磁敏式傳感器

磁敏式傳感器第一頁(yè)，課件共90頁(yè)

磁敏式傳感器是通過(guò)磁電作用將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。磁敏式傳感器種類(lèi)不同，其原理也不完全相同，因此各有各的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。

概述

第二頁(yè)，課件共90頁(yè)磁電感應(yīng)式傳感器也稱(chēng)為電動(dòng)式傳感器或感應(yīng)式傳感器。◆磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)式的，它不需要輔助電源就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是有源傳感器?！粲捎谒敵龉β蚀笄倚阅芊€(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），所以得到普遍的應(yīng)用。6.1磁電感應(yīng)式傳感器

第三頁(yè)，課件共90頁(yè)6.1.1磁電感應(yīng)式傳感器工作原理◆根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)w匝線圈在恒定磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為Φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)E與磁通變化率dΦ/dt有如下關(guān)系：

◆根據(jù)這一原理，可以設(shè)計(jì)成兩種磁電傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式?！魣D6-1是變磁通式磁電傳感器，用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。6.1磁電感應(yīng)式傳感器第四頁(yè)，課件共90頁(yè)6.1磁電感應(yīng)式傳感器圖6-1（a）為開(kāi)磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其變化頻率等于被測(cè)轉(zhuǎn)速與測(cè)量齒輪齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速。第五頁(yè)，課件共90頁(yè)6.1磁電感應(yīng)式傳感器圖6-1（b）為閉磁路

變磁通式，它由裝在

轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外

齒輪、永久磁鐵和感

應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒

輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸

連接到被測(cè)轉(zhuǎn)軸上時(shí)，

外齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測(cè)軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感生電動(dòng)勢(shì)。顯然，感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。第六頁(yè)，課件共90頁(yè)第七頁(yè)，課件共90頁(yè)◆圖6-2恒磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖圖6-2恒磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖6.1.1磁電感應(yīng)式傳感器第八頁(yè)，課件共90頁(yè)第九頁(yè)，課件共90頁(yè)第十頁(yè)，課件共90頁(yè)◆磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，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。當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，由于彈簧較軟，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對(duì)較大。當(dāng)振動(dòng)頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件慣性很大，來(lái)不及隨振動(dòng)體一起振動(dòng)，近乎靜止不動(dòng)。6.1.1磁電感應(yīng)式傳感器第十一頁(yè)，課件共90頁(yè)振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體振動(dòng)速度，磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為:

式中：B0——工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；L——每匝線圈平均長(zhǎng)度；w——線圈在工作氣隙磁場(chǎng)中的匝數(shù)；v——相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。6.1磁電感應(yīng)式傳感器第十二頁(yè)，課件共90頁(yè)6.1.2磁電感應(yīng)式傳感器基本特性◆當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路中，磁電傳感器的輸出電流I為: （6-3）式中：

Rf——測(cè)量電路輸入電阻；R——線圈等效電阻?！魝鞲衅鞯碾娏黛`敏度為:

6.1磁電感應(yīng)式傳感器第十三頁(yè)，課件共90頁(yè)◆而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為:

◆當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場(chǎng)干擾、機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差。相對(duì)誤差為

◆磁電式傳感器在使用時(shí)存在誤差，主要為非線性誤差和溫度誤差。6.1磁電感應(yīng)式傳感器第十四頁(yè)，課件共90頁(yè)圖6-3傳感器電流的磁場(chǎng)效應(yīng)1)非線性誤差

:磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是：由于傳感器線圈內(nèi)有電流I流過(guò)時(shí)，將產(chǎn)生一定的交變磁通ΦI，此交變磁通疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化如圖6-3所示。

6.1磁電感應(yīng)式傳感器第十五頁(yè)，課件共90頁(yè)為了補(bǔ)償附加磁場(chǎng)的干擾，可在傳感器中加入補(bǔ)償線圈。補(bǔ)償線圈中通以經(jīng)過(guò)K倍的放大電流，適當(dāng)選擇補(bǔ)償線圈參數(shù)，使其產(chǎn)生的交變磁通與傳感器線圈本身產(chǎn)生的交變磁通相互抵銷(xiāo)。第十六頁(yè)，課件共90頁(yè)2）溫度誤差

