工学磁电磁敏式传感器.pptx

传感器原理及应用传感器原理及应用6.1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器6.3 磁敏元件磁敏元件 第六章 磁电、磁敏式传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用理解理解理解理解磁电式传感器的磁电转换原理及结构特征；磁电式传感器的磁电转换原理及结构特征；磁电式传感器的磁电转换原理及结构特征；磁电式传感器的磁电转换原理及结构特征；了解了解了解了解霍尔式传感器的磁电转换原理；霍尔式传感器的磁电转换原理；霍尔式传感器的磁电转换原理；霍尔式传感器的磁电转换原理；理解理解理解理解霍尔效应，掌握实际使用方法。霍尔效应，掌握实际使用方法。霍尔效应，掌握实际使用方法。霍尔效应，掌握实际使用方法。了解了解了解了解磁敏元件的原理及结构特征。磁敏元件的原理及结构特征。磁敏元件的原理及结构特征。磁敏元件的原理及结构特征。本章要求本章要求 第六章 磁电、磁敏式传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 磁电作用主要分为电磁感应和霍尔效应两种情况，磁（电）敏式传感器可以分为磁电感应式传感器和霍尔式传感器两种。此外还有一些半导体磁电传感器，如磁敏电阻器，磁敏晶体管，以及以这些元器件为磁-电转换器的各种半导体磁敏功能器件。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 UU U、I I I I 第六章 磁电、磁敏式传感器 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 UU U、I I I I 第六章 磁电、磁敏式传感器 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、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。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、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。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转换成易于测量的电信号。量转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、磁电感应式传感器概述 6.1 磁电感应式传感器（电动式）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是是以以电电磁磁感感应应原原理理为为基基础础的的。由由法法拉拉第第电电磁磁感感应应定定律律可可知知，N N匝匝线线圈圈在在磁磁场场中中运运动动切切割割磁磁力力线线或或线线圈圈所所在在磁磁场场的的磁磁通通变变化化时时，线线圈圈中中所所产产生生的的感感应应电电动动势势E E(V)(V)的大小取决于穿过线圈的磁通的大小取决于穿过线圈的磁通 的变化率，即的变化率，即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间作作相相对对运运动动；磁磁路路中中磁磁阻阻的的变变化化；恒恒定定磁磁场场中中线线圈圈面面积积的的变变化化等等，一一般般可可将将磁磁电电感感应应式式传传感感器器分分为为恒恒磁磁通通式式和和变变磁磁通通式式两类。两类。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传感器原理及应用传感器原理及应用1 1、恒磁通式、恒磁通式 6.1 磁电感应式传感器（电动式）图图 恒磁通式磁电传感器结构原理图恒磁通式磁电传感器结构原理图 恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动感应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切线圈切割磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种。割磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种。传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用式中：式中：B0工作气隙磁感应强度；工作气隙磁感应强度；L每匝线圈平均长度；每匝线圈平均长度N线圈在工作气隙磁场中的匝数；线圈在工作气隙磁场中的匝数；v相对运动速度。相对运动速度。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切切割割磁磁力力线线从从而产生感应电势。而产生感应电势。当传感器结构参数确定后，当传感器结构参数确定后，N N、B B和和l l均为恒定值，均为恒定值，E E与与v v成正比，成正比，根据感应电动势根据感应电动势E E的大小就可以知道被测速度的大小。的大小就可以知道被测速度的大小。传感器原理及应用传感器原理及应用 这类传感器的这类传感器的线圈和磁铁都是静止不动线圈和磁铁都是静止不动的。的。