。个霍尔元件的应用例子。6.8 6.8 比较霍尔元件、磁敏电阻、磁敏晶体管，它们有哪些相同之比较霍尔元件、磁敏电阻、磁敏晶体管，它们有哪些相同之 处和不同之处？简述其各自的特点。处和不同之处？简述其各自的特点。