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1、物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用 Principles and Applications of Sensors主讲：王殿生 教授物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用第七章第七章作 业第二版教材第二版教材126-127126-127页：页： 练习题：练习题：7-57-5，7-67-6，7-9 7-9 第三版教材第三版教材124124页：页： 练习题：练习题：7-57-5，7-67-6，7-9 7-9 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作
2、制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用磁电磁电磁电磁电作用作用作用作用 被测非电量被测非电量被测非电量被测非电量电信号电信号电信号电信号测量测量测量测量电路电路电路电路U U U U、I I I I 第七章 磁电式传感器 uu磁电式传感器的定义磁电式传感器的定义磁电式传感器的定义磁电式传感器的定义 通过磁电作用，被测非电量转换为电信号的传感器。通过磁电作用，被测非电量转换为电信号的传感器。通过磁电作用，被测非电量转换为电信号的传感器。通过磁电作用，被测非电量转换为电信号的传感器。uu磁电式传感器的感测量磁电式传感器的感测量磁电式传感器的感测量磁电式传感器的感测量 磁场、速度、位移、加速度
3、、压力、电流等。磁场、速度、位移、加速度、压力、电流等。磁场、速度、位移、加速度、压力、电流等。磁场、速度、位移、加速度、压力、电流等。uu磁电式传感器的种类磁电式传感器的种类磁电式传感器的种类磁电式传感器的种类 根据工作原理：根据工作原理：根据工作原理：根据工作原理：感应式、霍尔式和磁敏式等。感应式、霍尔式和磁敏式等。感应式、霍尔式和磁敏式等。感应式、霍尔式和磁敏式等。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器7.3 磁敏式传感器磁敏式传感器7.4 磁电式传感器应用
4、磁电式传感器应用 第七章 磁电式传感器 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用磁磁电电感感应应式式传传感感器器：利利用用电电磁磁感感应应原原理理将将被被测测量量（如如振振动动、位位移移、转转速速等等）转转换换成成电电信信号号的的一种传感器。一种传感器。有有源源传传感感器器：不不需需要要辅辅助助电电源源，就就能能把把被被测测对对象象的的机机械械量量转转换成易于测量的电信号。换成易于测量的电信号。特特点点：输输出出功功率率大大，性性能能稳稳定定，具具有有一一定定的的工工作作带带宽宽（101000 Hz）。）。一、磁电感应式传感器概述一、磁
5、电感应式传感器概述7.1 磁电感应式传感器根根据据电电磁磁感感应应定定律律，当当导导体体在在稳稳恒恒均均匀匀磁磁场场中中，沿沿垂垂直直磁磁场场方方向向运运动动时时，导导体体内内产产生生的的感感应应电势为电势为 B稳稳恒恒均均匀匀磁磁场场的的磁磁感感应应强强度度；l导导体体有有效效长长度度；v导导体体相相对对磁场的运动速度。磁场的运动速度。 二、磁电感应式传感器工作原理二、磁电感应式传感器工作原理1 1、恒磁通式工作原理、恒磁通式工作原理变磁通式变磁通式恒磁通式恒磁通式分分类类感生电动势原理感生电动势原理动生电动势原理动生电动势原理物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXI
6、T传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器磁磁路路系系统统产产生生恒恒定定的的磁磁场场，磁磁路路中中的的工工作作气气隙隙固固定定不不变变，因因而气隙中磁通也是恒定不变的。而气隙中磁通也是恒定不变的。 二、磁电感应式传感器工作原理二、磁电感应式传感器工作原理1 1、恒磁通式工作原理、恒磁通式工作原理弹弹簧簧较较软软，运运动动部部件件质质量量相相对较大。对较大。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
7、动，振振动动能能量量几几乎乎全全被被弹弹簧吸收。簧吸收。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，从而产生感应电势。线，从而产生感应电势。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器当当一一个个W匝匝线线圈圈相相对对静静止止地地处处于于随随时时间间变变化化的的磁磁场场中中时时，设设穿穿过过线线圈圈的的磁磁通通为为，则则线线圈圈内内的的感感应应电电势势E与磁通变化率与磁通变化率d/dt关系为关系为
8、二、磁电感应式传感器工作原理二、磁电感应式传感器工作原理2 2、变磁通式工作原理、变磁通式工作原理1永永久久磁磁铁铁； 2软软磁磁铁铁；3感应线圈；感应线圈； 4铁齿轮；铁齿轮；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，线线圈中产生感应电势。圈中产生感应电势。感感应应电电势势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齿数的乘积。数的乘积。这这种