利用磁性材料制成齿轮，在运动中它不断地改利用磁性材料制成齿轮，在运动中它不断地改变磁路的磁阻变磁路的磁阻，因而改变了贯穿线圈的磁通量，因而改变了贯穿线圈的磁通量，因此在线圈中感应出电动势。因此在线圈中感应出电动势。变磁通式传感器一般都做成转速传感器，产生变磁通式传感器一般都做成转速传感器，产生的的感应电势的频率作为输出感应电势的频率作为输出，其，其频率值取决于磁通频率值取决于磁通变化的频率变化的频率。2 2、变磁通式、变磁通式 在结构上分为在结构上分为开磁路开磁路和和闭磁路闭磁路两种。两种。传感器原理及应用传感器原理及应用 开磁路变磁通式开磁路变磁通式转速转速 传感器如图所示，传传感器如图所示，传 感器由永久磁铁、感感器由永久磁铁、感 应线圈、软铁组成。应线圈、软铁组成。齿轮安装在被测转轴齿轮安装在被测转轴 上，与转轴一起旋转。上，与转轴一起旋转。1永久磁铁；永久磁铁；2软铁；软铁；3感应线圈；感应线圈；4齿轮。齿轮。图图 开磁路变磁阻式转速传感器开磁路变磁阻式转速传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 当齿轮旋转时，由齿轮的凹凸引起磁阻变化，而使当齿轮旋转时，由齿轮的凹凸引起磁阻变化，而使磁通发生变化，因而在线圈磁通发生变化，因而在线圈 3 中感应出交变电势，其频中感应出交变电势，其频率等于齿轮的齿数和转速的乘积，即率等于齿轮的齿数和转速的乘积，即式中，式中，z 为齿轮的齿数；为齿轮的齿数；n为被测轴的转速为被测轴的转速(r/min)；f 为感应电势频率为感应电势频率(Hz)。当齿轮的齿数当齿轮的齿数 z 确定以后，若能测出确定以后，若能测出 f 就可求出转速就可求出转速 n(n=60f/z)。这种传感器结构简单，但输出信号小，。这种传感器结构简单，但输出信号小，转速高时信号失真也大，在振动强或转速高的场合，往转速高时信号失真也大，在振动强或转速高的场合，往往采用闭磁路变磁阻式转速传感器。往采用闭磁路变磁阻式转速传感器。传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用已知测量齿轮齿数Z=18，采用变磁通感应式传感器测量工作轴转速(如图所示)。若测得输出电动势的交变频率为24(Hz)，求：被测轴的转速n(r/min)为多少?解：测量时，齿轮随工作轴一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，磁通也变化一次，因此，线圈感应电动势的变化频率f等于齿轮的齿数Z与转速n的乘积。=80(r/min)f=nZ/60n=传感器原理及应用传感器原理及应用图为图为闭磁路变磁通式闭磁路变磁通式，它由装在转轴上的内它由装在转轴上的内 齿轮和外齿轮、永久齿轮和外齿轮、永久 磁铁和感应线圈组成，磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。当转内外齿轮齿数相同。当转 轴连接到被测转轴上时，轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感生电动势。显然，感应电势的频率线圈内产生周期性变化的感生电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。与被测转速成正比。6.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器1-转轴2-内齿轮3a、3b-外齿轮4-线圈5-永久磁铁传感器原理及应用传感器原理及应用 转速传感器的输出电势取决于线圈中磁场变转速传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度，因而它是与被测速度成一定比例的，当化速度，因而它是与被测速度成一定比例的，当转速太低时，输出电势很小，以致无法测量。所转速太低时，输出电势很小以致无法测量。所以这种传感器有一个以这种传感器有一个下限工作频率下限工作频率，一般为，一般为50Hz左右，左右，闭磁路转速传感器下限频率可低到闭磁路转速传感器下限频率可低到30Hz左左右，上限工作频率可达右，上限工作频率可达100Hz。若将输出电势信号。若将输出电势信号转化为脉冲信号，则可方便的求解出转速的大小。转化为脉冲信号，则可方便的求解出转速的大小。传感器原理及应用传感器原理及应用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。6.1 磁电感应式传感器（电动式）传感器原理及应用传感器原理及应用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。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，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。传感器电流的磁场效应传感器电流的磁场效应 6.1 磁电感应式传感器（电动式）传感器原理及应用传感器原理及应用这种影响分为两种情况：1、当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时,将产生较大的感生电势E和较大的电流I，由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱了工作磁场的作用,从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。