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1、第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器第7章 磁电式传感器 Magneto electric sensors主要内容：主要内容：l掌握磁电感应式传感器的工作原理、分类和基本结构，了掌握磁电感应式传感器的工作原理、分类和基本结构，了 解其应用；解其应用；l掌握霍尔效应、霍尔传感器的结构、特性参数和基本电路；掌握霍尔效应、霍尔传感器的结构、特性参数和基本电路；l能分析霍尔传感器误差来源和补偿方法，了解其实际应用。能分析霍尔传感器误差来源和补偿方法，了解其实际应用。第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器l磁磁电电式式传传感感器器是是通通过过磁磁电电作作用用将将被被测测量量转转换换成成电电信号的传
2、感器。信号的传感器。l磁电式传感器有磁电式传感器有 霍尔式传感器霍尔式传感器磁电感应式传感器磁电感应式传感器第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器7.1 7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 被测量被测量 感应电动势感应电动势e e 磁磁通通量量的的变变化化可可以以通通过过很很多多办办法法来来实实现现，如如磁磁铁铁与与线线圈圈之之间作相对运动；磁路中磁阻的变化等。间作相对运动；磁路中磁阻的变化等。一般可将磁电感应式传感器分为一般可将磁电感应式传感器分为变磁通式变磁通式和和恒磁通式恒磁通式两类。两类。 磁磁电电感感应应式式传传感感器器工工作作原原理理是是发发电电机机原原理理。利利用用导导体
3、体和和磁磁场发生相对运动产生感应电势。场发生相对运动产生感应电势。由法拉第电磁感应定律可知：由法拉第电磁感应定律可知：第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器图图7-2 7-2 变磁通磁电式传感器变磁通磁电式传感器1-1-被测旋转体；被测旋转体；2-2-测量齿轮；测量齿轮；3-3-线圈；线圈；4-4-软铁；软铁；5-5-永久磁铁永久磁铁原理：原理：磁阻变化磁阻变化 线圈产生感应电动势线圈产生感应电动势 输出周期感应脉冲信号：输出周期感应脉冲信号：一、一、 变磁通式变磁通式开磁路变磁通式转速传感器开磁路变磁通式转速传感器 式中，式中，Z齿轮的齿数；齿轮的齿数；n转速转速(r/min)； f感应脉
4、冲信号频率感应脉冲信号频率f=Zn/60第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器特特点点：结结构构简简单单、但但输输出出信信号号小小，高高速速轴轴上上加加装装齿齿轮轮较较危危险险，当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器。第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器结构：结构：由转子、定子、环形永久磁铁、线圈等元件组成。由转子、定子、环形永久磁铁、线圈等元件组成。 f=Zn/60式中，式中，Z Z齿轮的齿数；齿轮的齿数；n n转速转速(r/min)(r/min)；f
5、f感应脉冲信号频率感应脉冲信号频率原理：原理：磁阻变化磁阻变化 线圈产生感应电动势线圈产生感应电动势 输出周期感应脉冲信号输出周期感应脉冲信号闭磁路变磁通式转速传感器闭磁路变磁通式转速传感器第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器可测速度，如果接一个积分或微分电路也可用来测量位移和加速度可测速度，如果接一个积分或微分电路也可用来测量位移和加速度二、二、 恒磁通式恒磁通式结构：结构：磁路系统磁路系统 、线圈。、线圈。图图7-1 7-1 恒磁通磁电式传感器结构原理图恒磁通磁电式传感器结构原理图 （a a）动圈式）动圈式; ;（b b）动铁式）动铁式原理：原理：线圈与磁场相对运动（动圈式线圈与磁场相
6、对运动（动圈式/ /动铁式）动铁式）v v 感应感应 电动势电动势e e第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 2 2振动测量振动测量工作频率工作频率1010500500 HzHz最大可测加速度最大可测加速度5g5g精度精度1010固有频率固有频率1212HzHz可测振幅范围可测振幅范围0.10.110001000 外形尺寸外形尺寸45mm45mm160160 mmmm灵敏度灵敏度604604mVmVs scmcm-1-1工作线圈内阻工作线圈内阻1.91.9质量质量0.70.7kgkg1 1、8 8圆圆形形弹弹簧簧片片；2 2圆圆环环形形阻阻尼尼器器；3 3永永久久磁磁铁铁；4 4铝铝架架；
