磁電式傳感器(簡(jiǎn)化)

1、第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第6章 磁電式傳感器 Magneto electric sensors第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器6.1 6.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器 磁電感應(yīng)式傳感器又稱(chēng)電動(dòng)勢(shì)式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理磁電感應(yīng)式傳感器又稱(chēng)電動(dòng)勢(shì)式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量將被測(cè)量( (如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等) )轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。它是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)它是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的。它是一種的。它是一種機(jī)機(jī)- -電能量變換型電能量變換型傳

2、感器，傳感器，不需要供電電源不需要供電電源，電路簡(jiǎn)，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍( (一般為一般為101010001000Hz)Hz)，所以得到普遍應(yīng)用。，所以得到普遍應(yīng)用。 磁電感應(yīng)式傳感器是以磁電感應(yīng)式傳感器是以電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的。由法拉第電磁為基礎(chǔ)的。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)定律可知，N N匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場(chǎng)匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場(chǎng)的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E E(V)(V)的大小取決于穿過(guò)的大小取決

3、于穿過(guò)線圈的磁通線圈的磁通 的變化率，即的變化率，即ddENt Wb第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器磁通量的變化可以通過(guò)很多辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如磁鐵與線圈之間作磁通量的變化可以通過(guò)很多辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如磁鐵與線圈之間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)；磁路中磁阻的變化；恒定磁場(chǎng)中線圈面積的變化等，相對(duì)運(yùn)動(dòng)；磁路中磁阻的變化；恒定磁場(chǎng)中線圈面積的變化等，一般可將磁電感應(yīng)式傳感器分為一般可將磁電感應(yīng)式傳感器分為恒磁通式恒磁通式和和變磁通式變磁通式兩類(lèi)。兩類(lèi)。6.1.1 6.1.1 恒磁通式磁電感應(yīng)傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理恒磁通式磁電感應(yīng)傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理恒磁通式磁電感應(yīng)傳感器結(jié)構(gòu)中，工作氣隙中的磁通恒定，感恒磁通式磁電感應(yīng)傳

4、感器結(jié)構(gòu)中，工作氣隙中的磁通恒定，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由于永久磁鐵與線圈之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由于永久磁鐵與線圈之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)線圈切割線圈切割磁力線而產(chǎn)生。這類(lèi)結(jié)構(gòu)有動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式兩種，如圖所示。磁力線而產(chǎn)生。這類(lèi)結(jié)構(gòu)有動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式兩種，如圖所示。第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器磁鐵與線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)使線圈切割磁力線，產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)速度磁鐵與線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)使線圈切割磁力線，產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)速度d dx/x/d dt t成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E E，其大小為，其大小為ddxENBlt 式中：式中：N N為線圈在工作氣隙磁場(chǎng)中的匝數(shù)；為線圈在工作氣隙磁場(chǎng)中的匝數(shù)；B B為工作氣隙磁感應(yīng)為工作氣隙

5、磁感應(yīng)強(qiáng)度；強(qiáng)度；l l為每匝線圈平均長(zhǎng)度。為每匝線圈平均長(zhǎng)度。當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，N N、B B和和l l均為恒定值，均為恒定值，E E與與d dx/x/d dt t成正成正比，根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)比，根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E E的大小就可以知道被測(cè)速度的大小。的大小就可以知道被測(cè)速度的大小。由理論推導(dǎo)可得，當(dāng)振動(dòng)頻率低于傳感器的固有頻率時(shí)，這種傳由理論推導(dǎo)可得，當(dāng)振動(dòng)頻率低于傳感器的固有頻率時(shí)，這種傳感器的靈敏度感器的靈敏度( (E E/ /v v) )是隨振動(dòng)頻率而變化的；當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于是隨振動(dòng)頻率而變化的；當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于固有頻率時(shí)，傳感器的靈敏度基本上不隨振動(dòng)頻率而變