9、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，不不宜宜测测量量高转速的场合。高转速的场合。 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器当当测测量量电电路路接接入入磁磁电电传传感感器器电电路路时时，Rf为为测测量量电电路路输输入入电电阻阻，R为为线线圈圈等等效效电电阻阻，则磁电传感器的输出电流和电压为则磁电传感器的输出电流和电压为 三、磁电感应式传感器基本特性三、磁电感应式传感器基本特性1 1、磁电传感器的灵敏度、磁电传感器的灵敏度传传感感器器的的输输出出电电流流和和电电压压灵灵敏敏度度分分别别灵敏度
10、为灵敏度为 灵敏度相对误差为灵敏度相对误差为 灵灵敏敏度度误误差差：工工作作温温度度变变化化、外外界界磁磁场场干扰、机械振动或冲击，灵敏度会变化。干扰、机械振动或冲击，灵敏度会变化。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器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因：原因：电流磁场效应。电流磁场效应。三、磁电感应式传感器基本特性三、磁电感应式传感器基本特性2 2、磁电传感器的非线性误差、磁电传感器的非线性误差传传感感器器线线圈圈内内流流过过电电流流时时，产产生生一一定定的的交交变变磁磁通通
11、，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磁通上，使恒定的气隙磁通变化。作磁通上，使恒定的气隙磁通变化。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，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，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而降低。大而降低。传感器电流的磁场效应传感器电流的磁场效应 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器三、磁电感应式传感器基本特性
12、三、磁电感应式传感器基本特性2 2、磁电传感器的非线性误差、磁电传感器的非线性误差当当线线圈圈的的运运动动速速度度反反向向时时，感感应应电电势势、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感器的灵敏度。传感器的灵敏度。因因此此，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的谐波失真。出的谐波失真。 传传感感
13、器器灵灵敏敏度度越越高高，线线圈圈中中电电流流越越大，这种非线性越严重。大，这种非线性越严重。 传感器电流的磁场效应传感器电流的磁场效应 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器三、磁电感应式传感器基本特性三、磁电感应式传感器基本特性3 3、磁电传感器的温度误差、磁电传感器的温度误差当当温温度度变变化化每每摄摄氏氏度度时时，对对铜铜 线线 变变 化化 量量 为为 dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-2，dB/B的的变变化化量量决定于永久磁铁的磁性材料。决定于永久磁铁的磁性材料。对对 铝铝 镍镍 钴
14、钴 永永 久久 磁磁 合合 金金 ，dB/B-0.0210-2，灵灵敏敏度度随随温温度度变化误差为变化误差为这这一一数数值值是是很很可可观观的的，需需要要进行温度补偿。进行温度补偿。热磁分流器补偿：热磁分流器补偿：热热磁磁分分流流器器由由具具有有很很大大负负温度系数的特殊磁性材料做成温度系数的特殊磁性材料做成。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
15、空空气气隙隙的的工工作作磁磁通通不不随随温温度度变变化化，维持传感器灵敏度为常数。维持传感器灵敏度为常数。 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用四、磁电感应式传感器测量电路四、磁电感应式传感器测量电路 7.1 磁电感应式传感器磁磁电电感感应应式式传传感感器器直直接接输输出出电电动动势势，且且通通常常具具有有高高的的灵灵敏敏度度，一般不需要高增益放大器。一般不需要高增益放大器。磁磁电电感感应应式式传传感感器器是是速速度度传传感感器器，若若要要获获得得被被测测位位移移或或加加速速度度信号，则需配用积分电路或微分电路。信号，则需配用积分电
16、路或微分电路。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器7.3 磁敏式传感器磁敏式传感器7.4 磁电式传感器应用磁电式传感器应用 第七章 磁电式传感器 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用霍尔：霍尔：1879年年设设霍霍尔尔元元件件为为N型型半半导导体体，当通电流当通电流I时时FL = qvB一、霍尔效应一、霍尔效应7.2 霍尔式传感器UHbldIFFvB当当电电场场力力与与洛洛仑仑兹兹力力相相等等时时，达