7、5 5心轴；心轴；6 6工作线圈；工作线圈；7 7壳体；壳体；9 9引线引线三、三、 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用1 1转速测量转速测量第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器3扭矩测量扭矩测量 当当转转轴轴不不受受扭扭矩矩时时，两两线线圈圈输输出出信信号号相相同同，相相位位差差为为零零。当当被被测测轴轴感感受受扭扭矩矩时时，轴轴的的两两端端产产生生扭扭转转角角，因因此此两两个个传传感感器器输输出出的的两两个个感感应应电电动动势势将将因因扭扭矩矩而而有有附附加加相相位位差差 。扭扭转转角角 与与感感应应电电动动势势相相位位差差的的关关系为：系为：式中：式中：z z为传感器定子、
8、转子的齿数。为传感器定子、转子的齿数。第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器7.2 7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器l工工作作原原理理：是是基基于于霍霍尔尔效效应应而而将将被被测测量量转转换换成成电电动动势势输输出出的的一种传感器。霍尔器件是一种磁传感器。一种传感器。霍尔器件是一种磁传感器。 l特特点点：霍霍尔尔传传感感器器具具有有体体积积小小、无无触触点点、可可靠靠性性高高、使使用用寿寿命长、频率相应宽、易于集成化和微型化。命长、频率相应宽、易于集成化和微型化。l应应用用：霍霍尔尔传传感感器器是是全全球球排排名名第第三三的的传传感感器器产产品品，它它被被广广泛泛应应用用到到工工业业、汽汽车
9、车业业、电电脑脑、手手机机、电电机机以以及及新新兴兴消消费费电电子子领领域。域。磁场磁场 电压电压UH第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器翻盖或滑盖手机中的应用翻盖或滑盖手机中的应用用来检测手机盖翻开或是滑动的器件就是霍尔传感器用来检测手机盖翻开或是滑动的器件就是霍尔传感器 在在滑滑盖盖手手机机中中，在在上上盖盖对对应应的的位位置置有有一一个个磁磁铁铁，霍霍尔尔传传感感器器就就在在磁磁铁铁对对应应的的主主板板正正面面或或反反面面，用用磁磁铁铁来来控控制制霍霍尔传感器信号的输出。尔传感器信号的输出。当当合合上上滑滑盖盖时时，传传感感器器输输出出低低电电平平作作为为中中断断信信号号到到CPU，
10、强强制制手手机机退退出出正正在运行的程序；在运行的程序；当当打打开开滑滑盖盖时时，传传感感器器输输出出高高电电平平，手手机机解解锁锁，接接通通正正在打入的电话。在打入的电话。第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为B B的磁场的磁场中，沿着垂直于磁场的方向通以电流中，沿着垂直于磁场的方向通以电流I I，就会在薄片的另一对，就会在薄片的另一对侧面间产生电动势侧面间产生电动势U UH H，这种现象称为，这种现象称为霍尔效应霍尔效应。 所产生的电动势称为所产生的电动势称为霍尔
11、电动势霍尔电动势，这种薄片（一般为半导体），这种薄片（一般为半导体）称为称为霍尔片霍尔片或或霍尔元件霍尔元件。霍尔效应原理图霍尔效应原理图 7.2.1 7.2.1 霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及霍尔元件1.1.霍尔效应霍尔效应第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器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作用，向内侧当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片偏移，在半导体薄片A A、B B方向的端面之间建立起霍尔电势。方向的端面之间建立起霍尔电势。A AB BC CD D第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器在磁场在磁场B中运动的电子将受到洛伦
12、兹力中运动的电子将受到洛伦兹力fL：fL=evB建立的电场建立的电场EH对随后的运动电子施加一电场力对随后的运动电子施加一电场力fE：平衡时，平衡时，fL=fE，即：，即：evB=eUH/b由于电流密度由于电流密度J=-nev，则电流强度为，则电流强度为I=-nevbd所以得到：所以得到： d d霍尔片厚度；霍尔片厚度； n n电子浓度；电子浓度； R RH H=1/ne=1/ne霍尔系数霍尔系数； K KH H=R=RH H/d=1/ned/d=1/ned霍尔灵敏度霍尔灵敏度。(7-1)(7-1)霍尔效应产生机理：霍尔效应产生机理： f fE E=eE=eEH H=eU=eUH H /b /
13、b第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔电势霍尔电势U UH H与输入电流与输入电流I I、磁感应强度、磁感应强度B B成正比；成正比；当当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的交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。变电势。 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 1.对于金属而言，对于金属而言，n很大，所以很大，所以RH很小，而半导体尤其是很小，而半导体尤其是N型半型半导体导体RH则较大；则较大；所以所以霍尔元件多用霍尔元件多用N型半导体型半导体。2.因为因为kH=R
14、H/d，霍尔元件越薄（即，霍尔元件越薄（即d越小），越小），kH就越大，就越大，所以所以霍尔元件都比较薄霍尔元件都比较薄，薄膜霍尔元件薄膜霍尔元件厚度只有厚度只有m左右。左右。结构与选材：结构与选材：因此、霍尔元件多用因此、霍尔元件多用N N型半导体薄片型半导体薄片第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔元件的材料：霍尔元件的材料：锗锗(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、锑化铟、锑化铟(InSb)(InSb)、砷化铟、砷化铟(InAs)(InAs)和砷化镓和砷化镓(GaAs)(GaAs)是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。下表所列为是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。下表所列为制
15、作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。电阻率电阻率电子迁移率电子迁移率 材料材料(单晶单晶)禁带宽度禁带宽度Eg/(eV) /(cm)/(cm/Vs)霍尔系数霍尔系数RH/(cmC-1-1)N型锗型锗(Ge)0.661.0350042504000N型硅型硅(Si)1.1071.5150022501840锑化铟锑化铟(InSb)0.170.005600003504200砷化铟砷化铟(InAs)0.360.0035250001001530磷砷铟磷砷铟(InAsP)0.630.08105008503000砷化镓砷化镓(GaAs)1.470.285001700380
16、0第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。外形外形符号符号基本测量电路基本测量电路结构结构2 2霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器3 3霍尔元件基本特性霍尔元件基本特性(1)额额定定激激励励电电流流Ic：当当霍霍尔尔元元件件自自身身温温升升10C时时所所流流过过的的激激励励电流称为额定激励电流。电流称为额定激励电流。(2)霍尔输入电阻霍尔输入电阻Ri：霍尔控制电极间的电阻值。霍尔控制电极间的电阻值。(3)
17、霍尔输出电阻霍尔输出电阻R0：霍尔输出电极间的电阻值。霍尔输出电极间的电阻值。(4)不不等等位位电电势势U0和和不不等等位位电电阻阻R0：霍霍尔尔元元件件在在额额定定控控制制电电流流作作用用下下，不不加加外外磁磁场场时时其其霍霍尔尔电电极极间间的的电电势势为为不不等等位位电电势势U0，一般一般U0 10mV。等效为不等位电阻。等效为不等位电阻R0=U0/Ic。(5)霍霍尔尔电电势势温温度度系系数数 ： 为为温温度度变变化化1 C时时，霍霍尔尔电电势势变变化化的百分率（的百分率（%/ C）(6)寄寄生生直直流流电电势势：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，霍尔
18、电极输出除了交流不等位电势外，还有一支流电势，称霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一支流电势，称第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器不等位电动势产生的原因：不等位电动势产生的原因：l霍霍尔尔电电极极焊焊接接位位置置不不对对称称或或不不能能完完全全位于同一等位面上。位于同一等位面上。l半半导导体体材材料料不不均均匀匀造造成成了了电电阻阻率率不不均均匀或几何尺寸不均匀匀或几何尺寸不均匀l激激励励电电极极接接触触不不良良造造成成激激励励电电流流不不均均匀分布。匀分布。 4 4霍尔元件的不等位电动势与补偿霍尔元件的不等位电动势与补偿不不等等位位电电动动势势：如如图图当当控控制制电电流流I I