6、化，而近固有頻率時(shí)，傳感器的靈敏度基本上不隨振動(dòng)頻率而變化，而近似為常數(shù)；當(dāng)振動(dòng)頻率更高時(shí)，線圈阻抗增大，傳感器靈敏度隨似為常數(shù)；當(dāng)振動(dòng)頻率更高時(shí)，線圈阻抗增大，傳感器靈敏度隨振動(dòng)頻率增加而下降。振動(dòng)頻率增加而下降。不同結(jié)構(gòu)的恒磁通磁電感應(yīng)式傳感器的頻率響應(yīng)特性是有差異的，不同結(jié)構(gòu)的恒磁通磁電感應(yīng)式傳感器的頻率響應(yīng)特性是有差異的，但一般頻響范圍為幾十赫至幾百赫。低的可到但一般頻響范圍為幾十赫至幾百赫。低的可到1010HzHz左右，高的可左右，高的可達(dá)達(dá)2 2kHzkHz左右。左右。第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器6.1.2 6.1.2 變磁通式磁電感應(yīng)傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理變磁通式磁電感

7、應(yīng)傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理變磁通式磁電感應(yīng)傳感器一般做成轉(zhuǎn)速傳感器，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)變磁通式磁電感應(yīng)傳感器一般做成轉(zhuǎn)速傳感器，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率作為輸出，而電動(dòng)勢(shì)的頻率取決于磁通變化的頻率。勢(shì)的頻率作為輸出，而電動(dòng)勢(shì)的頻率取決于磁通變化的頻率。變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)有開(kāi)磁路和閉磁路兩種。變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)有開(kāi)磁路和閉磁路兩種。如圖所示開(kāi)磁路變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器。如圖所示開(kāi)磁路變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器。測(cè)量齒輪測(cè)量齒輪4 4安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上與其一起安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上與其一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒的凹凸引起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒的凹凸引起磁阻的變化，從而使磁通發(fā)生變化，磁阻的變化，從而使磁通發(fā)生變化，因而

8、在線圈因而在線圈3 3中感應(yīng)出交變的電勢(shì)，其中感應(yīng)出交變的電勢(shì)，其頻率等于齒輪的齒數(shù)頻率等于齒輪的齒數(shù)Z和轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速n的乘積，的乘積，即即式中：式中：Z為齒輪齒數(shù)；為齒輪齒數(shù)；n為被測(cè)軸轉(zhuǎn)速為被測(cè)軸轉(zhuǎn)速( (v/min) )；f為感應(yīng)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率電動(dòng)勢(shì)頻率( (Hz) )。這樣當(dāng)已知。這樣當(dāng)已知Z，測(cè)得，測(cè)得f就知道就知道n了。了。/60fZn第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器開(kāi)磁路式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)小，另外當(dāng)被開(kāi)磁路式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)小，另外當(dāng)被測(cè)軸振動(dòng)比較大時(shí)，傳感器輸出波形失真較大。在振動(dòng)強(qiáng)的場(chǎng)測(cè)軸振動(dòng)比較大時(shí)，傳感器輸出波形失真較大。在振動(dòng)

9、強(qiáng)的場(chǎng)合往往采用閉磁路式轉(zhuǎn)速傳感器。合往往采用閉磁路式轉(zhuǎn)速傳感器。第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器被測(cè)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)橢圓形測(cè)量輪被測(cè)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)橢圓形測(cè)量輪5 5在磁場(chǎng)氣隙中等速轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣隙在磁場(chǎng)氣隙中等速轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣隙平均長(zhǎng)度周期性地變化，因而磁路磁阻和磁通也同樣周期性地平均長(zhǎng)度周期性地變化，因而磁路磁阻和磁通也同樣周期性地變化，則在線圈變化，則在線圈3 3中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其頻率中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其頻率f與測(cè)量輪與測(cè)量輪5 5的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速速n(r/min)成正比，即成正比，即f = n/30。在這種結(jié)構(gòu)中，也可以用齒輪。在這種結(jié)構(gòu)中，也可以用齒輪代替橢圓形測(cè)量輪代替橢圓形測(cè)量輪5 5，軟鐵，軟鐵

10、( (極掌極掌) )制成內(nèi)齒輪形式，這時(shí)輸出制成內(nèi)齒輪形式，這時(shí)輸出信號(hào)頻率信號(hào)頻率f 同前式。同前式。 變磁通式傳感器對(duì)環(huán)境條變磁通式傳感器對(duì)環(huán)境條件要求不高，能在件要求不高，能在-150-150+90+90的溫度下工作，不影的溫度下工作，不影響測(cè)量精度，也能在油、響測(cè)量精度，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，但它的工作頻率下限較高，約為約為5050HzHz，上限可達(dá)，上限可達(dá)100100kHzkHz。第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器 2 2振動(dòng)測(cè)量振動(dòng)測(cè)量工作頻率工作頻率1010500500HzHz最大可測(cè)加速度最大可測(cè)加速度5g5g