17、到动态平衡，有达到动态平衡，有qEH=qvB霍尔电场的强度为霍尔电场的强度为EH=vB霍尔电压霍尔电压UH可表示为可表示为UH = EH b = vBb流过霍尔元件的电流为流过霍尔元件的电流为I=dQ/dt=bdvnq；v=I/nqbdUH=BI/nqd；若取；若取RH = 1/nq则有则有物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用RH被被定定义义为为霍霍尔尔元元件件的的霍霍尔尔系数。系数。霍霍尔尔系系数数由由半半导导体体材材料料性性质质决定，反映材料霍尔效应的强弱。决定，反映材料霍尔效应的强弱。一、霍尔效应一、霍尔效应7.2 霍尔式传感
18、器UHbldIFFvB霍尔电压为霍尔电压为霍尔元件的灵敏度：霍尔元件的灵敏度： 一一个个霍霍尔尔元元件件在在单单位位控控制制电电流流和和单单位位磁磁感感应应强强度度时时产产生生的的霍霍尔尔电电压的大小。压的大小。KH即为霍尔元件的灵敏度。即为霍尔元件的灵敏度。霍霍尔尔电电压压与与材材料料的的性性质质有有关关；与元件的尺寸有关。与元件的尺寸有关。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用霍霍尔尔元元件件：基基于于霍霍尔尔效效应应工工作的半导体器件。作的半导体器件。霍霍尔尔元元件件材材料料：多多采采用用N型型半导体材料。半导体材料。霍霍尔尔元
19、元件件组组成成：霍霍尔尔片片、四四根引线和壳体。根引线和壳体。二、霍尔元件的结构与特性二、霍尔元件的结构与特性7.2 霍尔式传感器最最常常用用的的霍霍尔尔元元件件材材料料有有：锗锗(Ge)、硅硅(Si)、锑锑化化铟铟(InSb)、砷化铟砷化铟(InAs)等半导体材料。等半导体材料。霍霍尔尔元元件件的的壳壳体体：用用非非导导磁磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。金属、陶瓷或环氧树脂封装。1 1、霍尔元件的构造、霍尔元件的构造3)，长长度度方方向向两两端端面面上上焊焊有有a、b两两根根引引线线，通通常常用用红红色色导导线线，称称为为控控制制电电极极；在在另另两两侧侧端端面面的的中中间间以以点点的的形形式式
20、对对称称地地焊焊有有c、d两两根根霍霍尔尔输输出出引引线线，通通常常用用绿绿色色导导线线，称称为霍尔电极。为霍尔电极。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用二、霍尔元件的结构与特性二、霍尔元件的结构与特性7.2 霍尔式传感器锗锗（Ge）：灵灵敏敏度度低低、温温度特性及线性度好。度特性及线性度好。锑锑化化铟铟（InSb）：灵灵敏敏度度最高、受温度影响大。最高、受温度影响大。1 1、霍尔元件的构造、霍尔元件的构造溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件输出1输出2输入1输入2磁性顶端引线衬底霍尔元件霍尔元件电路图形符号：霍
21、尔元件电路图形符号： 11 激励电极激励电极22 霍尔电极霍尔电极物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（1）基本连接方式与测量电路）基本连接方式与测量电路二、霍尔元件的结构与特性二、霍尔元件的结构与特性7.2 霍尔式传感器2 2、霍尔元件的、霍尔元件的测量电路测量电路W1W2UHUH（2）直流供电输出方式）直流供电输出方式控制电流端并联，输出电势两倍。控制电流端并联，输出电势两倍。（3）交流供电输出方式）交流供电输出方式控制电流端串联，绕阻叠加输出。控制电流端串联，绕阻叠加输出。WUHRLE物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生
22、王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（1）额定功耗）额定功耗在在环环境境温温度度25时时，允允许许通通过过霍尔元件的电流和电压的乘积。霍尔元件的电流和电压的乘积。二、霍尔元件的结构与特性二、霍尔元件的结构与特性7.2 霍尔式传感器3 3、霍尔元件的技术参数霍尔元件的技术参数（4）霍尔温度系数）霍尔温度系数在在一一定定的的磁磁感感应应强强度度和和控控制制电电流流下下，温温度度变变化化1时时，霍尔电势变化的百分率。霍尔电势变化的百分率。（2）输入电阻和输出电阻）输入电阻和输出电阻输输入入电电阻阻：控控制制电电流流极极之之间间的的电阻。电阻。输输出出电电阻阻：霍霍尔尔元元件件电电
23、极极间间的的电阻。电阻。在无磁场时用欧姆表等测量。在无磁场时用欧姆表等测量。（3）不平衡（等位）电势）不平衡（等位）电势在在额额定定控控制制电电流流下下，不不加加磁磁场场时霍尔电极间的空载霍尔电势。时霍尔电极间的空载霍尔电势。（5）内阻温度系数）内阻温度系数霍霍尔尔元元件件在在无无磁磁场场及及工工作作温温度度范范围围内内，温温度度每每变变化化1时时，输输入入电电阻阻与与输输出出电电阻阻变变化化的百分率。的百分率。（6）灵敏度）灵敏度物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用霍霍尔尔元元件件不不等等位位电电动动势势也也叫叫传传感器输出电压的
