第九章磁電式傳感器河南理工大學

1、導體N9. 1磁電感應式傳感器9.1.1工作原理根據電磁感應定律:穿過N匝線圈的磁通發(fā)生變化時,線圈 產生感應電勢,其大小為:e = ZdtN匝線圈作切割磁力線運動時# 線圈中也產生感應電勢,其大小為:e = BlNv式中：B磁感應強度, N線圈匝數, L每匝線圈長度, V運動速度磁電感應式傳感器的類型：(1)恒磁通式:磁路系統(tǒng)恒定磁場(永久 磁場)，線圈是運動部件。(2 )變磁通式:線圈、磁鐵靜止不動f轉 動物體引起磁阻.磁通變化。2變磁通式1（開磁路）磁鐵靜止不動,線圈、測量齒輪在轉動。這種傳感器結構簡單，但輸出信號較小，且轉速高時，測 量誤差大。4變磁通式2（閉磁路）3它由裝在轉軸上的內

2、齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應線圈 組成，內外齒輪齒數相同。外齒輪6不動，內齒輪5隨被測軸而轉動。恒磁通式（動圈式）価工血霉I針倔理磁路系統(tǒng)產生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運動部件可以是線圈（動圈式）9.1.2磁電感應傳感器的結構及測量電路、傳感器的結構(1) 磁路系統(tǒng)。它產生一個恒定直流磁場，為了減小傳感器體積，一般都采用永久磁鐵。(2) 線圈。它與磁場中的磁通相交鏈產生感應電動勢。(3) 運動機構。它使線圈與磁場產生相對運動，是線圈運動的稱為動圈式，是磁鐵運動的稱為動鐵式。8©affiK (沖 DmJSJIT朋畫ffl)1呻汩；2盡棄；

3、-Md _一 =_55FOFm爭 L TTrFb 匸？ k 1 I I BnndTIL5F畫fit)二、信號輸出測量電路直接輸出電動勢測量速度; e = sv接入積分電路測量位移;x = vdt接入微分電路測量加速度?！?dva =9.2霍爾式傳感器概述霍爾傳感器屬于磁敏元件，它是基于磁電轉換原理而工作的。磁敏傳感器是把磁學物理量轉換成電信號O該學量特點：結構簡單、體積小、動態(tài)特性好、壽命長。9. 2. 1霍爾效應1878年美國物理學家霍爾首先發(fā)現金屬中的霍爾效 應,因為太弱沒有得到應用。隨著半導體技術的發(fā)展, 人們發(fā)現半導體材料的霍爾效應非常明顯,并且體積 小有利于集成化?；魻杺鞲衅魇腔诨?/p>

4、爾效應?；魻栃?若在某導體薄片的兩端通過電流I,并在 薄片的垂直方向上施加磁感應強度為B的磁場,則在 垂直于電流和磁場方向的平面上產生電動勢,稱為霍 爾電勢或霍爾電壓,這種現象稱為霍爾效應?；魻栃菔井敶艌龃怪庇诒∑瑫r，電子受到洛侖茲力的作用，向內側偏移，在半導體薄片的內側面與外 側面形成電荷的積累，形成電勢，建立電場。在磁場作用下導體中的自由電子受到洛侖茲力的作用，被 推向導體的另一側，每個電子受力的大小為:Fl = evB同時 < 電子還受到霍爾電場的作用， 作用力的大小為:霍爾電場當兩作用力相等時電荷不再 向兩邊積累達到動態(tài)平衡:Fh = Fl eEH = evB霍爾電壓:U

5、H = vBb匕“半導體電子運動速度；其中：Rh霍爾常數,與材料有關;Kh靈敏度?；魻栰`敏度匸 J3與薄片厚度有關B垂直與半導體薄片的磁感應強度; b半導體薄片的寬度。17磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢若磁感應強度味垂直于霍爾元件,而是與其法 線成某一角度0時,實際上作用于霍爾元件上的有效 磁感應強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分 量,即仗OS"這時的霍爾電勢為i7H=H/Bcos 0結論:霍爾電勢與輸入電流A磁感應強度堿正比, 且當躺方向改變時,霍爾電勢的方向也隨之改變。如 果所施加的磁場為交變磁場,則霍爾電勢為同頻率的 交變電勢。1Uh= KhIBRhnekh上式中,卩