當(dāng)溫度變化時(shí)，式（6-7）中右邊三項(xiàng)都不為零，對(duì)銅線而言每攝氏度變化量為dL/L≈0.167×10-4，dR/R≈0.43×10-2，dB/B每攝氏度的變化量取決于永久磁鐵的磁性材料。對(duì)鋁鎳鈷永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，這樣由式（6-7）可得近似值：

這一數(shù)值是很可觀的，所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償通常采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分。

6.1磁電感應(yīng)式傳感器第十七頁(yè)，課件共90頁(yè)磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且傳感器通常具有較高的靈敏度，不需要高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器，若要獲取被測(cè)位移或加速度信號(hào)，則需要配用積分或微分電路。圖6-4為一般測(cè)量電路方框圖。圖6-4磁電感應(yīng)式傳感器測(cè)量電路方框圖6.1磁電感應(yīng)式傳感器6.1.3磁電感應(yīng)式傳感器測(cè)量電路第十八頁(yè)，課件共90頁(yè)霍爾傳感器為載流半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中有電磁效應(yīng)（霍爾效應(yīng)）而輸出電動(dòng)勢(shì)的一種傳感器。◆隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展?！艋魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測(cè)量電流、磁場(chǎng)、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。6.2霍爾傳感器第十九頁(yè)，課件共90頁(yè)6.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件1）霍爾效應(yīng)置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)霍爾效應(yīng)，該電勢(shì)稱(chēng)霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片稱(chēng)霍爾元件?！魣D6-5所示，在垂直于外磁場(chǎng)B的方向上放置一個(gè)導(dǎo)電板，導(dǎo)電板通以電流I，方向如圖所示。霍爾效應(yīng)原理圖6.2霍爾傳感器第二十頁(yè)，課件共90頁(yè)第二十一頁(yè)，課件共90頁(yè)cdab霍爾效應(yīng)第二十二頁(yè)，課件共90頁(yè)UHbldIFLFEvB第二十三頁(yè)，課件共90頁(yè)◆導(dǎo)電板中的電流是金屬中自由電子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，每個(gè)電子受洛侖磁力Fm的作用，F(xiàn)m的大小為：

式中：e-電子電荷；v-電子運(yùn)動(dòng)平均速度；B-磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

◆Fm的方向在圖6-5中是向上的，此時(shí)電子除了沿電流反方向作定向運(yùn)動(dòng)外，還在Fm的作用下向上漂移，結(jié)果使金屬導(dǎo)電板上底面積累電子，而下6.2霍爾傳感器第二十四頁(yè)，課件共90頁(yè)底面積累正電荷，從而形成了附加內(nèi)電場(chǎng)EH，稱(chēng)霍爾電場(chǎng)，該電場(chǎng)強(qiáng)度為:

當(dāng)滿(mǎn)足則

◆此時(shí)電荷不再向兩底面積累，達(dá)到平衡狀態(tài)。6.2霍爾傳感器第二十五頁(yè)，課件共90頁(yè)

◆

若金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n，電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度為v，則激勵(lì)電流I=nvbd（-e），則: （6-14）

將式（6-14）代入式（6-12）得:（6-15）將上式代入式（6-10）得:

（6-16）

6.2霍爾傳感器第二十六頁(yè)，課件共90頁(yè)◆式中令RH=-1/（ne），稱(chēng)之為霍爾常數(shù)，其大小取決于導(dǎo)體載流子密度，則:式中:KH=RH/d稱(chēng)為霍爾片的靈敏度?！粲墒剑?-17）可見(jiàn)，霍爾電勢(shì)正比于激勵(lì)電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，其靈敏度與霍爾常數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。6.2霍爾傳感器（6-17）第二十七頁(yè)，課件共90頁(yè)◆上述推導(dǎo)是針對(duì)N型半導(dǎo)體，對(duì)于P型半導(dǎo)體，則:

◆式中：◆對(duì)霍爾片材料的要求，希望有較大的霍爾常數(shù)RH，霍爾元件激勵(lì)極間電阻，同時(shí)，其中UI為加在霍爾元件兩端的激勵(lì)電壓，EI為霍爾元件激勵(lì)極間內(nèi)電場(chǎng)，v為電子移動(dòng)的平均速度。