11、精度精度1010固有頻率固有頻率1212HzHz可測(cè)振幅范圍可測(cè)振幅范圍0.10.110001000 外形尺寸外形尺寸45mm45mm160160mmmm靈敏度靈敏度604604m mVscmVscm-1-1工作線圈內(nèi)阻工作線圈內(nèi)阻1.91.9質(zhì)量質(zhì)量0.70.7kgkgmk1 1、88圓形彈簧片；圓形彈簧片；22圓環(huán)形阻尼器；圓環(huán)形阻尼器；33永久磁鐵；永久磁鐵；44鋁架；鋁架；55心軸；心軸；66工作線圈；工作線圈；77殼體；殼體；99引線引線6.1.3 6.1.3 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用1 1轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器3扭矩測(cè)量扭矩測(cè)量

12、 當(dāng)轉(zhuǎn)軸不受扭矩時(shí)，兩線圈輸出當(dāng)轉(zhuǎn)軸不受扭矩時(shí)，兩線圈輸出信號(hào)相同，相位差為零。當(dāng)被測(cè)軸信號(hào)相同，相位差為零。當(dāng)被測(cè)軸感受扭矩時(shí)，軸的兩端產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，感受扭矩時(shí)，軸的兩端產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，因此兩個(gè)傳感器輸出的兩個(gè)感應(yīng)電因此兩個(gè)傳感器輸出的兩個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將因扭矩而有附加相位差動(dòng)勢(shì)將因扭矩而有附加相位差 。扭轉(zhuǎn)角扭轉(zhuǎn)角 與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相位差的關(guān)與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相位差的關(guān)系為系為式中：式中：z z為傳感器定子、轉(zhuǎn)子的齒為傳感器定子、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。數(shù)。0z0第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器6.2 6.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 霍爾式傳感器是基于霍爾式傳感器是基于霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出

13、的而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器?；魻柶骷且环N磁傳感器，用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及一種傳感器。霍爾器件是一種磁傳感器，用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。 霍爾器件具有許多霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高( (可達(dá)可達(dá)1 1MHz)MHz)，耐振動(dòng)，不怕，耐振動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；覊m、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 按照霍爾器件的功能可將它們分為：按照霍爾器件的功能可將它們分為：

14、霍爾線性器件霍爾線性器件和和霍爾開(kāi)關(guān)霍爾開(kāi)關(guān)器件器件，前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。，前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。 霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高( (可達(dá)可達(dá) 級(jí)級(jí)) )。采用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍。采用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)寬，可達(dá)-55-55+150+150。 m第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器6.2.1 6.2.1 霍爾傳感器的工作原理霍爾傳感器

15、的工作原理1 1霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B 的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流于薄片，當(dāng)有電流I I 流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E EH H，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。 磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B B為零時(shí)的情況為零時(shí)的情況A AB BC CD D第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器當(dāng)有圖示方向磁場(chǎng)當(dāng)有圖示方向磁場(chǎng)B B作用時(shí)作用時(shí) 作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高。越強(qiáng)，霍

16、爾電勢(shì)也就越高。霍爾電勢(shì)霍爾電勢(shì)E EH H可用下式表示：可用下式表示： EH=KH IB第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器霍爾效應(yīng)演示霍爾效應(yīng)演示 當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片A A、B B方向的端面之間建立起霍爾電方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。勢(shì)。A AB BC CD D第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器可以推出，霍爾電動(dòng)勢(shì)可以推出，霍爾電動(dòng)勢(shì)UH的大小為：的大小為： HHcosUk IB式中：式中：kH為靈敏度系數(shù)，為靈敏度系數(shù)，kH= RH/d，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和

17、單，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小位控制電流時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小, ,與材料的物理特性（霍爾系與材料的物理特性（霍爾系數(shù)）和幾何尺寸數(shù)）和幾何尺寸d d有關(guān)；有關(guān)； 霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)RH1/(nq)，由材料物理性質(zhì)，由材料物理性質(zhì)所決定，所決定，q為電子電荷量為電子電荷量 ；n為材料中的電子濃度。為材料中的電子濃度。 為磁場(chǎng)為磁場(chǎng)和薄片法線夾角。和薄片法線夾角。 結(jié)論：結(jié)論：霍爾電勢(shì)與輸入電流霍爾電勢(shì)與輸入電流I I、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度B B成正比，且當(dāng)成正比，且當(dāng)B B的的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。如果所施加的磁場(chǎng)方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。