6、“電子遷移率（在單位電場作用下電子的平均漂 移速度）o討論:任何初料在一定條件下都能產生霍爾電勢,但不是都可 以制造霍爾元件；絕緣材料電阻率P很大，但電子遷移率P很小,不適用；金屬材料電子濃度n很高f霍爾系數Rh很小，Uh很??；半導體材料電阻率P較大f P較大，Rh大，非常適于做霍爾 元件；半導體中電子遷移率一般大于空穴的遷移率f所以霍爾元件 多采用N型半導體（多電子）；由上式可見,厚度d趣小f霍爾靈敏度KH越大,所以霍爾元件做的較薄,通常近似1微米。152.2霍爾元件的基本結構與基本測量電路L霍爾元件基本結構霍爾元件的結構很簡單，它是由一塊矩形半導體單晶薄片、 四根引線和殼體組成的。引出四根

7、引線：1、1兩根引線加激 勵電壓或電流，稱激勵電極（控制電極）；2、27引線為霍爾 輸出引線，稱霍爾電極。霍爾元件的殼體是用非導磁材料。如: 陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。在電路中，霍爾元件一般可用兩種符 號表示，如圖（b）所示。1、1觸電極；2、2*21國產霍爾元件別號的命名方法如下:阿拉怕字母代衣產品序號漢涪拼音字珂代表1乙錯 霍爾元件的材料）T鋼化錮I孚司申化錮漢語拼音字母H代表霰爾兀件常見的國產霍爾元件型號有HZ1、HZ2、HZ3、HTl、HT 2、HS1 等。2.霍爾傳感器基本電路霍爾晶體的外形為矩形薄片有四根引線（四端元 件）。兩端加激勵,兩端為輸出,Rl為負載電阻； 電源E通過R控制激勵

8、電流I ；aNIrJ 0 B11 Kc-HiB磁場與元件面垂直（向里） 分析時,可把FB作輸入, 也可把I或B單獨做輸入, 霍爾電勢Uo為輸出。輸出Uo與I或B成正比關系, 或與1陀成正比關系?；魻栐倪B接實際應用中,為了獲得較大的霍爾電壓,可將幾個 霍爾元件的輸出串聯起來,如圖所示,在這種連接方 法中,激勵電流極應該是并聯的,如果將其接成串聯, 霍爾元件將不能正常工作,雖然霍爾元件的串聯可以 増加輸出電壓，但其輸出電阻也將増大。HHUn9. 2.3霍爾元件的主要技術參數(1) 額定激勵電流和最大允許激勵電流當霍爾元件自身溫升10C時所流過的激勵電 流稱為額定激勵電流。當元件在允許最大溫升時

9、所對應的激勵電流 稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而線性增加，所 以使用中希望選用盡可能大的激勵電流。改善霍 爾元件的散熱條件，可以使激勵電流增加。(2) 輸入電阻和輸出電阻激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻O 霍爾輸出電勢對電路外部來說相當于一個電壓源,其電源內阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應強度為零，且環(huán)境溫度在20°C±5°C時所確定的。(3) 不等位電勢和不等位電阻當霍爾元件的激勵電流為/時，若元件所處位置磁感應強度 為零，則它的霍爾電勢應該為零，但實際不為零。這時測得的 空載霍爾電勢稱為不等位電勢。不等位電阻為：Ro=UoaH產生不等位電勢

10、的原因有： 霍爾電極安裝位置不對稱，造成兩電極在同一等電位面上; 半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是 幾何尺寸不均勻； 激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。(4) 寄生直流電勢在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾 電極輸出除了交流不等位電勢外，還有一直流電勢， 稱為寄生直流電勢。其產生的原因有：激勵電極、霍爾電極接觸不良，形成非歐姆接觸,造成整流效果; 兩個霍爾電極大小不對稱，則兩個電極點的熱容不同，散熱狀態(tài)不同而形成極間溫差電勢。寄生直流電勢一般在lmV以下，它是影響霍爾片溫漂的原因之一。9. 2. 4測量誤差及誤差的補償1.霍爾元件不等位電勢補償不等位電勢與霍爾電勢具有相同

11、的數量級，有時甚至超過霍爾電勢，而實用中要消除不等位電勢是極其困難的，因而必 須采用補償的方法。分析不等位電勢時，可以把霍爾元件等效 為一個電橋，用分析電橋平衡來補償不等位電勢。B34不等位電勢的補償：不等位電壓相當于橋路初始有不平衡輸出U°H0,可在電阻 大的橋臂上并聯電阻進行補償。OCRqCODIv AilB A o FIIROD(b)AB2.溫度補償霍爾元件是采用半導體材料制成的，因此它們的 許多參數都具有較大的溫度系數。當溫度變化時，霍 爾元件的載流子濃度、電阻率及霍爾系數都將發(fā)生變 化，從而使霍爾元件產生溫度誤差。為了減小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數 小的元件或采用恒