传感器电流的磁场效应传感器电流的磁场效应 传感器原理及应用传感器原理及应用 2、当线圈的运动速度与图示方向相反时,感生电势E、线圈感应电流反向，所产生的附加磁场方向与工作磁场同向，从而增大了传感器的灵敏度。其结果是线圈运动速度方向不同时,传感器的灵敏度具有不同的数值。传感器本身灵敏度越高,线圈中电流越大，这种非线性越严重。传感器原理及应用传感器原理及应用 为补偿上述附加磁场干扰,可在传感器中加入补偿线圈，如图所示。补偿线圈通以经放大K倍的电流,适当选择补偿线圈参数,可使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通互相抵消,从而达到补偿的目的。传感器原理及应用传感器原理及应用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。6.1 磁电感应式传感器（电动式）传感器原理及应用传感器原理及应用n 信号输出经测量电路转换可获得位移和加速度信号输出经测量电路转换可获得位移和加速度 直接输出电动势，测量速度信号；直接输出电动势，测量速度信号；接入积分电路可测量位移信号；接入积分电路可测量位移信号；接入微分电路可测量加速度信号。接入微分电路可测量加速度信号。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 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。6.1 磁电感应式传感器（电动式）位移位移速度速度加速度加速度传感器原理及应用传感器原理及应用位移位移速度速度加速度加速度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-+理想运放理想运放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uitu0t测量电路测量电路-位移位移传感器原理及应用传感器原理及应用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 c C Cu ui iu u0 0-+理想运放理想运放因为因为u0tuit测量电路测量电路加速度加速度传感器原理及应用传感器原理及应用五、磁电感应式传感器的应用五、磁电感应式传感器的应用 6.1 磁电感应式传感器（电动式）1.振动测量 磁铁与线圈之间相对运动，运动速度接近振动速度，磁路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 传感器原理及应用传感器原理及应用输出不从零开始，从 Va 开始:1.V Va 必需克服静摩擦力,才能相对运动；2.V Vc 惯性太大超过范围 振动传感器输出特性振动传感器输出特性传感器原理及应用传感器原理及应用 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式中中：z z为为传传感感器器定定子子、转转子子的的齿齿数。数。2.扭矩测量传感器原理及应用传感器原理及应用1、磁电式传感器测量电路中引入积分电路是为了测量（）。A位移 B速度C加速度 D光强2、当传感器线圈相对磁场运动所产生的附加磁场与原工作磁场方向相反时，附加磁场将 工作磁场的作用，从而使传感器的灵敏度随检测速度的增大而 。A、减弱、增大 B、减弱、降低 C、减弱、不变 D、增强、增大传感器原理及应用传感器原理及应用3、磁电式传感器是利用导体和磁场发生 而在导体两端输出感应电动势的原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。4、磁电式传感器只用于测量 ，可以直接测量振动物体的线速度或旋转体的角速度，加入积分或者微分电路后，可以测量位移和加速度。传感器原理及应用传感器原理及应用 霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔（E.H.Hall）首先在金属材料中发现了霍尔效应,但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。优点：灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗小、频率高（可达1MHz）、耐高温、耐震动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。已广泛应用于非电量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。6.2 霍尔式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 霍尔元件灵敏度霍尔元件灵敏度霍尔元件灵敏度霍尔元件灵敏度 霍尔电势霍尔电势霍尔电势霍尔电势1 1、定义、定义、定义、定义霍尔：霍尔：霍尔：霍尔：18791879年年年年半导体一、霍尔效应一、霍尔效应图形符号图形符号传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用UHKH I B KH霍尔元件的灵敏度。若保持I恒定，作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势UH也就越高。