6.2霍爾傳感器第二十八頁(yè)，課件共90頁(yè)則: 解得:

6.2霍爾傳感器◆從式（6-21）可知，霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率μ的乘積。若要霍爾效應(yīng)強(qiáng)，即霍爾電勢(shì)大，則RH值大，因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。此外，第二十九頁(yè)，課件共90頁(yè)

霍爾電勢(shì)的大小還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān)。一般要求霍爾元件靈敏度越大越好，霍爾元件的厚度d與KH成反比，因此，霍爾元件的厚度越小，其靈敏度越高。當(dāng)霍爾元件的寬度b加大，或減小時(shí)，載流子在偏轉(zhuǎn)過(guò)程中的損失將加大，使UH下降。通常要對(duì)式（6-17）加以形狀效應(yīng)修正：

6.2霍爾傳感器第三十頁(yè)，課件共90頁(yè)式中，為形狀效應(yīng)系數(shù)，其修正值如表6-1所示。6.2霍爾傳感器0.51.01.52.02.53.04.00.3700.6750.8410.9230.9670.9840.996表6-1形狀效應(yīng)系數(shù)第三十一頁(yè)，課件共90頁(yè)◆一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很??；而絕緣材料電阻率極高，但載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有：鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。其中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對(duì)溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時(shí)其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度好。書(shū)中表6-2為常用國(guó)產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)。6.2霍爾傳感器第三十二頁(yè)，課件共90頁(yè)霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)

單，它由霍爾片、引

線和殼體組成，如圖6-6（a）所示?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)引線。1、1′兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱(chēng)為激勵(lì)電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱(chēng)為霍爾電極?；魻栐んw由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號(hào)表示，如圖6-6（b）所示。6.2霍爾傳感器2）霍爾元件基本結(jié)構(gòu)第三十三頁(yè)，課件共90頁(yè)第三十四頁(yè)，課件共90頁(yè)3）霍爾元件基本特性●額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流●輸入電阻和輸出電阻●不等位電勢(shì)和不等位電阻●寄生直流電勢(shì)●霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)6.2霍爾傳感器圖6-7不等位電阻第三十五頁(yè)，課件共90頁(yè)1．額定功耗P0霍爾元件在環(huán)境溫度T=25℃時(shí)，允許通過(guò)霍爾元件的電流I和電壓E的乘積，分最小、典型、最大三檔，單位為mW。當(dāng)供給霍爾元件的電壓確定后，根據(jù)額定功耗可以知道額定控制電流I，因此有些產(chǎn)品提供控制電流，則不給出額定功耗P0。2．輸入電阻Ri霍爾元件兩控制電流端的直流電阻稱(chēng)為輸入電阻Ri

。它的數(shù)值從幾十歐到幾百歐，視不同型號(hào)的元件而定。溫度升高，輸入電阻變小，從而使輸入控制電流I變大，最終引起霍爾電動(dòng)勢(shì)變大。為了減小這種影響，最好采用恒流源作為激勵(lì)源。3）霍爾元件基本特性

第三十六頁(yè)，課件共90頁(yè)

3．輸出電阻R0兩個(gè)霍爾電勢(shì)輸出端之間的電阻稱(chēng)為輸出電阻R0，它的數(shù)值與輸入電阻為同一數(shù)量級(jí)。它也隨溫度改變而改變。選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL與之匹配，可以使由溫度引起的霍爾電動(dòng)勢(shì)的漂移減至最小。4．不等位電動(dòng)勢(shì)U0在額定控制電流下，當(dāng)外加磁場(chǎng)為零時(shí)，霍爾元件輸出端之間的開(kāi)路電壓稱(chēng)為不等位電動(dòng)勢(shì)U0，它是由霍爾電極2和之間的電阻決定的，r0稱(chēng)不等位電阻。

第三十七頁(yè)，課件共90頁(yè)5.寄生直流電勢(shì)