24、零位误差。感器输出电压的零位误差。三、霍尔元件测量误差和补偿三、霍尔元件测量误差和补偿7.2 霍尔式传感器1 1、零位误差及补偿方法零位误差及补偿方法AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4不等位电动势与等效电路不等位电动势与等效电路电电桥桥补补偿偿原原理理：在在阻阻值值较较大大的的桥臂上并联电阻。桥臂上并联电阻。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用温温度度影影响响电电阻阻率率、迁迁移移率率、载载流流子子浓浓度度，导导致致霍霍尔尔元元件件内内阻阻、霍霍尔尔电电势势随随温温度变化。度变化。三、霍尔元件测量误差和补偿三、霍尔元件测量误
25、差和补偿7.2 霍尔式传感器2 2、温度误差及补偿方法温度误差及补偿方法基本电路与等效电路基本电路与等效电路（1）输入回路串联电阻补偿）输入回路串联电阻补偿EIUHRUHtRt(t)RIUHERi(t)（2）输输出出回回路路负负载载电阻补偿电阻补偿霍霍尔尔元元件件的的输输入入采采用用恒恒流流源源，使使控控制制电电流流稳定不变。稳定不变。I II IR RL LU UHH基本电路基本电路物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（3）恒流源补偿）恒流源补偿当当负负载载电电阻阻比比霍霍尔尔元元件件输输出出电电阻阻大大得得多多时时，输输出出电电
26、阻阻变变化化对对霍霍尔尔电电压压输输出出的的影影响响很很小小。在在这这种种情情况况下下，可可考考虑虑在在输输入入端端采采用用恒恒流流源源补补偿偿。输输入入电电阻阻随随温温度度变变化化而而引引起起控控制制电电流流的的变化极小，减少了输入端温度影响。变化极小，减少了输入端温度影响。三、霍尔元件测量误差和补偿三、霍尔元件测量误差和补偿7.2 霍尔式传感器2 2、温度、温度误差及补偿方法误差及补偿方法（4）热敏电阻补偿）热敏电阻补偿对对于于用用温温度度系系数数大大的的半半导导体体材材料料制制成成的的霍霍尔尔元元件件，常常采采用用热热敏敏电电阻阻进行补偿。进行补偿。霍霍尔尔输输出出随随温温度度升升高高而
27、而下下降降，只只要要能能使使控控制制电电流流随随温温度度升高而上升，就能补偿。升高而上升，就能补偿。R RR Rt t输输入入回回路路补补偿偿：在在输输入入回回路路串串入入热热敏敏电电阻阻，当当温温度度上上升升时时其其阻阻值值下下降降，从从而而使使控控制制电电流上升。流上升。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用三、霍尔元件测量误差和补偿三、霍尔元件测量误差和补偿7.2 霍尔式传感器2 2、温度、温度误差及补偿方法误差及补偿方法（4）热敏电阻补偿）热敏电阻补偿输输出出回回路路补补偿偿：在在负负载载RL上上的的霍霍尔尔电电势势随随温温度
28、度上上升升而而下下降降的的量量被被热热敏电阻阻值减小所补偿。敏电阻阻值减小所补偿。实实际际使使用用热热敏敏电电阻阻补补偿偿时时，热热敏敏电电阻阻最最好好与与霍霍尔尔元元件件封封在在一一起起或或靠靠近，温度变化一致。近，温度变化一致。（5）电桥补偿）电桥补偿调调节节电电位位器器W1可可消消除除不不等等位位电电势势。电电桥桥由由温温度度系系数数低低的的电电阻阻构构成成，在在某某一一桥桥臂臂电电阻阻上并联一热敏电阻。上并联一热敏电阻。R RL LR RR Rt tw w1 1w w2 2E E1 1w w3 3R R2 2R R3 3R R4 4R R1 1E E2 2R Rt tU UHtHt物理
29、科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（1） 霍尔电压的温度稳定性好霍尔电压的温度稳定性好最最大大优优点点是是在在恒恒流流工工作作时时温温度度稳稳定定性性好好，温温度度变变化化10，输输出出电电压压变化不超过变化不超过 -0 .6。（2） 输出线性好输出线性好最最大大误误差差只只有有2%。完完全全可可以以满满足一般的用途。足一般的用途。（3）灵敏度低）灵敏度低在在500高斯左右开始达到饱和。高斯左右开始达到饱和。 （4）不平衡电压随温度变化大）不平衡电压随温度变化大在在弱弱磁磁场场中中(10高高斯斯以以下下)不不如如InSb霍尔传感器。霍
30、尔传感器。四、常用霍尔传感器四、常用霍尔传感器GaAsGaAs和和InSbInSb7.2 霍尔式传感器1 1、GaAsGaAs霍尔传感器霍尔传感器种种种种类类类类THS103ATHS103ATHS106ATHS106AGaAsGaAsGaAsGaAs霍尔霍尔霍尔霍尔电压电压电压电压50120mV50120mV1mA1mA1k1k高斯高斯高斯高斯6565170170mVmV输入输入输入输入电阻电阻电阻电阻450450900900450450900900温度温度温度温度系数系数系数系数 -0.06%-0.06% -0.06%-0.06%价格价格价格价格4 4元元元元4 4元元元元物理科学与技术学院
31、物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用InSb霍霍尔尔传传感感器器与与GaAs的的特特性性几几乎相反。乎相反。（1）不平衡电压稳定性好）不平衡电压稳定性好InSb霍霍尔尔传传感感器器在在恒恒压压工工作作时时不不平平衡衡电电压压的的稳稳定定性性很很好好，噪噪音音也也小小，可可很好地在弱磁场中工作测量。很好地在弱磁场中工作测量。（2）霍尔电压的温度稳定性不好）霍尔电压的温度稳定性不好在在恒恒流流工工作作时时其其温温度度系系数数最最大大为为-2%/，GaAs的的3040倍。倍。为为了了改改善善InSb霍霍尔尔传传感感器器的的温温度度特特性性，采采用用恒恒压压