18、如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，則霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì)。為交變磁場(chǎng)，則霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì)。 金屬材料中的自由電子濃度金屬材料中的自由電子濃度n很高，因此很高，因此RH很小，不宜作霍爾很小，不宜作霍爾元件?；魻栐嘤幂d流子遷移率大的元件?；魻栐嘤幂d流子遷移率大的N型半導(dǎo)體材料制作。型半導(dǎo)體材料制作。另外，霍爾元件越薄另外，霍爾元件越薄( (d越小越小) )，kH就越大，所以通常霍爾元件就越大，所以通?；魻栐驾^薄。薄膜霍爾元件的厚度只有都較薄。薄膜霍爾元件的厚度只有1 1 左右。左右。m第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器2 2霍爾元件霍爾元件霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片

19、霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片( (一般為一般為4 4mmmm2 2mmmm0.10.1mm)mm)，經(jīng)研磨拋光，然后用蒸發(fā)合金法或其他方法制作歐姆接觸電極，經(jīng)研磨拋光，然后用蒸發(fā)合金法或其他方法制作歐姆接觸電極，最后焊上引線并封裝。而薄膜霍爾元件則是在一片極薄的基片上最后焊上引線并封裝。而薄膜霍爾元件則是在一片極薄的基片上用蒸發(fā)或外延的方法做成霍爾片，然后再制作歐姆接觸電極，焊用蒸發(fā)或外延的方法做成霍爾片，然后再制作歐姆接觸電極，焊上引線最后封裝。一般控制端引線采用紅色引線，而霍爾輸出端上引線最后封裝。一般控制端引線采用紅色引線，而霍爾輸出端引線則采用綠色引線?；魻栐臍んw用非導(dǎo)磁金屬、陶

20、瓷或環(huán)引線則采用綠色引線?；魻栐臍んw用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝。氧樹(shù)脂封裝。 (a) (a) 霍爾元件外形霍爾元件外形 (b)(b)電路符號(hào)電路符號(hào) (c) (c) 基本應(yīng)用電路基本應(yīng)用電路第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器3 3霍爾元件的主要特性及材料霍爾元件的主要特性及材料 1) 1) 霍爾元件的主要特性參數(shù)霍爾元件的主要特性參數(shù)(1) (1) 靈敏度靈敏度k kH H：表示元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下所：表示元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下所得到的開(kāi)路霍爾電動(dòng)勢(shì)，單位為得到的開(kāi)路霍爾電動(dòng)勢(shì)，單位為V/(AT)V/(AT)。(2) (2) 霍爾輸入電阻霍爾輸入電

21、阻R Rinin：霍爾控制電極間的電阻值。：霍爾控制電極間的電阻值。(3) (3) 霍爾輸出電阻霍爾輸出電阻R Routout：霍爾輸出電極間的電阻值。：霍爾輸出電極間的電阻值。(4) (4) 霍爾元件的電阻溫度系數(shù)霍爾元件的電阻溫度系數(shù)：表示在不施加磁場(chǎng)的條件下，：表示在不施加磁場(chǎng)的條件下，環(huán)境溫度每變化環(huán)境溫度每變化11時(shí)電阻的相對(duì)變化率，單位為時(shí)電阻的相對(duì)變化率，單位為%/%/。(5) (5) 霍爾寄生直流電勢(shì)霍爾寄生直流電勢(shì)U U0 0：在外加磁場(chǎng)為零、霍爾元件用交流激：在外加磁場(chǎng)為零、霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí)，霍爾電極輸出除了交流不等位電動(dòng)勢(shì)外，還有一直流電勢(shì)，勵(lì)時(shí)，霍爾電極輸出除了交流

22、不等位電動(dòng)勢(shì)外，還有一直流電勢(shì)，稱(chēng)為寄生直流電勢(shì)。稱(chēng)為寄生直流電勢(shì)。(6) (6) 霍爾最大允許激勵(lì)電流霍爾最大允許激勵(lì)電流I Imaxmax：以霍爾元件允許最大溫升為：以霍爾元件允許最大溫升為限制所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流稱(chēng)為最大允許激勵(lì)電流。限制所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流稱(chēng)為最大允許激勵(lì)電流。第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器 2) 2) 霍爾元件的材料霍爾元件的材料鍺鍺(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、銻化銦、銻化銦(InSb)(InSb)、砷化銦、砷化銦(InAs)(InAs)和砷化鎵和砷化鎵(GaAs)(GaAs)是常見(jiàn)的制作霍爾元件的幾種半導(dǎo)體材料。表是常見(jiàn)的制作霍爾元件的幾種半導(dǎo)體材料

23、。表6-26-2所列所列為制作霍爾元件的幾種半導(dǎo)體材料主要參數(shù)。為制作霍爾元件的幾種半導(dǎo)體材料主要參數(shù)。1 2/電阻率電阻率電子遷移率電子遷移率 材料材料(單晶單晶)禁帶寬度禁帶寬度Eg/(eV)/(cm)/(cm/Vs)霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)RH/(cmC-1-1)N型鍺型鍺(Ge)0.661.0350042504000N型硅型硅(Si)1.1071.5150022501840銻化銦銻化銦(InSb)0.170.005600003504200砷化銦砷化銦(InAs)0.360.0035250001001530磷砷銦磷砷銦(InAsP)0.630.08105008503000砷化鎵砷化鎵(GaAs)

24、1.470.2850017003800哪種材料制作的霍爾元件靈敏度高哪種材料制作的霍爾元件靈敏度高第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器不等位電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不等位電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不可能保證將兩個(gè)霍爾電極對(duì)稱(chēng)地焊在霍不可能保證將兩個(gè)霍爾電極對(duì)稱(chēng)地焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩電極點(diǎn)不能完全位于爾片的兩側(cè)，致使兩電極點(diǎn)不能完全位于同一等位面上。同一等位面上。 6.2.2 6.2.2 霍爾元件的誤差及補(bǔ)償霍爾元件的誤差及補(bǔ)償 1 1霍爾元件的零位誤差與補(bǔ)償霍爾元件的零位誤差與補(bǔ)償霍爾元件的零位誤差是指在無(wú)外加磁場(chǎng)或無(wú)控制電流的情況下，霍爾元件的零位誤差是指在無(wú)外加磁場(chǎng)或無(wú)控

25、制電流的情況下，霍爾元件產(chǎn)生輸出電壓并由此而產(chǎn)生的誤差。它主要表現(xiàn)為以霍爾元件產(chǎn)生輸出電壓并由此而產(chǎn)生的誤差。它主要表現(xiàn)為以下幾種具體形式。下幾種具體形式。 1) 1) 不等位電動(dòng)勢(shì)不等位電動(dòng)勢(shì)不等位電動(dòng)勢(shì)是零位誤差中最主要的一種，不等位電動(dòng)勢(shì)是零位誤差中最主要的一種，它是當(dāng)霍爾元件在額定控制電流它是當(dāng)霍爾元件在額定控制電流( (元件在空氣元件在空氣中溫升中溫升1010所對(duì)應(yīng)的電流所對(duì)應(yīng)的電流) )作用下，不加外磁作用下，不加外磁場(chǎng)時(shí)，霍爾輸出端之間的空載電動(dòng)勢(shì)。場(chǎng)時(shí)，霍爾輸出端之間的空載電動(dòng)勢(shì)。 第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器此外此外, ,霍爾片電阻率不均勻，或片厚薄不霍爾片電阻率

26、不均勻，或片厚薄不均勻，或控制電流極接觸不良都將使等位均勻，或控制電流極接觸不良都將使等位面歪斜，如圖所示，致使兩霍爾電極不在面歪斜，如圖所示，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動(dòng)勢(shì)。同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動(dòng)勢(shì)。 2) 2) 寄生直流電勢(shì)寄生直流電勢(shì)在無(wú)磁場(chǎng)的情況下，元件通入交流電流，輸出端除交流不等位電在無(wú)磁場(chǎng)的情況下，元件通入交流電流，輸出端除交流不等位電壓以外的直流分量稱(chēng)為寄生直流電勢(shì)。產(chǎn)生寄生直流電勢(shì)的原因壓以外的直流分量稱(chēng)為寄生直流電勢(shì)。產(chǎn)生寄生直流電勢(shì)的原因有兩個(gè)方面：有兩個(gè)方面：(1)(1)由于控制電極焊接處接觸不良而造成一種整流由于控制電極焊接處接觸不良而造成一種

27、整流效應(yīng)，使控制電流因正、反向電流大小不等而具有一定的直流分效應(yīng)，使控制電流因正、反向電流大小不等而具有一定的直流分量。量。(2)(2)輸出電極焊點(diǎn)熱容量不相等產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于鍺霍輸出電極焊點(diǎn)熱容量不相等產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于鍺霍爾元件，當(dāng)交流控制電流為爾元件，當(dāng)交流控制電流為2020mAmA時(shí)，輸出電極的寄生直流電壓小時(shí)，輸出電極的寄生直流電壓小于于100 100 。V第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器 3) 3) 感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)是在未通電流的情況下，由于感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)是在未通電流的情況下，由于脈動(dòng)或交變磁場(chǎng)的作用，在輸出端產(chǎn)生的電脈動(dòng)或交變磁場(chǎng)的作用，在輸出端產(chǎn)

28、生的電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大動(dòng)勢(shì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與霍爾元件輸出電極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積小與霍爾元件輸出電極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比，如圖所示。成正比，如圖所示。 4) 4) 自激場(chǎng)零電動(dòng)勢(shì)自激場(chǎng)零電動(dòng)勢(shì)霍爾元件控制電流產(chǎn)生自激場(chǎng)，如圖所示?；魻栐刂齐娏鳟a(chǎn)生自激場(chǎng)，如圖所示。由于元件的左右兩半場(chǎng)相等，故產(chǎn)生的電動(dòng)由于元件的左右兩半場(chǎng)相等，故產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向相反而抵消。實(shí)際應(yīng)用時(shí)由于控制電勢(shì)方向相反而抵消。實(shí)際應(yīng)用時(shí)由于控制電流引線也產(chǎn)生磁場(chǎng)，使元件左右兩半場(chǎng)強(qiáng)不流引線也產(chǎn)生磁場(chǎng)，使元件左右兩半場(chǎng)強(qiáng)不等，因而有霍爾電動(dòng)勢(shì)輸出，這一輸出電動(dòng)等，因而有霍爾電動(dòng)勢(shì)輸

29、出，這一輸出電動(dòng)勢(shì)即是自激場(chǎng)零電動(dòng)勢(shì)。勢(shì)即是自激場(chǎng)零電動(dòng)勢(shì)。第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器在上述的在上述的4 4種零位誤差中，寄生直流電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)以及種零位誤差中，寄生直流電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)以及自激場(chǎng)零電動(dòng)勢(shì)，是由于制作工藝上的原因而造成的誤差，可以自激場(chǎng)零電動(dòng)勢(shì)，是由于制作工藝上的原因而造成的誤差，可以通過(guò)工藝水平的提高加以解決。而不等位電動(dòng)勢(shì)所造成的零位誤通過(guò)工藝水平的提高加以解決。而不等位電動(dòng)勢(shì)所造成的零位誤差，則必須通過(guò)補(bǔ)償電路給予克服。差，則必須通過(guò)補(bǔ)償電路給予克服。在理想情況下在理想情況下R R1 1= =R R2 2= =R R3 3= =R R4 4，即可取

30、得零位電動(dòng)勢(shì)為零，即可取得零位電動(dòng)勢(shì)為零( (或零位電阻或零位電阻為零為零) )，從而消除不等位電動(dòng)勢(shì)。實(shí)際上，若存在零位電動(dòng)勢(shì)，則，從而消除不等位電動(dòng)勢(shì)。實(shí)際上，若存在零位電動(dòng)勢(shì)，則說(shuō)明此說(shuō)明此4 4個(gè)電阻不完全相等，即電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡，可個(gè)電阻不完全相等，即電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)可調(diào)電阻在阻值較大的橋臂上并聯(lián)可調(diào)電阻R RP P或在兩個(gè)臂上同時(shí)并聯(lián)電阻或在兩個(gè)臂上同時(shí)并聯(lián)電阻R RP P和和R R。 霍爾元件結(jié)構(gòu)及等效電路如圖霍爾元件結(jié)構(gòu)及等效電路如圖第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器霍爾元件零位誤差補(bǔ)償電路霍爾元件零位誤差補(bǔ)償電路 2 2霍爾