當(dāng)沒(méi)有外加磁場(chǎng)，霍爾元件用交流控制電流時(shí)，霍爾電極的輸出有一個(gè)直流電勢(shì)?？刂齐姌O和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個(gè)霍爾電極焊點(diǎn)的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢(shì)。第三十八頁(yè)，課件共90頁(yè)6．霍爾電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)α在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度和控制電流的作用下，溫度每變化1℃時(shí)霍爾電動(dòng)勢(shì)變化的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為霍爾電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)，它與霍爾元件的材料有關(guān)，一般約為0.1%／℃，在要求較高的場(chǎng)合下，應(yīng)選擇低溫漂的霍爾元件。7．最大控制電流Im由于霍爾電勢(shì)隨控制電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的控制電流。但控制電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢(shì)的溫漂增大，因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大控制電流Im，它的數(shù)值從幾毫安至幾十毫安。第三十九頁(yè)，課件共90頁(yè)6.2.2霍爾傳感器的基本電路1）簡(jiǎn)單的恒電壓工作電路恒電壓工作電路如圖6-8所示，是一種非常簡(jiǎn)單的施加控制電流的方法。恒電壓工作電路比較適合于精度要求不是很高的數(shù)字方面的應(yīng)用，例如錄像機(jī)的電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)等。6.2霍爾傳感器第四十頁(yè)，課件共90頁(yè)

霍爾效應(yīng)傳感器的恒電流工作電路適于高精度測(cè)量，可以充分發(fā)揮霍爾效應(yīng)傳感器的性能。在恒電流工作時(shí)輸出特性不受輸入電阻溫度系數(shù)以及磁阻效應(yīng)的影響。當(dāng)然，與恒電壓工作電路相比，某些電路會(huì)變得復(fù)雜，不過(guò)這個(gè)問(wèn)題不那么嚴(yán)重?；魻栃?yīng)傳感器的恒電流工作電路如圖6-9所示。6.2霍爾傳感器2）簡(jiǎn)單的恒電流工作電路第四十一頁(yè)，課件共90頁(yè)

6.2霍爾傳感器圖6-10a一個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的差動(dòng)放大器3）霍爾效應(yīng)傳感器放大電路基本的差動(dòng)放大電路◆霍爾效應(yīng)傳感器的輸出電壓通常只有數(shù)毫伏至數(shù)百毫伏，因而需要有放大電路?；魻栃?yīng)傳感器是一種4端器件，為了消除非磁場(chǎng)因素引入的同向電壓的影響，必須構(gòu)成差動(dòng)放大器，如圖6-10。第四十二頁(yè)，課件共90頁(yè)圖6-10b3個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的差動(dòng)放大器6.2霍爾傳感器第四十三頁(yè)，課件共90頁(yè)◆在圖6-10的電路中，既可以使用霍爾效應(yīng)傳感器的交流電壓輸出，也可以使用它的直流輸出，則可以構(gòu)成如圖6-11所示的電路，使用了隔直流電容器。6.2霍爾傳感器Ig：電容器的漏電流（直流成分）圖6-11a電容器漏電流的影響第四十四頁(yè)，課件共90頁(yè)6.2霍爾傳感器圖6-11b3個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的差動(dòng)放大（1）第四十五頁(yè)，課件共90頁(yè)6.2霍爾傳感器圖6-11c3個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的差動(dòng)放大（2）第四十六頁(yè)，課件共90頁(yè)6.2.3霍爾元件的補(bǔ)償電路1）霍爾元件不等位電勢(shì)補(bǔ)償不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí)，有時(shí)甚至超過(guò)霍爾電勢(shì)，因而必須采用補(bǔ)償?shù)姆椒?。如圖6-12所示。6.2霍爾傳感器圖6-12不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路第四十七頁(yè)，課件共90頁(yè)◆其中A、B為激勵(lì)電極，C、D為霍爾電極，極分布電阻分別用R1、R2、R3、R4表示。理想情況下，R1=R2=R3=R4，即可取得零位電勢(shì)為零（或零位電阻為零）。實(shí)際上，由于不等位電阻的存在，說(shuō)明此四個(gè)電阻值不相等，可將其視為電橋的四個(gè)橋臂，則電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻（如圖6-12（a）所示），或在兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻（如圖6-12（b）所示）。6.2霍爾傳感器第四十八頁(yè)，課件共90頁(yè)2）霍爾元件溫度補(bǔ)償◆霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)?！魹榱藴p小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供電是個(gè)有效措施，可以使霍爾電勢(shì)穩(wěn)定。但也只能減小由于輸入電阻隨溫度變化而引起的激勵(lì)電流I變化所帶來(lái)的影響?；魻栐撵`敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，它隨溫度的變化引起霍爾電勢(shì)的變化?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫(xiě)成： （6-23）6.2霍爾傳感器第四十九頁(yè)，課件共90頁(yè)式中：