若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为UH=KHIBcos 传感器原理及应用传感器原理及应用2.工作原理 霍尔效应是物质中的运动电荷受磁场中洛仑兹（Lorentz)力作用而产生的一种特性。霍尔元件(设为N 型半导体)置于磁场B中，当通以电流I 时，运动电荷（载流子电子）受磁场中洛仑兹力fL 的作用，向垂直于B 和电流I的方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即运动电荷（电子）有向某一端积聚的现象，使霍尔元件一端面产生负电荷积聚，另一端面则为正电荷积聚。由于电荷聚积，产生静电场，该静电场对运动电荷（电子）的作用力fE 与洛仑兹力fL方向相反，阻止其偏转，当二力相等时，电荷积累达到动态平衡，此时的静电场即为霍尔电场，在电荷积聚的两面上产生的电势称为霍尔电势霍尔电势。(a)磁场为磁场为0时电子的流动时电子的流动 (b)电子在洛仑兹力作用下发生偏转电子在洛仑兹力作用下发生偏转 (c)电荷积累达到平衡时电荷积累达到平衡时传感器原理及应用传感器原理及应用 洛仑兹力 fL=evB e 电子所带电荷量 v 电子运动平均速度 B 磁感应强度 霍尔电场作用力 fE=eEH=eUH/bEH 霍尔电场 UH 霍尔电势 b 霍尔片的宽度 动态平衡时 fL=fE 则 evB=eUH/b由于电流密度 J=nev，则电流强度为 I=nevbd N型半导体：P型半导体：式中，d 霍尔片厚度 n 电子浓度 p 空穴浓度传感器原理及应用传感器原理及应用3.霍尔系数及灵敏度（1）霍尔系数：N型半导体：P型半导体：RH 被定义为霍尔传感器的霍尔系数，霍尔系数由材料性质决定它决定霍尔电势的强弱。（2）灵敏度：传感器原理及应用传感器原理及应用则 ，于是得到 RH。UHKH IB 霍尔元件的灵敏度就是指在单位磁感应强度和单位控制电流作用时，所能输出的霍尔电势的大小。由于材料电阻率与载流子浓度和其迁移率 有关，即 或 霍尔电势除了与材料的载流子迁移率和电阻率有关，同时还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件的厚度 d 与 KH 成反比，因此，霍尔元件的厚度越小其灵敏度越高（一般0.1mm）。要想霍尔电势强，材料的电阻率必须要高，且迁移率也要大要想霍尔电势强，材料的电阻率必须要高，且迁移率也要大。虽然金属导体的载流子迁移率很大，但其电阻率低绝缘体电阻率很高，但其载流子迁移率低。因此，只有半导体材料为最佳的霍尔传感器材料只有半导体材料为最佳的霍尔传感器材料。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)、砷砷化铟化铟(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、霍尔元件的构造霍霍尔尔片片是是一一块块半半导导体体单单晶晶薄薄片片(420.1mm3)，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，称为霍尔电极。线，称为霍尔电极。6.2 霍尔式传感器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6.2 霍尔式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用1）.输入电阻Ri 和输出电阻Ro Ri 是指控制电流电极之间的电阻值，Ro 指霍尔电压电极间的电阻。Ri 和Ro 可以在无磁场时，用欧姆表等测量。Ri Ro，（1002000）。2).额定控制电流Ic 使霍尔元件在空气中产生10温升的控制电流。（几mA 几十mA）。3).不等位电势U0 和不等位电阻R0 霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时其霍尔电压电极间的电势为不等位电势（也称为非平衡电压或残留电压）。主要是由于两电极不在同一等位面上以及材料电阻率不均匀等因素引起的。一般U0 10mV。不等位电势和额定控制电流 Ic之比为不等位电阻。R0=U0/Ic。4).灵敏度KH 在单位磁感强度下，通以单位控制电流时所产生的开路霍尔电压。3 3、霍尔元件的技术参数霍尔元件的技术参数传感器原理及应用传感器原理及应用5).寄生直流电势U0D 在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电压电极间产生的直流电势。主要是由于电极与霍尔基片间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造成的。6).霍尔电势温度系数 在一定的磁感应强度和控制电流下，温度每变化时，霍尔电势变化的百分率（/）。7).电阻温度系数 为温度每变化1时，霍尔元件电阻变化的百分（/）。8).灵敏度温度系数 为温度每变化1时，霍尔元件灵敏度的变化率。9).线性度 霍尔元件的线性度常用1kGs时相对于5kGs时霍尔电压的最大差值的百分比表示。传感器原理及应用传感器原理及应用 霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精度，造成测量误差的主要因素有两类：一类是半导体固有特性；一类为半导体制造工艺的缺陷。其表现为零位误差零位误差(不等位电势误差不等位电势误差)和温度误差和温度误差。