31、元件的溫度誤差及補(bǔ)償霍爾元件的溫度誤差及補(bǔ)償與一般半導(dǎo)體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫與一般半導(dǎo)體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的性能參數(shù)如輸入、輸出、電阻、霍爾度變化，所以霍爾元件的性能參數(shù)如輸入、輸出、電阻、霍爾常數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電動(dòng)勢(shì)變化，產(chǎn)生溫度誤差。常數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電動(dòng)勢(shì)變化，產(chǎn)生溫度誤差。第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器將溫度每變化將溫度每變化11時(shí)，霍爾元時(shí)，霍爾元件輸入電阻或輸出電阻的相對(duì)件輸入電阻或輸出電阻的相對(duì)變化率變化率R Ri i/ /R Ro o稱(chēng)為內(nèi)阻溫度系稱(chēng)為內(nèi)阻溫度系數(shù)，用數(shù)，用 表示

32、。表示。 將溫度每變化將溫度每變化11時(shí)，霍爾電時(shí)，霍爾電壓的相對(duì)變化率壓的相對(duì)變化率U UHtHt/ /U UH0H0稱(chēng)為霍稱(chēng)為霍爾電壓溫度系數(shù)，用爾電壓溫度系數(shù)，用 表示。表示。 哪種材料制作的霍爾元件溫度誤差小哪種材料制作的霍爾元件溫度誤差小第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器幾種溫度誤差的補(bǔ)償方法幾種溫度誤差的補(bǔ)償方法1) 1) 采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻 補(bǔ)償基本電路及等效電路如圖補(bǔ)償基本電路及等效電路如圖霍爾電壓隨溫度變化的關(guān)系式為：霍爾電壓隨溫度變化的關(guān)系式為：HtHitREBURRd 對(duì)上式求溫度的導(dǎo)數(shù)得，要使溫度變化時(shí)霍爾電壓不變，必對(duì)上式求

33、溫度的導(dǎo)數(shù)得，要使溫度變化時(shí)霍爾電壓不變，必須使外接電阻：須使外接電阻： i0()RR第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器 2) 2) 合理選擇負(fù)載電阻合理選擇負(fù)載電阻R RL L的阻值的阻值霍爾元件的輸出電阻霍爾元件的輸出電阻R Ro o和霍爾電動(dòng)勢(shì)和霍爾電動(dòng)勢(shì)U UH H都是溫度的函數(shù)都是溫度的函數(shù)( (設(shè)為正設(shè)為正溫度系數(shù)溫度系數(shù)) )，當(dāng)霍爾元件接有負(fù)載，當(dāng)霍爾元件接有負(fù)載R RL L時(shí)，在時(shí)，在R RL L上的電壓為：上的電壓為：LH00LLo001()1()R UttURRtt為了負(fù)載上的電壓不隨溫度變化，應(yīng)使為了負(fù)載上的電壓不隨溫度變化，應(yīng)使dUL/d(t-t0)=0，即，即

34、Lo0(1)RR式中：式中：R Ro0o0為溫度為溫度t t0 0時(shí)的霍爾元件輸出電阻。時(shí)的霍爾元件輸出電阻。可采用串、并連電阻的方法使上式成立來(lái)補(bǔ)償溫度誤差，但可采用串、并連電阻的方法使上式成立來(lái)補(bǔ)償溫度誤差，但霍爾元件的靈敏度將會(huì)降低?；魻栐撵`敏度將會(huì)降低。第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器 3) 3) 采用溫度補(bǔ)償元件采用溫度補(bǔ)償元件( (如熱敏電阻、電阻絲如熱敏電阻、電阻絲) )這是一種常用的溫度誤差補(bǔ)償方法。由于熱敏電阻具有負(fù)溫度這是一種常用的溫度誤差補(bǔ)償方法。由于熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，電阻絲具有正溫度系數(shù)，可采用輸入回路串接熱敏電阻，系數(shù)，電阻絲具有正溫度系數(shù)，可采用輸