KHO--溫度T0時(shí)的KH值；ΔT=T-T0--溫度變化量；α--霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)?！舨⑶掖蠖鄶?shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值，它們的霍爾電勢(shì)隨溫度升高而增加（1+αΔT）倍。如果，與此同時(shí)讓激勵(lì)電流I相應(yīng)地減小，并能保持KHI乘積不變，也就抵消了靈敏系數(shù)KH增加的影響。圖6-13就是按此思路設(shè)計(jì)的一個(gè)既簡(jiǎn)單、補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償電路。電路中用一個(gè)分流電阻Rp與霍爾元件的激勵(lì)電極相并聯(lián)從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

6.2霍爾傳感器第五十頁(yè)，課件共90頁(yè)圖6-13恒流源溫度補(bǔ)償電路在圖6-13所示的溫度補(bǔ)償電路中，設(shè)初始溫度為T(mén)0，霍爾元件輸入電阻為Ri0，靈敏系數(shù)為KH1，分流電阻為Rp0，根據(jù)分流概念得：6.2霍爾傳感器第五十一頁(yè)，課件共90頁(yè)6.2霍爾傳感器當(dāng)溫度升至T時(shí)，電路中各參數(shù)變?yōu)?式中：δ——霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)；β——分流電阻溫度系數(shù)。則：第五十二頁(yè)，課件共90頁(yè)6.2霍爾傳感器溫度升高ΔT，為使霍爾電勢(shì)不變，補(bǔ)償電路必須滿(mǎn)足溫升前、后的霍爾電勢(shì)不變，即

:將式（6-20）、（6-21）、（6-24）代入上式，經(jīng)整理并略去α、β、ΔT2高次項(xiàng)后得:第五十三頁(yè)，課件共90頁(yè)◆當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)δ及霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)α是確定值。由式（6-29）即可計(jì)算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)β值。為了滿(mǎn)足Rp0及β兩個(gè)條件，分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合，這樣雖然麻煩但效果很好。6.2霍爾傳感器第五十四頁(yè)，課件共90頁(yè)磁敏電阻器是基于磁阻效應(yīng)的磁敏元件。磁敏電阻是磁阻位移傳感器、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等的核心部件。

6.3.1磁阻效應(yīng)◆當(dāng)一載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，其電阻會(huì)隨磁場(chǎng)而變化，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。當(dāng)溫度恒定時(shí)，在磁場(chǎng)內(nèi)，磁阻和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比。理論推導(dǎo)出來(lái)的磁阻效應(yīng)方程為：式中，是磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的電阻率；是零磁場(chǎng)下的電阻率；μ是電子遷移率；B是磁感應(yīng)強(qiáng)度。6.3磁敏電阻器第五十五頁(yè)，課件共90頁(yè)◆當(dāng)電阻率的變化為時(shí)，則電阻率的相對(duì)變化為：◆可以看出，在磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ一定時(shí)，遷移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半導(dǎo)體材料）磁阻效應(yīng)越明顯。從微觀上講，材料的電阻率增加是因?yàn)殡娏鞯牧鲃?dòng)路徑因磁場(chǎng)的作用而加長(zhǎng)所致。6.3磁敏電阻器第五十六頁(yè)，課件共90頁(yè)6.3.2磁敏電阻的結(jié)構(gòu)

◆

磁阻效應(yīng)除了與材料有關(guān)外，還與磁敏電阻的形狀有關(guān)?？紤]形狀影響因素時(shí)，電阻率的相對(duì)變化為：式中，l、b分別為電阻的長(zhǎng)和寬；是形狀效應(yīng)系數(shù)。圖6-14畫(huà)出了三種不同形狀的半導(dǎo)體內(nèi)電流線的分布，第一行為不加磁場(chǎng)的情況，第二行為加磁場(chǎng)的情況。

6.3磁敏電阻器第五十七頁(yè)，課件共90頁(yè)6.3磁敏電阻器圖6-14半導(dǎo)體內(nèi)電流分布（a）長(zhǎng)方形l>b（b）長(zhǎng)方形l<b（c）科比諾圓盤(pán)第五十八頁(yè)，課件共90頁(yè)6.3.3磁阻元件的主要特性1）靈敏度特性

◆磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度的影響較大。磁阻元件的靈敏度特性用在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度下的電阻變化率來(lái)表示，即磁場(chǎng)—電阻變化率特性曲線的斜率。在運(yùn)算時(shí)常用RB/R0求得，R0表示無(wú)磁場(chǎng)情況下磁阻元件的電阻值，RB為施加0.3T磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)磁阻元件的電阻值。6.3磁敏電阻器第五十九頁(yè)，課件共90頁(yè)6.3磁敏電阻器◆這種情況下，一般磁阻元件的靈敏度大于2.7，如圖6-15所示。由圖6-15(a)所示磁阻元件的電阻值與磁場(chǎng)的極性無(wú)關(guān)，它只隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加。由圖6-15(b)所示，在0.2T以下的弱磁場(chǎng)中，曲線呈現(xiàn)平方特性，而超過(guò)0.2T后呈現(xiàn)線性變化。圖6-15磁阻元件的靈敏度特性第六十頁(yè)，課件共90頁(yè)2）電阻—溫度特性6.3磁敏電阻器圖6-16半導(dǎo)體元件的電阻-溫度特性曲線第六十一頁(yè)，課件共90頁(yè)◆圖6-16是一般半導(dǎo)體磁阻元件的電阻——溫度特性曲線，由圖可知，半導(dǎo)體磁阻元件的溫度特性不好。元件的電阻值在不大的溫度變化范圍內(nèi)減小的很快。因此，在應(yīng)用時(shí)，一般都要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。6.3磁敏電阻器第六十二頁(yè)，課件共90頁(yè)檢測(cè)磁場(chǎng)是霍爾式傳感器最典型的應(yīng)用之一。將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測(cè)磁場(chǎng)中，使磁力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性正比的電壓。6.4磁敏式傳感器的應(yīng)用第六十三頁(yè)，課件共90頁(yè)6.4磁敏式傳感器的應(yīng)用第六十四頁(yè)，課件共90頁(yè)將霍爾元件置于磁場(chǎng)中，左半部磁場(chǎng)方向向上，右半部磁場(chǎng)方向向下，從

a端通人電流I，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢(shì)VH1，右半部產(chǎn)生霍爾電勢(shì)VH2，其方向相反。因此，c、d兩端電勢(shì)為VH1—VH2。如果霍爾元件在初始位置時(shí)VH1=VH2，則輸出為零；當(dāng)改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對(duì)位置時(shí)，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。第六十五頁(yè)，課件共90頁(yè)霍爾式壓力傳感器霍爾壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖霍爾元件磁鋼壓力P波登管NSSN第六十六頁(yè)，課件共90頁(yè)霍爾轉(zhuǎn)速傳感器霍爾轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)輸入軸輸入軸霍爾傳感器（a）（b）第六十七頁(yè)，課件共90頁(yè)霍爾計(jì)數(shù)裝置霍爾計(jì)數(shù)裝置及電路(a)工作示意圖霍爾開(kāi)關(guān)傳感器絕緣板磁鐵NS(b)電路圖+12VSL3051ASVT+VCR5RLR4R3R1R2計(jì)數(shù)器第六十八頁(yè)，課件共90頁(yè)汽車(chē)霍爾電子點(diǎn)火器霍爾傳感器隔磁罩磁鋼缺口霍爾傳感器隔磁罩磁鋼缺口當(dāng)缺口對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁通通過(guò)霍爾傳感器形成閉合回路，電路導(dǎo)通，霍爾傳感器輸出低電平；當(dāng)隔磁罩豎邊的凸出部分擋在霍爾元件和磁體之間時(shí)，電路截止，霍爾傳感器輸出高電平。第六十九頁(yè)，課件共90頁(yè)汽車(chē)霍爾電子點(diǎn)火器電路R6DW1R7V1+12VCR5D1R4R3R1R2磁鋼R8D2DW2HV2V3當(dāng)霍爾傳感器輸出低電平時(shí)，V1截止，V2、V3導(dǎo)通，點(diǎn)火器的初級(jí)繞組有恒定的電流通過(guò)；當(dāng)霍爾傳感器輸出高電平時(shí)，V1導(dǎo)通，V2、V3

