傳感器第七章

第7章磁電式傳感器

7.1磁電感應(yīng)式傳感器7.2霍爾式傳感器第7章磁電式傳感器7.1磁電感應(yīng)式傳感器原理－－磁電感應(yīng)式傳感器又稱(chēng)電動(dòng)式傳感器,是利用電磁感應(yīng)原理將被測(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。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),是典型的有源傳感器。磁電式傳感器機(jī)械能電量特點(diǎn)及應(yīng)用－－輸出功率大，穩(wěn)定可靠，可簡(jiǎn)化二次儀表，但頻率響應(yīng)低。通常在10—100HZ適合作機(jī)械振動(dòng)測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)量。傳感器尺寸大、重。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，N匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線，線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e。e的大小與穿過(guò)線圈的磁通Φ變化率有關(guān)。

一、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理如果線圈是N匝，磁場(chǎng)強(qiáng)度是B，每匝線圈的平均長(zhǎng)度la，線圈相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的速度為υ=dx/dt。則整個(gè)線圈中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為：線速度角速度恒磁通式：磁路系統(tǒng)恒定磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈也可以是磁鐵。變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)物體引起磁阻、磁通變化。

根據(jù)以上原理,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。

磁電感應(yīng)式動(dòng)圈式線速度型角速度型N恒磁通式變磁通式動(dòng)鐵式開(kāi)磁路式閉磁路式動(dòng)鐵型動(dòng)圈型恒磁通式：動(dòng)圈式傳感器線速度型

線速度型角速度型測(cè)速電機(jī)動(dòng)圈式工作原理當(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),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)。動(dòng)鐵式和動(dòng)圈式（的工作原理是完全相同的。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),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)。動(dòng)鐵式工作原理（a）開(kāi)磁路（b）閉磁路變磁通式傳感器磁電式車(chē)速傳感器變磁通式：圖（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。圖(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。二、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性

式中:B——工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度;

la——每匝線圈平均長(zhǎng)度;

N——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。磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Rf——測(cè)量電路輸入電阻;

R——線圈等效電阻。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Io為（7-3）傳感器的電流靈敏度為(7-4)傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為(7-5)(7-6)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(7-7)

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7-3所示。當(dāng)傳感器線圈相對(duì)于永久磁鐵磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度增大時(shí),將產(chǎn)生較大的感生電勢(shì)E和較大的電流I,由此而產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)方向與原工作磁場(chǎng)方向相反,減弱了工作磁場(chǎng)的作用,從而使得傳感器的靈敏度隨著被測(cè)速度的增大而降低。三、磁電感應(yīng)式傳感器誤差補(bǔ)償

圖7-3傳感器電流的磁場(chǎng)效應(yīng)當(dāng)線圈的運(yùn)動(dòng)速度與圖7-3所示方向相反時(shí),感生電勢(shì)E、線圈感應(yīng)電流反向,所產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)方向與工作磁場(chǎng)同向,從而增大了傳感器的靈敏度。其結(jié)果是線圈運(yùn)動(dòng)速度方向不同時(shí),傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值,使傳感器輸出基波能量降低,諧波能量增加。即這種非線性特性同時(shí)伴隨著傳感器輸出的諧波失真。顯然，傳感器靈敏度越高,線圈中電流越大,這種非線性越嚴(yán)重。誤差補(bǔ)償－－為補(bǔ)償上述附加磁場(chǎng)干擾,可在傳感器中加入補(bǔ)償線圈,如圖所示。補(bǔ)償線圈通以經(jīng)放大K倍的電流,適當(dāng)選擇補(bǔ)償線圈參數(shù),可使其產(chǎn)生的交變磁通與傳感線圈本身所產(chǎn)生的交變磁通互相抵消,從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

2.溫度誤差當(dāng)溫度變化時(shí),式（7-7）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(7-7)可得近似值:γt≈(－4.5%)/10℃(7-8)這一數(shù)值是很可觀的,所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

溫度誤差補(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。當(dāng)溫度升高時(shí),熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降,經(jīng)它分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低,從而保持空氣隙的工作磁通不隨溫度變化,維持傳感器靈敏度為常數(shù)。

四、磁電感應(yīng)式傳感器的測(cè)量電路磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電勢(shì),且傳感器通常具有較高的靈敏度,所以一般不需要高增益放大器。磁電式傳感器是速度傳感器。

信號(hào)輸出送測(cè)量電路接入積分電路測(cè)量位移；接入微分電路測(cè)量加速度。

磁電感應(yīng)式傳感器測(cè)量電路方框圖無(wú)源積分電路有源積分電路一個(gè)實(shí)用的有源積分電路無(wú)源微分電路基本有源微分電路實(shí)用有源微分電路電磁式傳感器通常用來(lái)做機(jī)械振動(dòng)測(cè)量。振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)大體分兩種：①動(dòng)鋼型（線圈與殼體固定）②動(dòng)圈型（永久磁鐵與殼固定）五、磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用

1.振動(dòng)速度傳感器

動(dòng)鋼型動(dòng)圈型動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器圖7-5是動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。其結(jié)構(gòu)主要由鋼制圓形外殼制成,里面用鋁支架將圓柱形永久磁鐵與外殼固定成一體,永久磁鐵中間有一小孔,穿過(guò)小孔的芯軸兩端架起線圈和阻尼環(huán),芯軸兩端通過(guò)圓形膜片支撐架空且與外殼相連。動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器1－芯軸；2－外殼；3－彈簧片；4－鋁支架；5－永久磁鐵；6－線圈；7－阻尼環(huán)；8－引線磁鐵與線圈之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近振動(dòng)速度，磁路空氣隙中的線圈切割磁力線，產(chǎn)生于正比振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

工作時(shí),傳感器與被測(cè)物體剛性連接,當(dāng)物體振動(dòng)時(shí),傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動(dòng),而架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動(dòng)。磁路空氣隙中的線圈切割磁力線而產(chǎn)生正比于振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),線圈的輸出通過(guò)引線輸出到測(cè)量電路。該傳感器測(cè)量的是振動(dòng)速度參數(shù)。若在測(cè)量電路中接入積分電路,則輸出電勢(shì)與位移成正比;若在測(cè)量電路中接入微分電路,則其輸出與加速度成正比。磁電式振動(dòng)傳感器的特性：磁電式振動(dòng)傳感器是慣性式傳感器，不需要靜止的基準(zhǔn)參考，可直接裝在被測(cè)體上。傳感器是發(fā)電型傳感器，工作時(shí)可不加電壓，直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。速度傳感器的輸出電壓正比于速度信號(hào)u∝v，便于直接放大。輸出阻抗低，對(duì)后置電路要求低，干擾小。

2.動(dòng)鐵式電焊變壓器3.磁電式扭矩傳感器

在驅(qū)動(dòng)源和負(fù)載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤(pán),它們旁邊裝有相應(yīng)的兩個(gè)磁電傳感器。磁電傳感器的結(jié)構(gòu)傳感器的檢測(cè)元件部分由永久磁場(chǎng)、感應(yīng)線圈和鐵芯組成。永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線與齒形圓盤(pán)交鏈。當(dāng)齒形圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí),圓盤(pán)齒凸凹引起磁路氣隙的變化,于是磁通量也發(fā)生變化,在線圈中感應(yīng)出交流電壓,其頻率等于圓盤(pán)上齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)乘積。當(dāng)扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時(shí),兩個(gè)磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2存在相位差。這個(gè)相位差與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比。這樣傳感器就可以把扭矩引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號(hào)。7.2霍爾式傳感器霍爾效應(yīng)和霍爾元件材料霍爾元件構(gòu)造及測(cè)量電路霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)霍爾元件的補(bǔ)償電路霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例

霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量，如電流、磁場(chǎng)、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng),但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒(méi)有得到應(yīng)用。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?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。

霍爾傳感器屬于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁電轉(zhuǎn)換原理，磁敏傳感器是把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，磁敏元件得到應(yīng)用和發(fā)展，廣泛用于自動(dòng)控制、信息傳遞、電磁場(chǎng)、生物醫(yī)學(xué)等方面的電磁、壓力、加速度、振動(dòng)測(cè)量。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、動(dòng)態(tài)特性好、壽命長(zhǎng)。磁敏傳感器磁學(xué)量電信號(hào)實(shí)際應(yīng)用中磁敏元件主要用于檢測(cè)磁場(chǎng)，而與人們相關(guān)的磁場(chǎng)范圍很寬，一般的磁敏傳感器檢測(cè)的最低磁場(chǎng)只能到10－6高斯。

磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)源的分布測(cè)磁的方法：①利用電磁感應(yīng)作用的傳感器（強(qiáng)磁場(chǎng)）如：磁頭、機(jī)電設(shè)備、測(cè)轉(zhuǎn)速、磁性標(biāo)定、差動(dòng)變壓器；②利用磁敏電阻、磁敏二極管、霍爾元件；③利用磁作用傳感器，磁針、表頭、繼電器；④利用超導(dǎo)效應(yīng)傳感器，SQVID約瑟夫元件；⑤利用核磁共振的傳感器，有光激型、質(zhì)子型。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，磁敏傳感器正向薄膜化，微型化和集成化方向發(fā)展。

一、霍爾效應(yīng)及霍爾元件材料

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)?；魻栃?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)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。cdab以自由電子為對(duì)象進(jìn)行分析的原因洛侖茲力方向判斷在磁場(chǎng)中導(dǎo)體自由電子在磁場(chǎng)的作用下做定向運(yùn)動(dòng)。每個(gè)電子受洛侖茲力作用被推向?qū)w的另一側(cè)：

自由電子受力情況分析－洛侖茲力霍爾電場(chǎng)自由電子受力情況分析－電場(chǎng)作用力電場(chǎng)作用力負(fù)號(hào)的含義自由電子受力動(dòng)態(tài)平衡速度v與電流強(qiáng)度I之間的關(guān)系設(shè)霍爾元件中載流子的濃度為n，則電流強(qiáng)度為霍爾電勢(shì)及霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)

反映材料霍耳效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)載流子濃度與霍爾系數(shù)的關(guān)系，金屬導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)沒(méi)半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)顯著原因所在?；魻栂禂?shù)霍爾系數(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),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。電子遷移率電阻率討論：

任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，但不是都可以制造霍爾元件絕緣材料電阻率很大，電子遷移率很小，不適用；金屬材料電子濃度很高，RH很小，UH很小。半導(dǎo)體電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體（多電子）。

霍耳靈敏度對(duì)一定的霍耳元件是一個(gè)常數(shù)。它的大小與材料的性質(zhì)以及元件的尺寸有關(guān)。它表示霍耳元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流強(qiáng)度下的霍耳電壓的大小。實(shí)際應(yīng)用如果磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為已知，測(cè)出通過(guò)霍耳元件的工作電流I和相應(yīng)的UH

，就可以測(cè)定該元件的靈敏度KH

；反之，如果霍耳元件的靈敏度KH已知，只要測(cè)得了I和UH

，就可測(cè)定霍耳元件所在處的磁場(chǎng)B

。磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdab磁感應(yīng)強(qiáng)度B較大時(shí)的情況

作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高?；魻栯妱?shì)EH可用下式表示：

EH=KHIB霍爾電場(chǎng)強(qiáng)度正比于激勵(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，通常近似1微米?；魻柶撵`敏度霍爾系數(shù)霍爾電勢(shì)磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時(shí)，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時(shí)的霍爾電勢(shì)為

UH=KHIBcos

結(jié)論：霍爾電勢(shì)與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B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)為交變磁場(chǎng)，則霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì)。

2.霍爾元件材料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。

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。二、霍爾元件構(gòu)造及測(cè)量電路霍爾片四極引線殼體霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)引線。1、1′（a，b）兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱(chēng)為激勵(lì)電極；2、2′（c，d）引線為霍爾輸出引線，稱(chēng)為霍爾電極。

霍爾元件殼體由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝而成。激勵(lì)電流由電源E供給，可變電阻RP用來(lái)調(diào)節(jié)激勵(lì)電流I的大小。RL為輸出霍爾電勢(shì)UH的負(fù)載電阻，通常它是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗。霍爾元件測(cè)量電路三、霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)

1）額定激勵(lì)電流IH和最大允許激勵(lì)電流當(dāng)霍爾元件自身溫升10℃時(shí)所流過(guò)的激勵(lì)電流稱(chēng)為額定激勵(lì)電流。以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。因霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增加而增加,所以,使用中希望選用盡可能大的激勵(lì)電流,因而需要知道元件的最大允許激勵(lì)電流。改善霍爾元件的散熱條件,可以使激勵(lì)電流增加。2）輸入電阻和輸出電阻激勵(lì)電極間的電阻值稱(chēng)為輸入電阻?；魻栯姌O間的電阻值即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零且環(huán)境溫度在20℃±5℃時(shí)確定的。3）不等位電勢(shì)U0和不等位電阻當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為I時(shí),若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,則它的霍爾電勢(shì)應(yīng)該為零,但實(shí)際不為零。這時(shí)測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)稱(chēng)不等位電勢(shì)。不等位電阻零位電勢(shì)零位電阻測(cè)試條件：直流激勵(lì)產(chǎn)生不等位電勢(shì)的原因:①霍爾電極安裝位置不對(duì)稱(chēng)或不在同一等電位面上;霍爾引出電極安裝不對(duì)稱(chēng)②半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻;半導(dǎo)體材料不均勻③激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。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勢(shì)外,還有一直流電勢(shì),稱(chēng)寄生直流電勢(shì)。4）寄生直流電勢(shì)寄生直流電勢(shì)一般在1mV以下,它是影響霍爾片溫漂的原因之一。寄生直流電勢(shì)產(chǎn)生的原因:①激勵(lì)電極與霍爾電極接觸不良,形成非歐姆接觸,造成整流效果;②兩個(gè)霍爾電極大小不對(duì)稱(chēng),則兩個(gè)電極點(diǎn)的熱容不同,散熱狀態(tài)不同形成極間溫差電勢(shì)。5）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下,溫度每變化1℃時(shí),霍爾電勢(shì)變化的百分率稱(chēng)霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)。它同時(shí)也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。四、霍爾元件的補(bǔ)償電路（1）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),而實(shí)用中要消除不等位電勢(shì)是極其困難的,因而必須采用補(bǔ)償?shù)姆椒?。由于不等位電?shì)與不等位電阻是一致的,可以采用分析電阻的方法來(lái)找到不等位電勢(shì)的補(bǔ)償方法。方法－－把霍爾元件等效為一個(gè)電橋，用分析電橋平衡來(lái)補(bǔ)償不等位電勢(shì)?；魻栐牡刃щ娐啡鐖D所示,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。為使電橋達(dá)到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻,或在兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻。不等位電勢(shì)的補(bǔ)償電路

（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)。當(dāng)溫度變化時(shí),霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化,從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。溫度補(bǔ)償措施選用溫度系數(shù)小的元件采用恒溫措施采用恒流源供電恒流源供電原理－－由UH=KHIB可看出：采用恒流源供電可以使霍爾電勢(shì)穩(wěn)定。限制－－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)，它隨溫度的變化也會(huì)引起霍爾電勢(shì)的變化。霍爾元件的靈敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系

KH=KH0（1+αΔT）（7-20）式中:KH0——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)。并且大多數(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。補(bǔ)償思路－－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。具體補(bǔ)償方法－－分流電阻法在溫度補(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KH0,分流電阻為Rp0,根據(jù)分流概念得（7-21）當(dāng)溫度升至T時(shí),電路中各參數(shù)變?yōu)?/p>

Ri=Ri0（1+δΔT）（7-22）

Rp=Rp0（1+βΔT）（7-23）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)。則根據(jù)補(bǔ)償要求，補(bǔ)償電路必須滿足溫升前、后的霍爾電勢(shì)不變。即UH0=UH（7-24）

KH0IH0B=KHIHB（7-25）則KH0IH0=KHIH

（7-26）經(jīng)整理并略去αβ(ΔT)2高次項(xiàng)后得當(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（7-27）即可計(jì)算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)β值。（7-27）具體補(bǔ)償方法－－橋路補(bǔ)償法錳銅電阻熱敏電阻五、霍爾元件的特性InSb霍爾元件的輸出特性GaAs霍爾元件的輸出特性霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、

三個(gè)變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。維持I、不變，則EH=f（B

），應(yīng)用：測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的高斯計(jì)、測(cè)量轉(zhuǎn)速的霍爾表、磁性產(chǎn)品計(jì)數(shù)器；維持I、B不變，則EH=f（

），應(yīng)用：角位移測(cè)量?jī)x；維持不變，則EH=f（IB

），應(yīng)用：霍爾功率表、電能計(jì)等。六、霍爾式傳感器的應(yīng)用

1.霍爾式微位移傳感器霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),它不僅用于磁感應(yīng)強(qiáng)度,有功功率及電能參數(shù)的測(cè)量,也在位移測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。

霍爾式位移傳感器的工作原理圖圖（a）是磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵,同極性相對(duì)地放置,霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0,因此霍爾元件輸出的霍爾電勢(shì)UH也等于零,此時(shí)位移Δx=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對(duì)位移,霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之改變,這時(shí)UH不為零,其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對(duì)位置的變化量,這種結(jié)構(gòu)的傳感器,其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)5mm,分辨率為0.001mm。圖（b）所示是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的霍爾位移傳感器,由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器,在Δx=0時(shí),霍爾電壓不等于零。圖（c）是一個(gè)由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器,為了獲得較好的線性分布,在磁極端面裝有極靴,霍爾元件調(diào)整好初始位置時(shí),可以使霍爾電壓UH=0。這種傳感器靈敏度很高,但它所能檢測(cè)的位移量較小,適合于微位移量及振動(dòng)的測(cè)量。

霍爾式位移傳感器原理示意圖均勻梯度磁場(chǎng)激勵(lì)電流保持不變

2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器圖7-13是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。磁性轉(zhuǎn)盤(pán)的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連,當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),磁性轉(zhuǎn)盤(pán)隨之轉(zhuǎn)動(dòng),固定在磁性轉(zhuǎn)盤(pán)附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖,檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù),便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤(pán)上小磁鐵數(shù)目的多少?zèng)Q定了傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾轉(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?；魻栟D(zhuǎn)速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的脈動(dòng)，從而引起霍爾電勢(shì)的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)?；魻栐盆F霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車(chē)防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車(chē)在剎車(chē)時(shí)車(chē)輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