35、入回路串接熱敏電阻，輸入回路并接電阻絲，或輸出端串接熱敏電阻對(duì)具有負(fù)溫度系數(shù)輸入回路并接電阻絲，或輸出端串接熱敏電阻對(duì)具有負(fù)溫度系數(shù)的銻化銦材料霍爾元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償?？刹捎幂斎攵瞬⒔訜崦綦姷匿R化銦材料霍爾元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償?？刹捎幂斎攵瞬⒔訜崦綦娮璺绞綄?duì)輸出具有正溫度系數(shù)的霍爾元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。一般來(lái)阻方式對(duì)輸出具有正溫度系數(shù)的霍爾元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。一般來(lái)說(shuō)，溫度補(bǔ)償電路、霍爾元件和放大電路應(yīng)集成在一起制成集成說(shuō)，溫度補(bǔ)償電路、霍爾元件和放大電路應(yīng)集成在一起制成集成霍爾傳感器。霍爾傳感器。6.2.3 6.2.3 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾元件具有結(jié)構(gòu)牢固、工藝成熟、體積小、壽命長(zhǎng)、線性

36、度霍爾元件具有結(jié)構(gòu)牢固、工藝成熟、體積小、壽命長(zhǎng)、線性度好、頻率高、耐振動(dòng)、不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染好、頻率高、耐振動(dòng)、不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，目前，霍爾傳感器是全球使用量排名第三的傳或腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，目前，霍爾傳感器是全球使用量排名第三的傳感器產(chǎn)品，它被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、汽車(chē)業(yè)、計(jì)算機(jī)、手機(jī)以及感器產(chǎn)品，它被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、汽車(chē)業(yè)、計(jì)算機(jī)、手機(jī)以及新興消費(fèi)電子領(lǐng)域中。新興消費(fèi)電子領(lǐng)域中。第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器 1 1霍爾元件基本電路連接方法霍爾元件基本電路連接方法 霍爾元件有無(wú)鐵心型、鐵心型、測(cè)試用探針霍爾集成電路等幾霍爾元件有無(wú)鐵心型、鐵心型、

37、測(cè)試用探針霍爾集成電路等幾種類(lèi)型，有種類(lèi)型，有3 3腳、腳、4 4腳、腳、5 5腳元件等幾種結(jié)構(gòu)形式腳元件等幾種結(jié)構(gòu)形式, ,如圖是如圖是3 35 5腳腳( (端子端子) )的霍爾元件的基本電路連接方法。的霍爾元件的基本電路連接方法。 。(a) 3(a) 3腳元件腳元件 (b) 4(b) 4腳元件腳元件 (c) 5(c) 5腳元件腳元件 第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器兩種霍爾元件定電壓驅(qū)動(dòng)電路兩種霍爾元件定電壓驅(qū)動(dòng)電路 兩種霍爾元件定電流驅(qū)動(dòng)電路兩種霍爾元件定電流驅(qū)動(dòng)電路第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器 2 2霍爾集成電路霍爾集成電路在一個(gè)晶片中形成有霍爾元件及放大并控制其在

38、一個(gè)晶片中形成有霍爾元件及放大并控制其輸出電壓的電路輸出電壓的電路，而具有磁場(chǎng)而具有磁場(chǎng)- -電氣變換機(jī)能的固態(tài)組件稱(chēng)為霍爾集成電路。電氣變換機(jī)能的固態(tài)組件稱(chēng)為霍爾集成電路。霍爾集成電路的構(gòu)造如圖。霍爾集成電路的構(gòu)造如圖。 依輸出信號(hào)的性質(zhì)不依輸出信號(hào)的性質(zhì)不同，霍爾集成電路可同，霍爾集成電路可分為線性型和開(kāi)關(guān)性分為線性型和開(kāi)關(guān)性型兩類(lèi)。線性型霍爾型兩類(lèi)。線性型霍爾集成電路可以獲得與集成電路可以獲得與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的輸磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的輸出電壓。磁場(chǎng)靈敏度出電壓。磁場(chǎng)靈敏度雖然可利用電路的放雖然可利用電路的放大加以調(diào)節(jié)。較典型大加以調(diào)節(jié)。較典型的線性型霍爾器件如的線性型霍爾器件如UGN3501UGN3501等。等。 第第6 6章章 磁電式傳感器磁電式傳感器 開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施開(kāi)關(guān)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、密特觸發(fā)器、OCOC門(mén)（集電極開(kāi)路輸出門(mén)）等電路做在同一個(gè)芯門(mén)（集電極開(kāi)路輸出門(mén)）等電路做在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，片上。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)規(guī)定