截止，點(diǎn)火器的初級(jí)繞組電流截止，此時(shí)儲(chǔ)存在點(diǎn)火線圈中的能量由初級(jí)繞組以高壓放電的形式輸出，即放電點(diǎn)火。第七十頁(yè)，課件共90頁(yè)霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤(pán)，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤(pán)。齒盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵第七十一頁(yè)，課件共90頁(yè)霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過(guò)霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。第七十二頁(yè)，課件共90頁(yè)角位移測(cè)量?jī)x

角位移測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)如圖所示。霍爾器件與被測(cè)物連動(dòng)，而霍爾器件又在一個(gè)恒定的磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，于是霍爾電勢(shì)就反應(yīng)了轉(zhuǎn)角變化。第七十三頁(yè)，課件共90頁(yè)霍爾電流傳感器

將被測(cè)電流的導(dǎo)線穿過(guò)霍爾電流傳感器的檢測(cè)孔。當(dāng)有電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周?chē)鷮a(chǎn)生磁場(chǎng)，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過(guò)霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。第七十四頁(yè)，課件共90頁(yè)霍爾電流傳感器演示鐵心線性霍爾IC

EH=KHIB

第七十五頁(yè)，課件共90頁(yè)霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口第七十六頁(yè)，課件共90頁(yè)第七十七頁(yè)，課件共90頁(yè)霍爾式接近開(kāi)關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作。第七十八頁(yè)，課件共90頁(yè)霍爾式接近開(kāi)關(guān)

用霍爾IC也能完成接近開(kāi)關(guān)的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測(cè)，并且還需要建立一個(gè)較強(qiáng)的閉合磁場(chǎng)。

在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距霍爾接近開(kāi)關(guān)幾毫米時(shí)，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動(dòng)電路使繼電器吸合或釋放，控制運(yùn)動(dòng)部件停止移動(dòng)（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。

第七十九頁(yè)，課件共90頁(yè)磁敏電阻可以用來(lái)作為電流傳感器、磁敏接近開(kāi)關(guān)、角速度/角位移傳感器、磁場(chǎng)傳感器等，可用于開(kāi)關(guān)電源、變頻器、伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、電度表、斷路器、防爆電機(jī)保護(hù)器、地磁場(chǎng)的測(cè)量、探礦等。第八十頁(yè)，課件共90頁(yè)6.4.1非接觸式交流電流檢測(cè)器該非接觸式交流電流檢測(cè)器使用的是MS-F06型磁敏電阻器，只要將MS-F06型半導(dǎo)體磁敏電阻器靠在電流線上就會(huì)得到輸出電壓。MS-F06型磁敏電阻器在35℃時(shí)電阻值減小到室溫時(shí)的1/2。因此，很少只使用一個(gè)磁敏電阻器，而是使用兩個(gè)磁敏電阻器，以使其溫度特性能夠得到補(bǔ)償。6.4磁敏式傳感器的應(yīng)用第八十一頁(yè)，課件共90頁(yè)圖6-17MS-F06型磁敏電阻器的電阻值-磁場(chǎng)特性6.4磁敏式傳感器的應(yīng)用◆MS-F06型磁敏電阻器的電阻值-磁場(chǎng)特性如圖6-17所示。第八十二頁(yè)，課件共90頁(yè)在磁場(chǎng)強(qiáng)度為0時(shí)的電阻值（初始電阻值）為800Ω，MS-F06具有0.075T的偏置磁場(chǎng)。在圖6-17中可以看到，R0.7G=1kΩ，R1.7G=1.5kΩ。即每增加0.0001T的磁場(chǎng)可以使磁敏