12、溫措施外，由爲二解可看出：采用 恒流源供電是有效措施，可以使霍爾電勢穩(wěn)定?；魻栐撵`敏系數Kh也是溫度的函數，它隨溫 度變化將引起霍爾電勢的變化?；魻栐撵`敏度系 數與溫度的關系可寫成Kh二心。（1+如）大多數霍爾元件的溫度系數a是正值，它們的霍 爾電勢隨溫度升高而大。但如果同時讓激勵電流Zs相 應地減小，并能保持冷Is乘積不變，也就抵消了靈 敏系數冊增加的影響。電路中Ts為恒流源，分流電阻Rp與霍爾元件的 激勵電極相并聯。當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升 高而增加時，旁路分流電阻口）（負溫度系數）自動 地增大分流，減小了霍爾元件的激勵電流厶，從而達 到補償的目的。409. 2.5霍爾集成傳感

13、器霍爾集成電路可分為線性型和開關型兩大類。線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直 接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件 如 UGN3501等。線性三端 霍爾集成電路線性型霍爾特性右圖示出了具有差動輸出特性的線性霍爾 器件的輸岀特性曲線。當磁場為零時，它的輸 出電壓等于零；當感受 的磁場為正向（磁鋼的s極對準霍爾器件的正面）時，輸出為正； 磁場反向時，輸出為負。線性范圍開關型霍爾集成電路開關型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn) 壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、ocn （集 電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。 當外加磁場強度超過規(guī)定的工作點

14、時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?當外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關型霍爾器件如UGN3020等。開關型霍爾集成電路的外形及內部電路開關型霍爾集成電路的史密特輸出特性回差越大,抗干擾 能力就越強。UoH _|IIN II回差一（丿oL _1 _* 一III11 _00.010.0150.020.0250.03S/T9. 2.6霍爾傳感器的應用霍爾電勢是關于/、B、0三個變量的函數，即 UKBcosO o利用這個關系可以使其中兩個量不變,將第三個量作為變量，或者固定其中一個 量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。讓磁場保持不變

15、，在溫度一定的情況下，霍爾電 壓片與控制電流I具有很好的線性關系。利用這一特性, 可直接測量電流，也可用于測量能轉換為電流的其他物 理量。3JAI O 霍爾鉗形電流表2.利用g與B的關系讓霍爾元件的勵磁電流保持不變。(1) 霍爾電壓與磁感應強度B具有很好的線性關系。 利用這一特性，可直接測量磁場。(2) 如果讓霍爾元件在磁場中運動，則霍爾電壓與它在磁場中的位置有關、與運動速度有關，利用這一原理 可測位移、速度、加速度、振動等。3.利用5與BI的關系通常與B I的乘積有關。Uh=KBI=K kU I 即可實現功率測量。B=KBImsin(ot+(p) ； i=KIUmsin(ot u=KHiB=

16、KUIcos(p-KUIcos(2o)t+(p) 將二倍頻交流分量濾除，則輸出電壓與有功功率成正比霍爾傳感器用于測量磁場強度測量鐵心 氣隙的值霍爾元件blip*霍爾轉速表原理磁體磁體霍爾元件羈力找集中 齒輪屈籲力找分世齒呻 塑料外殼當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾 元件，可產生較大的霍爾電動勢，放大、整形 后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾 元件時，輸出為低電平。41霍爾式接近開關當磁鐵的有效磁極接 近、并達到動作距離時， 霍爾式接近開關動作?；?爾接近開關一般還配一塊 磁鐵?；魻柺浇咏_關用霍爾ic也能完成接近開關的功能，但是它只能 用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強的閉

17、合磁場?；魻柺浇咏_關用于定 位控制働帀/O"摻霍爾式接近開關用于 轉速痂量演示金屬葉片=60 (r/min)4開關型霍爾IC43將被測電流的 導線穿過霍爾電流霍爾電流傳感器傳感器的檢測孔。當有電流通過導線時，在導線周圍將產生磁場，磁力線 集中在鐵心內，從而產生與電流成正 比的霍爾電壓。45線性霍爾ICUh=Kh IB汽車霍爾點火器 組成：霍爾分電器、開關電路、點火線圈?；魻柗蛛娖鳎焊舸耪?、磁罩缺口2、霍爾半導體薄片3、 磁鋼4。當缺口對準霍爾半導體薄片，有磁通通過，霍爾元供 有輸出電壓Uh；當磁罩擋住霍爾半導體薄片，無磁通通過，霍爾元件 無輸出電壓。46當有磁通通過霍爾元件時，有輸出電壓, VT導 通、VT2. VT3截止，點火線圈斷電；當無磁通通過霍爾元件時，無輸出電壓VT】截 止、VT2> VT3導通，點火線圈通電；由于變壓器原變線圈通斷，則在次級線圈中感應 出高電壓，通