32、工工作作，可可降降低低温温度度系系数数近近10倍。倍。四、常用霍尔传感器四、常用霍尔传感器GaAsGaAs和和InSbInSb7.2 霍尔式传感器2 2、InSbInSb霍尔传感器霍尔传感器（3）InSb霍霍尔尔传传感感器的频率特性不太好器的频率特性不太好在在理理论论上上GaAs霍霍尔尔传传感感器器的的频频带带在在兆兆赫赫以以上上，而而实实际际上上是是达达不不到到的的，但但无无论论如如何何也也会会有有InSb霍霍尔尔传传感感器器（大大约约在在数数kHz至至数数十十kHz）数数十十倍倍以以上上的的带宽。带宽。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器
33、原理及应用集集成成霍霍尔尔传传感感器器：利利用用硅硅集集成成电电路路工工艺艺将将霍霍尔尔元元件件和和测测量量线线路路集集成成在在一一起起的的霍霍尔尔传传感感器器，取取消消了了传传感感器器和和测测量量电电路路之之间间的的界界限限，实实现现了了材材料料、元件、电路三位一体元件、电路三位一体。集集成成霍霍尔尔传传感感器器由由于于减减少少了了焊焊点点，显显著著地地提提高高了了可可靠靠性性，还还具具有有体体积积小小、重重量量轻轻、功功耗耗低低等等优优点点，应应用用越来越广泛。越来越广泛。五、集成霍尔传感器五、集成霍尔传感器 7.2 霍尔式传感器1 1、开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器霍尔开关电路
34、霍尔开关电路开开关关型型集集成成霍霍尔尔传传感感器器是是把把霍霍尔尔元元件件的的输输出出经经过过处处理理后后输输出出一一个个高高电平或低电平的数字信号。电平或低电平的数字信号。 霍霍尔尔开开关关电电路路又又称称霍霍尔尔数数字字电电路路，由由稳稳压压器器、霍霍尔尔片片、差差分分放放大大器器，施施密密特特触触发器和输出级五部分组成。发器和输出级五部分组成。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用五、集成霍尔传感器五、集成霍尔传感器 7.2 霍尔式传感器2 2、线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器线线性性集集成成霍霍尔尔传传感感器器：霍霍尔尔
35、元元件件与与放放大大线线路路集集成成在在一一起起的的传传感感器器。输输出出电电压压与与外加磁场成线性比例关系。外加磁场成线性比例关系。 一一般般由由霍霍尔尔元元件件、差差分分放放大大、射射极极跟跟随随输输出出及及稳稳压压四部分组成。四部分组成。线线性性霍霍尔尔集集成成传传感感器器广广泛泛用用于于位位置置、力力、重重量量、厚厚度度、速速度度、磁磁场场、电电流流等等的的测量或控制。测量或控制。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器7.3 磁敏式传感器磁敏式传感器7.4
36、 磁电式传感器应用磁电式传感器应用 第七章 磁电式传感器 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用The Nobel Prize in Physics 2011 Saul Perlmutter Brian P. Schmidt Adam G. Riess 1/2 of the prize 1/4 of the prize 1/4 of the prize“The “The Nobel Nobel Prize Prize in in Physics Physics for for 2011 2011 with with one one h
37、alf half to to Saul Saul Perlmutter Perlmutter with with the the Supernova Supernova Cosmology Cosmology Project Project in in the the United United States States and and the the other other half half jointly jointly to to Brian Brian P. P. Schmidt Schmidt with with the the High-z High-z Supernova S
38、upernova Search Search Team Team in in Australia Australia and and Adam Adam G. G. Riess Riess from from the the United United States States for for the the discovery discovery of of the the accelerating accelerating expansion expansion of of the the Universe through observations of distant supernov
39、aeUniverse through observations of distant supernovae。” ”物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用磁磁阻阻效效应应：当当载载流流体体置置于于磁磁场场中，其电阻会随磁场而变化的现象。中，其电阻会随磁场而变化的现象。当当温温度度恒恒定定时时，在在磁磁场场中中磁磁阻阻与磁感应强度与磁感应强度B的平方成正比。的平方成正比。若若器器件件只只有有在在电电子子参参与与导导电电的的情情况况下下，理理论论推推导导出出来来的的磁磁阻阻效效应应方方程为程为一、磁敏电阻元件一、磁敏电阻元件7.3 磁敏式传
40、感器圆圆盘盘形形的的磁磁阻阻最最大大。磁磁敏敏电阻大多做成圆盘结构。电阻大多做成圆盘结构。1 1、磁阻效应磁阻效应迁迁移移率率越越高高的的材材料料（如如InSb、InAs、NiSb等等半半导导体体材材料）磁阻效应越明显。料）磁阻效应越明显。从从微微观观上上讲讲，材材料料的的电电阻阻率率增增加加是是因因为为电电流流的的流流动动路路径径因因磁场的作用而加长所致。磁场的作用而加长所致。磁磁阻阻效效应应除除与与材材料料有有关关外外，还与磁敏电阻的形状有关。还与磁敏电阻的形状有关。在在恒恒定定磁磁感感应应强强度度下下，磁磁敏敏电电阻阻的的长长度度与与宽宽度度的的比比越越小小，电阻率的相对变化越大。电阻率
41、的相对变化越大。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（1）灵敏度特性）灵敏度特性磁磁敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度一一般般是是非非线线性性的，且受温度的影响较大。的，且受温度的影响较大。一、磁敏电阻元件一、磁敏电阻元件7.3 磁敏式传感器2 2、磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性S S极极极极S S S S、N N N N极之间电阻特性极之间电阻特性极之间电阻特性极之间电阻特性N N极极极极0.30.3 0.20.2 0.10.1 0 0 0.10.1 0.20.2 0.30.3R R/10001000500500B B/T/T电阻
42、变化率特性电阻变化率特性电阻变化率特性电阻变化率特性R RB B/ /R R0 0151510105 5温度温度温度温度(25)(25)弱磁场下平方特性弱磁场下平方特性弱磁场下平方特性弱磁场下平方特性强场下直线特性强场下直线特性强场下直线特性强场下直线特性0 00.20.2 0.40.4 0.60.6 0.80.8 1.01.0 1.21.2 1.41.4B B/T/T磁磁阻阻元元件件的的灵灵敏敏度度特特性性用用在在一一定定磁磁场场强强度度下下的的电电阻阻变变化化率率来来表表示示，即即磁场磁场电阻变化率特性曲线的斜率。电阻变化率特性曲线的斜率。在在运运算算时时常常用用RB/R0求求得得， R0
43、表表示示无无磁磁场场情情况况下下磁磁阻阻元元件件的的电电阻阻值值，RB为为施施加加磁磁感感应应强强度度时时磁磁阻阻元元件件的的电电阻值。阻值。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（2）电阻）电阻 温度特性温度特性半半导导体体磁磁阻阻元元件件的的温温度度特特性性不不好好。元元件件的的电电阻阻值值在在不不大大的的温温度度变化范围内减小的很快。变化范围内减小的很快。因因此此，在在应应用用时时，一一般般都都要要设计温度补偿电路。设计温度补偿电路。一、磁敏电阻元件一、磁敏电阻元件7.3 磁敏式传感器2 2、磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性
44、温度温度/0 02020150150505040408080100100电电阻阻/1001006060巨磁阻元件巨磁阻元件 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用磁磁敏敏二二极极管管的的P型型和和N型型电电极极由由高高阻阻材材料料制制成成，在在P、N之之间间有有一一个个较较长长的的本本征征区区I。本本征征区区I的的一一面面磨磨成成光光滑滑的的无无复复合合表表面面（为为I区区），另另一一面面打打毛毛，设设置置成成高高复复合合区区（为为r区区），因因为为电电子子空空穴穴对对易易于于在在粗粗糙糙表表面面复复合而消失。合而消失。二、磁敏二极管
45、和三极管二、磁敏二极管和三极管1 1、磁敏二极管磁敏二极管磁敏二极管的符号磁敏二极管的符号基基本本原原理理：在在磁磁场场强强度度和和方方向向变变化化下下，电电子子和和空空穴穴复复合合率率明明显显变变化化，导导致致磁磁敏敏二二极极管管的的电电流流发发生生变变化化，实实现磁电转换。现磁电转换。+ +P P+ +N N+ +I I区区区区r r区区区区磁敏二极管的结构磁敏二极管的结构7.3 磁敏式传感器物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用在在弱弱P型型或或弱弱N型型本本征征半半导导体体上上用用合合金金法法或或扩扩散散法法形形成成发发射极、
46、基极和集电极。射极、基极和集电极。基基区区较较长长。基基区区结结构构类类似似磁磁敏敏二二极极管管，有有高高复复合合速速率率的的r区区和和本本征征I区区。长长基基区区分分为为运运输输基基区和复合基区。区和复合基区。二、磁敏二极管和三极管二、磁敏二极管和三极管2 2、磁敏三极管磁敏三极管基基本本原原理理：在在正正、反反向向磁磁场场作作用用下下，磁磁敏敏三三极极管管集集电电极极电电流出现明显变化。流出现明显变化。磁磁敏敏三三极极管管可可测测量量弱弱磁磁场场、电流、转速、位移等物理量。电流、转速、位移等物理量。c cN N+ +e eHH- -HH+ +b bI Ir rN N+ +P P+ +磁敏三
47、极管的结构磁敏三极管的结构7.3 磁敏式传感器磁敏三极磁敏三极管的符号管的符号b bc ce e物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器7.3 磁敏式传感器磁敏式传感器7.4 磁电式传感器应用磁电式传感器应用 第七章 磁电式传感器 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用在在驱驱动动源源和和负负载载之之间间的的扭扭转转轴轴的的两两侧侧安安装装有有齿齿形形圆圆盘盘。磁磁电电传传感感器器的的检检测测元元件件部部分
48、分由由永永久久磁磁铁铁、感感应应线线圈圈和和铁铁芯组成。芯组成。一、磁电式扭矩传感器一、磁电式扭矩传感器7.4 磁电式传感器应用当当齿齿形形圆圆盘盘旋旋转转时时，圆圆盘盘齿齿凸凸凹凹引引起起磁磁路路气气隙隙的的变变化化，在在线线圈圈中中感感应应出出交交流流电电压压， 其其频频率率在在数数值值上上等等于于圆圆盘盘上上齿齿数与转数的乘积。数与转数的乘积。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用检检测测磁磁场场是是霍霍尔尔式式传传感感器器最典型的应用之一。最典型的应用之一。霍霍尔尔器器件件做做成成各各种种形形式式的的探探头头，放放在在被被测测
49、磁磁场场中中，使使磁磁力力线线和和器器件件表表面面垂垂直直，通通电电后后即即可可输输出出与与被被测测磁磁场场的的磁磁感感应应强度成线性正比的电压。强度成线性正比的电压。二、霍尔元件检测磁场二、霍尔元件检测磁场7.4 磁电式传感器应用电位差计电位差计mAESNR霍尔磁敏传感器测磁场原理霍尔磁敏传感器测磁场原理A物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用霍霍尔尔元元件件置置于于磁磁场场中中，左左半半部部磁磁场方向向上，右半部磁场方向向下。场方向向上，右半部磁场方向向下。从从a端端通通人人电电流流I，左左和和右右半半部部产产生生霍霍尔尔电电势势
50、UH1和和UH2，方方向向相相反反。因因此，此，c、d两端电势为两端电势为UH1-UH2。若若 霍霍 尔尔 元元 件件 在在 初初 始始 位位 置置 时时UH1=UH2，则输出为零。，则输出为零。改改变变磁磁极极系系统统与与霍霍尔尔元元件件的的相相对对位位置置时时，可可得得输输出出电电压压，大大小小正正比比于于位移量。位移量。三、霍尔式位移传感器三、霍尔式位移传感器7.4 磁电式传感器应用物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用加加上上压压力力后后，使使磁磁系系统统和和霍霍尔尔元元件件间间产产生生相相对对位位移移，改改变变作作用用到到霍
51、霍尔尔元元件件上上的的磁磁场场，从从而而改改变变它它的的输输出出电电压压UH。由由事事先先校校准准的的Pf(UH)曲曲线线即即可可得得到到被被测测压压力力的的值。值。 四、霍尔式压力传感器四、霍尔式压力传感器7.4 磁电式传感器应用霍尔元件霍尔元件霍尔元件霍尔元件磁钢磁钢磁钢磁钢压力压力压力压力P P波登管波登管波登管波登管N SN SS NS N物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用五、霍尔式转速传感器五、霍尔式转速传感器7.4 磁电式传感器应用霍尔式转速传感器结构霍尔式转速传感器结构霍尔式转速传感器结构霍尔式转速传感器结构输入轴输
52、入轴输入轴输入轴输入轴输入轴输入轴输入轴霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用六、霍尔式计数装置六、霍尔式计数装置7.4 磁电式传感器应用霍尔开关传感器霍尔开关传感器霍尔开关传感器霍尔开关传感器绝缘板绝缘板绝缘板绝缘板磁铁磁铁磁铁磁铁N NS S霍尔计数装置及电路霍尔计数装置及电路霍尔计数装置及电路霍尔计数装置及电路+12V+12VSL3051SL3051A AS SV VT T+ +V VC CR R5 5R RL LR R4 4R R3 3R R1 1R R2 2计计计计数数数数器器
53、器器物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用七、霍尔式表面覆盖层厚度测量装置七、霍尔式表面覆盖层厚度测量装置7.4 磁电式传感器应用测量铁磁性物质表面非磁性涂层测量铁磁性物质表面非磁性涂层测量铁磁性物质表面非磁性涂层测量铁磁性物质表面非磁性涂层0 1 2 30 1 2 3 500 500 400 400 300 300 200 200 100 100物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用八、霍尔式汽车电子点火器八、霍尔式汽车电子点火器7.4 磁电式传感器应用霍尔传感器霍尔传感器