三、霍尔元件测量误差和补偿传感器原理及应用传感器原理及应用当当霍霍尔尔元元件件通通以以激激励励电电流流 I 时时，若若磁磁场场 B=0，理理论论上上霍霍尔尔电电势势 UH=0，但但实实际际 UH0，这这时时测测得得的的空空载载电势称不等位电势电势称不等位电势 U0。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，不在同一等位面上，不在同一等位面上，或激励电极接触不良。或激励电极接触不良。半导体材料不均匀，几何尺寸半导体材料不均匀，几何尺寸不均匀，造成电阻率不均匀。不均匀，造成电阻率不均匀。(1)(1)不等位电势不等位电势传感器原理及应用传感器原理及应用 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不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出，路初始有不平衡输出，U00，可在电阻大的，可在电阻大的桥臂上并联电阻。桥臂上并联电阻。不等位电势可表示为不等位电势可表示为 U0=r0 IH,r0为不等位为不等位电阻电阻传感器原理及应用传感器原理及应用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、迁迁移移率率、电电阻阻率率，霍尔系数霍尔系数RH都会变化。都会变化。(2)(2)温度误差及补偿温度误差及补偿 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 UH=KH I B 可见，恒流源可见，恒流源 I 供电可使供电可使UH稳定，稳定，但灵敏度系数但灵敏度系数 KH=RH/d=/d 也是温度的函数，也是温度的函数，温度温度T变化时，灵敏度变化时，灵敏度KH也变化。也变化。传感器原理及应用传感器原理及应用 恒流源补偿方法恒流源补偿方法: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RpI 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 不变，不变，R p自动增加自动增加分流，使分流，使 I p 增大，增大，IH 下降，下降，UH下降；下降；补偿电阻补偿电阻 Rp 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 HKH=RH/d=/d 多数霍尔器件是正温度系数，多数霍尔器件是正温度系数，T KH ，可通过减小，可通过减小 I 保持保持 KHI 不变，抵消温度造成不变，抵消温度造成 KH 增加的影响。增加的影响。传感器原理及应用传感器原理及应用四、霍尔元件的应用电路 1.基本测量电路 控制电流 I 由电源 E 供给，电位器 W 调节控制电流 I 的大小。霍尔元件输出接负载电阻 RL，RL 可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产生霍尔电势 UH，所以在测量中，可以把 I 和 B 的乘积，或者 I，或者 B 作为输入信号，则霍尔元件的输出电势分别正比于 I B 或 I 或 B。基本电路基本电路UHKH IB 传感器原理及应用传感器原理及应用2.霍尔元件的驱动方式 霍尔元件的控制电流可以采用恒流驱动或恒压驱动。（a）恒流驱动）恒流驱动 （b）恒压驱动）恒压驱动传感器原理及应用传感器原理及应用 图（a）为直流供电情况。控制电流端并联，由W1、W2调节两个元件的输出霍尔电势，A、B为输出端，则它的输出电势为单片的两倍。图（b）为交流供电情况。控制电流端串联，各元件输出端接输出变压器 B 的初级绕组，变压器的次级便有霍尔电势信号叠加值输出。（a）（b）3.霍尔元件的连接方式 除了霍尔元件基本电路形式之外，如果为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。传感器原理及应用传感器原理及应用4.霍尔电势的输出电路 霍尔元件是一种四端器件四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏量级，在实际使用时必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式，因此，输出电路有两种结构。（a）线性应用）线性应用（b）开关应用）开关应用 当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不等位电势小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔器件。传感器原理及应用传感器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 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。6.2 霍尔式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用6.2 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。传感器原理及应用传感器原理及应用六、霍尔传感器的应用 利用霍尔传感器的磁电转换特性可以十分方便地测量磁场强度、电流等有关的物理量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它将许多非电、非磁的物理量，例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。