19、流流过过时时, ,即即使使未未加加外外磁磁场场,C,C、D D 两两电电极极此此时时仍仍存存在在电电位位差差, ,此此电电位位差差被被称称为为不不等等位位电电势势U0U0。是是零零位位误误差差中中最最主主要要的的一一种种。它它与与霍霍尔尔电电势势具具有有相相同同数量级。数量级。第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器通过补偿电路来克服。通过补偿电路来克服。在在理理想想情情况况下下R1=R2=R3=R4，即即可可取取得得零零位位电电动动势势为为零零(或或零位电阻为零零位电阻为零)。实实际际上上，若若存存在在零零位位电电动动势势，则则说说明明此此4个个电电阻阻不不完完全全相相等等，即即电电桥桥不不
20、平平衡衡。为为使使其其达达到到平平衡衡，可可在在阻阻值值较较大大的的桥桥臂臂上上并并联联可调电阻可调电阻RP或在两个臂上同时并联电阻或在两个臂上同时并联电阻RP和和R。 将将霍霍尔尔元元件件等等效效为为一一个个电电桥桥电电路路如如图图，用用分分析析平平衡衡电桥方法来补偿：电桥方法来补偿： 霍尔元件不等位电动势补偿：霍尔元件不等位电动势补偿：第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔元件不等位电势补偿电路霍尔元件不等位电势补偿电路 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 5 5霍尔元件的温度误差及补偿霍尔元件的温度误差及补偿 与与一一般般半半导导体体一一样样，由由于于电电阻阻率率、迁迁移移率
21、率以以及及载载流流子子浓浓度度随随温温度度变变化化，所所以以霍霍尔尔元元件件的的性性能能参参数数如如输输入入、输输出出、电电阻阻、霍霍尔尔常常数数等等也也随随温温度度而而变变化化，致致使使霍霍尔尔电电动势变化，产生温度误差。动势变化，产生温度误差。选用温度系数小的霍尔元件选用温度系数小的霍尔元件采用恒流源供电、分流电阻法采用恒流源供电、分流电阻法采用恒流源和输入回路串联电阻采用恒流源和输入回路串联电阻采用温度补偿元件采用温度补偿元件采用适当的补偿电路采用适当的补偿电路减小温度误差方法：减小温度误差方法：第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器采用恒流源供电，分流电阻法：采用恒流源供电，分流电阻
22、法：=KH0IH0B=KHIHB=由等式：由等式：得并联电阻初值：得并联电阻初值：第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器7.2.2 7.2.2 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍霍尔尔元元件件具具有有结结构构牢牢固固、工工艺艺成成熟熟、体体积积小小、寿寿命命长长、线线性性度度好好、频频率率高高、耐耐振振动动、不不怕怕灰灰尘尘、油油污污、水水汽汽及及盐盐雾等的污染或腐蚀的优点。雾等的污染或腐蚀的优点。 目目前前，霍霍尔尔传传感感器器是是全全球球使使用用量量排排名名第第三三的的传传感感器器产产品品，它它被被广广泛泛应应用用到到工工业业、汽汽车车业业、计计算算机机、手手机机以以及及新新兴兴消消费
23、电子领域中。费电子领域中。第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器1. 霍尔式微位移传感器：霍尔式微位移传感器：第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器2. 霍尔式压力传感器：霍尔式压力传感器：第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器3.霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器汽车速度测量汽车速度测量 当当齿齿对对准准霍霍尔尔元元件件时时，磁磁力力线线集集中中穿穿过过霍霍尔尔元元件件，可可产产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平； 当齿轮的空挡对准霍尔元件时当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。，输出为低电平。第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器4. 霍尔计数装置霍尔计数装置霍霍尔尔集集成成元元件件是是将将霍霍尔尔元元件件和和放放大大器器等等集集成在一块芯片上。成在一块芯片上。集集成成霍霍尔尔元元件件分分为为：霍霍尔尔线线性性器器件件和和霍霍尔尔开开关关器器件件，前前者者输输出出模模拟拟量量，后后者者输输出出数数字量。字量。第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器5.5.霍尔钳形电流表霍尔钳形电流表 测量原理测量原理
