磁電式傳感器75970

會計學1磁電式傳感器75970第五章磁電式傳感器第七章磁傳感器

磁是人們所熟悉的一種物理現(xiàn)象，因此磁傳感器具有古老的歷史。最簡單的把磁轉(zhuǎn)換成電的磁傳感器就是線圈，根據(jù)定律，在切割磁通的電路里，產(chǎn)生與磁通變化速率成正比的感應電動勢。第五章磁電式傳感器電磁感應效應霍爾效應電磁轉(zhuǎn)換原理磁電感應式霍爾式磁柵式第1頁/共50頁§5-1磁電感應式傳感器第五章磁電式傳感器工作原理：N匝線圈在磁場中切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中產(chǎn)生的感應電動勢e取決于穿過線圈磁通Φ的變化率。一、恒定磁通式二、變磁通式第2頁/共50頁第五章磁電式傳感器一、恒定磁通式第3頁/共50頁第五章磁電式傳感器二、變磁通式第4頁/共50頁§5-2霍爾傳感器

霍爾傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應原理而將被測量，如電流、磁場、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。一、霍爾效應

霍爾效應是導電材料中的電流與磁場相互作用而產(chǎn)生電動勢的物理效應。置于磁場中的靜止載流體中，若電流方向與磁場方向不相同，則在載流體的垂直于電流與磁場方向所組成的兩個側(cè)面將產(chǎn)生電動勢。這一現(xiàn)象為美國物理學家愛德文·霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)，稱為霍爾效應，相應的電動勢稱為霍爾電勢。第五章磁電式傳感器第5頁/共50頁bdVHIlBvF′F－＋＋－稱為霍爾系數(shù)，它是由基片材料的物理性質(zhì)決定常數(shù)；靈敏度系數(shù)，表示在單位磁感應強度和單位控制電流時的霍爾電勢大小。當磁場感應強度B和霍爾片平面法線成角度θ時,霍爾電勢為：第五章磁電式傳感器設為N型半導體，載流子為電子。第6頁/共50頁

霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應原理而將被測量，如電流、磁場、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，堅固，頻率響應寬，動態(tài)范圍大,無觸點,使用壽命長,可靠性高,易微型化和集成電路化。

不足：溫度影響大，要求轉(zhuǎn)換精度較高時必須進行溫度補償。第五章磁電式傳感器第7頁/共50頁霍爾元件砷化鈉霍爾器件

溫度系數(shù)小，靈敏度高，線性度好，溫漂小，穩(wěn)定性高，體積小

第五章磁電式傳感器第8頁/共50頁二、霍爾片主要技術(shù)指標1、額定激勵電流IH

使霍爾片溫升10℃所施加的控制電流值。（限制額定激勵電流的主要因素是散熱條件）2、輸入電阻Ri

控制電極間的電阻值，規(guī)定在室溫（20±5℃）的環(huán)境溫度中測取。

指霍爾電極間的電阻值，規(guī)定在（20±5℃）條件下測取。3、輸出電阻RO第五章磁電式傳感器第9頁/共50頁4、不等位電勢V0及零位電阻r0

當控制磁感應強度為零，控制電流為額定值IH時，霍爾電極間的空載電勢稱為不等位電勢（或零位電勢）。第五章磁電式傳感器不等位電勢也可用不等位電阻表示：—零位電阻第10頁/共50頁產(chǎn)生不等位電勢的原因主要是：①霍爾電極安裝位置不正確（不對稱或不在同一等電位面上）；②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；③控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布等。

（均是制造工藝造成的）第五章磁電式傳感器第11頁/共50頁三、霍爾片的電路1、不等位電勢的補償

由于不等位電勢與不等位電阻是一致的，因此可以用分析其電阻的方法來進行補償。第五章磁電式傳感器第12頁/共50頁ABCDIR1R2R3R4

補償原理：將R1、R2、R3、R4其視為電橋的四個臂，即電橋不平衡，為使其平衡可在阻值較大的臂上并聯(lián)電阻，或在兩個臂上同時并聯(lián)電阻。

圖中A、B為控制電極，C、D為霍爾電極，在極間分布的電阻用R1、R2、R3、R4表示，理想情況是R1＝R2＝R3＝R4，即零位電勢為零（或零位電阻為零）。但實際上存在著零位電勢，則說明此四個電阻不等。第五章磁電式傳感器第13頁/共50頁幾種常用補償方法:WCDAR2R3R4R1BWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）第五章磁電式傳感器WCABDWABCDWABCD

第14頁/共50頁2、溫度補償

霍爾片是采用半導體材料制造的，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。如半導體材料的電阻率，遷移率和載流子濃度等都隨溫度而變化。霍爾片的性能參數(shù)如輸入和輸出電阻，霍爾系數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電勢變化，產(chǎn)生溫度誤差，為了減小溫度差：①除選用溫度系數(shù)較小的材料（如砷化銦）；②采用適當?shù)难a償電路。第五章磁電式傳感器第15頁/共50頁（1）采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻

溫度變化引起霍爾元件輸入電阻變化，在穩(wěn)壓源供電時，會使控制電流發(fā)生變化，帶來誤差。

為了減小這種誤差，最好采用恒流源，但霍爾片的靈敏度系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，為進一步提高VH的溫度穩(wěn)定性，對于具有正溫度系數(shù)的霍爾元件，可在其輸入回路中并聯(lián)電阻R。第五章磁電式傳感器第16頁/共50頁（2）利用輸出回路的負載進行補償ULRiRoRLIUHIUHIIRL第五章磁電式傳感器(a)基本電路(b)等效電路第17頁/共50頁（3）采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻

當霍爾元件采用穩(wěn)壓電源供電，且霍爾輸出開路狀態(tài)工作時，可在輸入回路串入適當電阻來補償溫度誤差。第五章磁電式傳感器第18頁/共50頁對于溫度系數(shù)大的半導體材料常使用。若霍爾輸出隨溫度升高而下降，只要能使控制電流隨溫度升高而上升，就能進行補償。例如在輸入回路串入熱敏電阻，當溫度上升時其阻值下降，從而使控制電流上升?；蛟谳敵龌芈愤M行補償。負載RL上的霍爾電勢隨溫度上升而下降的量被熱敏電阻阻值減小所補償。實際使用時，熱敏電阻最好與霍爾元件封在一起或靠近，使它們溫度變化一致。（4）利用熱敏電阻進行補償?shù)谖逭麓烹娛絺鞲衅鞯?9頁/共50頁調(diào)節(jié)電位器W1可以消除不等位電勢。電橋由溫度系數(shù)低的電阻構(gòu)成，在某一橋臂電阻上并聯(lián)一熱敏電阻。當溫度變化時，熱敏電阻將隨溫度變化而變化，使電橋的輸出電壓相應變化，仔細調(diào)節(jié)，即可補償霍爾電勢的變化，使其輸出電壓與溫度基本無關。（5）利用補償電橋進行補償?shù)谖逭麓烹娛絺鞲衅鱳1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt第20頁/共50頁四、霍爾開關集成傳感器

霍爾開關集成傳感器是利用霍爾效應與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知與磁信息有關的物理量，并以開關信號形式輸出。－＋×穩(wěn)壓整形VCC輸出地123霍爾元件放大

由穩(wěn)壓電路、霍爾元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作，開始輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。第五章磁電式傳感器第21頁/共50頁－＋×穩(wěn)壓整形VCC輸出地123霍爾元件放大

當有磁場作用在傳感器上時，霍爾元件輸出霍爾電壓VH，該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特整形電路，當放大后的VH電壓大于“開啟”閾值時，施密特整形電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使半導體管導通——“開狀態(tài)”；當磁場減弱時，霍爾元件輸出的VH很小，經(jīng)放入器放大后其值也小于施密特整形電路的“關閉”閾值，施密特整形電路再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，使半導體管截止，這種狀態(tài)為——“關狀態(tài)”。一次磁場強度的變化，就使傳感器完成了一次開關動作。工作原理：霍爾開關傳感器的用途：霍爾開關集成傳感器基本用途有：汽車點火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、里程測定、機械設備的限位開關、按鈕開關、電流的檢測與控制、位置及角度的檢測，等等。第五章磁電式傳感器第22頁/共50頁幾種不同尺寸外形的霍爾開關第五章磁電式傳感器第23頁/共50頁五、霍爾線性集成傳感器

霍爾線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場呈線性比例關系。－＋×穩(wěn)壓VCC輸出地123霍爾元件放大－＋×穩(wěn)壓VCC輸出地341霍爾元件放大8單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)雙端輸出的電路結(jié)構(gòu)第五章磁電式傳感器第24頁/共50頁

霍爾線性集成傳感器一般由霍爾元件和放大器組成，當外加磁場時，霍爾元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍爾電壓，經(jīng)放大器放大后輸出?；魻柧€性傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制。第五章磁電式傳感器第25頁/共50頁六、霍爾傳感器的應用

霍爾元件可以測量磁物理量及電量、還可以通過轉(zhuǎn)換測量其它非電量。由于霍爾元件的輸出量是比例于兩個輸入量的乘積，因此可以方便而準確地實現(xiàn)乘法運算，可構(gòu)成各種非線性運算部件?；魻栐ぷ鲝闹绷鞯綌?shù)百千赫茲的頻率范圍內(nèi)。

霍爾元件在工程技術(shù)上的應用相當廣泛，具體產(chǎn)品有高斯計、霍爾羅盤、大電流計、功率計、位移傳感器、乘法器、調(diào)制器等。第五章磁電式傳感器第26頁/共50頁1、轉(zhuǎn)速測量NS霍爾元件ωα（轉(zhuǎn)角）VH0π2πNS霍爾元件ωα（轉(zhuǎn)角）VH0永磁體裝在軸端的轉(zhuǎn)速測量方法永磁體裝在軸側(cè)的轉(zhuǎn)速測量方法第五章磁電式傳感器第27頁/共50頁第五章磁電式傳感器工作原理及用途：

被測體上貼一磁鋼，非接觸式測量，高可靠，適用于低轉(zhuǎn)速，體積小、安裝方便，對環(huán)境無要求，適合各種惡劣環(huán)境、污濁環(huán)境、功耗低，適宜長期工作?；魻柺睫D(zhuǎn)速計第28頁/共50頁2、利用霍爾線性集成傳感器進行磁法覆蓋層厚度測量

磁法覆蓋厚度測量是指對鐵磁性物質(zhì)表面非磁性涂層的厚度測量。例如對鋼鐵表面的鍍膜、油漆、塑料、搪瓷等覆蓋層的厚度等便可使用磁法厚度測量的方法。第五章磁電式傳感器第29頁/共50頁U型鐵心永磁體鐵磁基體磁回路SL3501M覆蓋層

測量時將U形鐵芯的兩極放到被測物體表面上，這時永磁體產(chǎn)生的磁通便通過U形鐵芯和被測物體構(gòu)成磁回路。當被測物體表面覆蓋層厚度不同時，磁回路的磁阻和磁通量將會發(fā)生變化，磁回路中的霍爾集成傳感器將會檢測出磁場強度的不同，從而使霍爾集成傳感器產(chǎn)生的輸出電壓隨覆蓋層厚度的不同而變化，完成覆蓋層非電量到電量的轉(zhuǎn)換。

將U型硅鋼片鐵芯中間斷開，然后將SL3501M霍爾線性集成傳感器和一片釹鐵硼永磁體夾在中間，用502膠粘牢。第五章磁電式傳感器第30頁/共50頁

霍爾集成傳感器內(nèi)部雖然設有差分放大器，但其輸出的電壓仍然滿足不了使用電路的要求，為此，將信號加一級放大，便可得到足夠大的信號幅度。－5VIC1IC2＋5VUOUT第五章磁電式傳感器第31頁/共50頁3、霍爾元件在電流測量上的應用

用霍爾元件測量電流，都是通過霍爾元件檢測通電導線周圍的磁場來實現(xiàn)的。第五章磁電式傳感器

在現(xiàn)代工程技術(shù)中，往往要測量大直流電流，有時直流電流值高達10KA以上。過去，多采用電阻器分流的方法來測量這樣大的電流。這種方法有許多缺點，如分流器結(jié)構(gòu)復雜、笨重、耗電、耗銅等。利用霍爾效應原理測量大電流可以克服上述的一些缺點?；魻栃箅娏饔嫿Y(jié)構(gòu)簡單、成本低、準確度高，在很大程度上與頻率無關，便于遠距離測量，測量時不需要斷開回路。第32頁/共50頁

（1）導線旁測法這種方法是一種最簡單的方法，將霍爾元件放在通電導線的附近，給霍爾元件通以恒定電流，用霍爾元件測量被測電流產(chǎn)生的磁場，就可以從元件輸出的霍爾電壓中確定被測電流值。這種方法雖然結(jié)構(gòu)簡單，但測量精度較差，受外界干擾也大，只適用一些不重要的場合。BICI通電電流VH第五章磁電式傳感器第33頁/共50頁

當導線中有電流流通時，導線周圍產(chǎn)生磁場，使導磁體鐵芯磁化成暫時性磁鐵，在環(huán)形氣隙中就會形成一個磁場，導體中的電流越大，氣隙處的磁感應強度就越大，霍爾元器件輸出的霍爾電壓VH就越大?？梢酝ㄟ^霍爾電壓檢測到導線中的電流。這種方法可以提高電流測量的精度。導磁鐵心霍爾元器件通電導線I（2）導線貫串磁芯法如果用鐵磁材料做成磁導體的鐵芯，使被測通電導線貫串它的中央，將霍爾元件或霍爾集成傳感器放在磁導體的氣隙中，這樣，可以通過環(huán)形鐵芯集中磁力線，如下圖所示。第五章磁電式傳感器測量原理第34頁/共50頁

在實際應用中，為了測量的方便，還可以把導磁鐵芯做成鉗式形狀，或非閉合磁路的形狀，如下圖所示。I霍爾元器件通電導線導磁鐵心霍爾元器件通電導線導磁鐵心I鉗式非閉合磁路式第五章磁電式傳感器第35頁/共50頁

（3）磁芯繞線法

這種方法如下圖所示。它由標準環(huán)形導磁鐵芯和SL3501M霍爾線性集成傳感器組合而成。SL3501M通電導線導磁鐵心I第五章磁電式傳感器第36頁/共50頁第五章磁電式傳感器數(shù)字鉗型表用途：

主要用于大電流測量，可用于機械加工車間，工廠，及各種耗電量較大的任何場合。第37頁/共50頁4、霍爾線性位移傳感器霍爾線性位移傳感器第五章磁電式傳感器第38頁/共50頁第五章磁電式傳感器若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個均勻梯度磁場中移動，它輸出的霍爾電壓VH值只由它在該磁場中的位移量Z來決定。圖中3種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位移傳感器的輸出特性曲線，將它們固定在被測系統(tǒng)上，可構(gòu)成霍爾微位移傳感器。從曲線可見，結(jié)構(gòu)（b）在Z<2mm時，VH與Z有良好的線性關系，且分辨力可達1μm，結(jié)構(gòu)（C）的靈敏度高，但工作距離較小。

幾種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)和幾種霍爾位移傳感器的靜態(tài)特性霍爾線性位移傳感器原理第39頁/共50頁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缺口對準霍爾元件時，磁通通過霍爾傳感器形成閉合回路，電路導通，霍爾電路輸出≤0.4V的低電平；當隔磁罩豎邊的凸出部分擋在霍爾元件和磁體之間時，電路截止，霍爾電路輸出高電平。5、汽車霍爾電子點火器第五章磁電式傳感器第40頁/共50頁上文回顧磁電式傳感器磁電感應式傳感器霍爾傳感器原理：霍爾效應特點：應用不等位電勢及其補償方法恒流源+輸入回路并聯(lián)電阻恒壓源+輸入回路串聯(lián)電路溫度效應及其補償方法負載補償熱敏電阻補償電橋補償?shù)?1頁/共50頁第五章磁電式傳感器特點：磁柵價格低于光柵，且錄磁方便、易于安裝，測量范圍寬可超過十幾米，抗干擾能力強。類型：磁柵可分為長磁柵和圓磁柵。長磁柵主要用于直線位移測量，圓磁柵主要用于角位移測量。組成：磁柵傳感器主要由磁柵、磁頭和信號處理電路組成?！?-3磁柵傳感器簡介第42頁/共50頁第五章磁電式傳感器工作原理：類似于磁帶錄音原理，把周期性的電信號以錄磁的方式記錄在磁性介質(zhì)上，通過磁頭讀出該信號，當磁頭與磁性介質(zhì)發(fā)生相對位移時，完成位移信號到電信號的轉(zhuǎn)變。§5-3磁柵傳感器簡介

磁柵－相當于磁