54、霍尔传感器霍尔传感器隔磁罩隔磁罩隔磁罩隔磁罩磁钢磁钢磁钢磁钢缺口缺口缺口缺口霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器隔磁罩隔磁罩隔磁罩隔磁罩缺口缺口缺口缺口磁钢磁钢磁钢磁钢当当当当缺缺缺缺口口口口对对对对准准准准霍霍霍霍尔尔尔尔元元元元件件件件时时时时，磁磁磁磁通通通通通通通通过过过过霍霍霍霍尔尔尔尔传传传传感感感感器器器器形形形形成成成成闭闭闭闭合合合合回回回回路路路路，电路导通，霍尔电路输出电路导通，霍尔电路输出电路导通，霍尔电路输出电路导通，霍尔电路输出 的低电平。的低电平。的低电平。的低电平。当当当当隔隔隔隔磁磁磁磁罩罩罩罩竖竖竖竖边边边边的的的的凸凸凸凸出出出出部部部部分分分分挡挡挡
55、挡在在在在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之之之之间间间间时时时时，电电电电路路路路截截截截止，霍尔电路输出高电平。止，霍尔电路输出高电平。止，霍尔电路输出高电平。止，霍尔电路输出高电平。 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用九、磁敏电阻的应用九、磁敏电阻的应用7.4 磁电式传感器应用磁磁磁磁敏敏敏敏电电电电阻阻阻阻可可可可用用用用来来来来作作作作为为为为电电电电流流流流传传传传感感感感器器器器、磁磁磁磁敏敏敏敏接接接接近近近近开开开开关关关关、角角角角速速速速度度度度/ /角角角角位位位位移移移移传感器、磁
56、场传感器等。传感器、磁场传感器等。传感器、磁场传感器等。传感器、磁场传感器等。磁磁磁磁敏敏敏敏电电电电阻阻阻阻可可可可用用用用于于于于开开开开关关关关电电电电源源源源、UPSUPS、变变变变频频频频器器器器、伺伺伺伺服服服服马马马马达达达达驱驱驱驱动动动动器器器器、家家家家庭庭庭庭网网网网络络络络智智智智能能能能化化化化管管管管理理理理、电电电电度度度度表表表表、电电电电子子子子仪仪仪仪器器器器仪仪仪仪表表表表、工工工工业业业业自自自自动动动动化化化化、智智智智能能能能机机机机器器器器人人人人、电电电电梯梯梯梯、智智智智能能能能住住住住宅宅宅宅、机机机机床床床床、工工工工业业业业设设设设备备备
57、备、断断断断路路路路器器器器、防防防防爆爆爆爆电电电电机机机机保保保保护护护护器器器器、家家家家用用用用电电电电器器器器、电电电电子子子子产产产产品品品品、电电电电力力力力自自自自动动动动化化化化、医医医医疗疗疗疗设设设设备备备备、机机机机床床床床、远远远远程程程程抄抄抄抄表表表表、仪仪仪仪器器器器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。自动测量、地磁场的测量、探矿等。自动测量、地磁场的测量、探矿等。自动测量、地磁场的测量、探矿等。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用十、磁敏二极管应用十、磁敏二极管应用漏磁探伤漏磁探伤7.4 磁电式传感器
58、应用漏磁探伤仪原理图漏磁探伤仪原理图漏磁探伤仪原理图漏磁探伤仪原理图1 1 1 1 裂缝；裂缝；裂缝；裂缝；2 2 2 2 磁敏管探头；磁敏管探头；磁敏管探头；磁敏管探头；3 3 3 3 铁芯；铁芯；铁芯；铁芯；4 4 4 4 激励线圈；激励线圈；激励线圈；激励线圈；5 5 5 5 被测棒材被测棒材被测棒材被测棒材5 5 放大器放大器放大器放大器显示显示显示显示仪表仪表仪表仪表4 42 23 31 15 5 放大器放大器放大器放大器显示显示显示显示仪表仪表仪表仪表4 42 23 31 1物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用十一、磁敏
59、三极管应用十一、磁敏三极管应用无触点电位器无触点电位器7.4 磁电式传感器应用V VmmV VHH+18V+18VR Rmm磁磁磁磁敏敏敏敏三三三三极极极极管管管管置置置置于于于于1kGs1kGs的的的的磁磁磁磁场场场场中中中中，改改改改变变变变磁磁磁磁敏敏敏敏三三三三极极极极管管管管的的的的基基基基极极极极电电电电流流流流，该该该该电电电电路路路路的的的的输输输输出出出出电电电电压压压压在在在在0.7V15V0.7V15V之之之之间间间间连续变化。连续变化。连续变化。连续变化。这这这这就就就就等等等等效效效效于于于于一一一一个个个个电电电电位位位位器器器器，而而而而且且且且没没没没有有有有触
60、触触触点点点点。该该该该电电电电路路路路特特特特别别别别适适适适合合合合于于于于变变变变化化化化频频频频繁繁繁繁、调调调调节节节节迅迅迅迅速速速速、噪噪噪噪声声声声要要要要求求求求低低低低的的的的场合。场合。场合。场合。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器7.3 磁敏式传感器磁敏式传感器7.4 磁电式传感器应用磁电式传感器应用 第七章 磁电式传感器 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用第七章第七章作 业第二版教材第二版教材126-127126-127页：页： 练习题：练习题：7-57-5，7-67-6，7-9 7-9 第三版教材第三版教材124124页：页： 练习题：练习题：7-57-5，7-67-6，7-9 7-9 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用第七章结束第七章结束谢谢合作！