1.位移测量 2.力（压力）测量 3.角度测量 4.霍尔加速度传感器 5.霍尔电流传感器 6.霍尔功率传感器 7.霍尔计数装置（接近开关）8.霍尔转速传感器 9.液位控制传感器原理及应用传感器原理及应用对上式积分 UH=K x 霍尔电势与位移量成线性关系，其输出电势的极性反映了位移方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度越好。当 x0 时，则元件置于磁场中心位置，UH0。这种位移传感器一般可测量12 mm的微小位移，其特点是惯性小，响应速度快，无触点测量。利用这一原理可以测量与之有关的非电量，如力、压力、加速度、液位和压差等。1位移测量 在梯度磁场中放置一个霍尔元件。当控制电流 I 恒定不变时，霍尔电势UH 与磁感应强度成正比；若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度 dB/dx 为一常数，则当霍尔元件沿 x 方向移动时，霍尔电势变化为（位移传感器的输出灵敏度）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。传感器原理及应用传感器原理及应用 当力F作用在悬臂梁上时，梁将发生变形，霍尔器件将有与力成正比的电压输出，通过测试电压即可测出力的大小。力与电压输出有一些非线性时，可采用电路或单片机软件来补偿。2.力(压力)测量传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用3.角度测量 将霍尔器件置于永久磁铁的磁场中，其输出霍尔电势UH为传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用4.霍尔加速度传感器霍尔式加速度传感器霍尔式加速度传感器上下方向的加速度上下方向的加速度 成比例的惯性力成比例的惯性力 梁发生弯梁发生弯曲变形曲变形 自由端产生与加速度成比例的位移自由端产生与加速度成比例的位移 霍尔霍尔元件输出与加速度成比例的霍尔电势元件输出与加速度成比例的霍尔电势U UH H。传感器原理及应用传感器原理及应用5.霍尔电流传感器（霍尔传感器测电流）霍尔传感器广泛用于测量电流，从而可以制成电流过载检测器或过载保护装置；在电机控制驱动中，作为电流反馈元件，构成电流反馈回路。传感器原理及应用传感器原理及应用铁心铁心 将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。线性霍尔线性霍尔IC传感器原理及应用传感器原理及应用 下面以UGN3501M霍尔传感器为例，阐明其测量电流的原理。标准软磁材料圆环中心直径为40mm，截面积为44mm2（方形），圆环上有一缺口，放入霍尔传感器，圆环上绕有11匝线，并通过检测电流。根据磁路理论，可以算出电流为50A时，可产生0.3T磁场强度。由于UGN3501M的灵敏度为14mVmT，则在050A电流范围内，其输出电压变化为04.2V。传感器原理及应用传感器原理及应用压舌压舌豁口豁口霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔式电流谐波分析仪传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用 6.霍尔功率传感器 利用 UH=KHIB 关系，如果 I 和 B 是两个独立变量，霍尔器件就是一个简单实用的模拟乘法器；如果 I 和 B 分别与某一负载两端的电压和通过的电流有关，则霍尔器件便可用于负载功率测量。霍尔器件测电功率霍尔器件测电功率 负载ZL所取电流 i 流过铁芯线圈以产生交变磁感强度B，电源电压U经过降压电阻R得到的交流电流ic流过霍尔器件，则霍尔器件输出电压uH便与电功率P成正比，即传感器原理及应用传感器原理及应用还可以完成乘方、开方、到数、除法、开立方等功能。霍尔元件平方器霍尔元件平方器 霍尔元件开方器霍尔元件开方器 传感器原理及应用传感器原理及应用7.霍尔计数装置（接近开关）UGN3501T具有较高的灵敏度，能感受到很小的磁场变化，因而可以检测铁磁物质的有无，利用这一特性可以制成计数装置。从图中还可以看出，霍尔元件也是一种接近开关。传感器原理及应用传感器原理及应用霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁（永磁）。用开关型霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。传感器原理及应用传感器原理及应用 在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。开关型霍尔开关型霍尔ICIC软铁分流翼片软铁分流翼片霍尔式接近开关用于转速测量霍尔式接近开关用于限位作用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用8.霍尔转速传感器11转轴转轴 22转盘转盘 33磁铁磁铁 44霍尔元件霍尔元件几种霍尔转速传感器的结构几种霍尔转速传感器的结构 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮。