傳感技術(shù)及應(yīng)用磁電式傳感器

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)電磁感應(yīng)定律，在切割磁通的電路里，產(chǎn)生與磁通相變化速率成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢?，F(xiàn)代的磁傳感器已向固體化發(fā)展，它是利用磁場作用使物質(zhì)的電性能發(fā)生變化的各種物理效應(yīng)制成的，從而使磁場強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。磁傳感器的種類較多，制作傳感器的材料有半導(dǎo)體、磁性體、超導(dǎo)體等，不同材料制作的磁傳感器其工作原理和特性也不相同。第五章磁電式傳感器§5-1磁電感應(yīng)式傳感器第五章磁電式傳感器

它是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢的，是一種機(jī)—電能量變換型傳感器，不需要供電電源，電路簡單，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10～1000），適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。工作原理：法拉第電磁感應(yīng)定律當(dāng)N匝線圈在一恒定磁場中作“切割”磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電勢為分類：恒定磁通式變磁通式第五章磁電式傳感器B：工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度l：每匝線圈的長度恒定磁通磁電感應(yīng)式傳感器動(dòng)圈式結(jié)構(gòu)：第五章磁電式傳感器動(dòng)鐵式變磁通磁電感應(yīng)式傳感器第五章磁電式傳感器磁電式回轉(zhuǎn)檢測器第五章磁電式傳感器在車輛中的應(yīng)用測速第五章磁電式傳感器車輛在運(yùn)行過程中，前后輪速度傳感器通過磁電感應(yīng)將車輪速度轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，然后經(jīng)過線路將該電壓信號(hào)傳輸?shù)诫娮涌刂破鳎‥CU）中，電子控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)置的程序隨時(shí)對(duì)各車輪傳感器的輸入信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測，從而判斷是否有必要進(jìn)入到ABS制動(dòng)狀態(tài)。第二節(jié)霍爾傳感器

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

霍爾效應(yīng)是導(dǎo)電材料中的電流與磁場相互作用而產(chǎn)生電動(dòng)勢的物理效應(yīng)。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(gè)側(cè)面將產(chǎn)生電動(dòng)勢。這一現(xiàn)象為美國物理學(xué)家愛德文·霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)，稱為霍爾效應(yīng)，相應(yīng)的電動(dòng)勢稱為霍爾電勢。第五章磁電式傳感器一、工作原理與特性bdUHIlBvF′F－＋＋－第五章磁電式傳感器設(shè)為N型半導(dǎo)體，載流子為電子。磁場中運(yùn)動(dòng)載流子的偏轉(zhuǎn)第五章磁電式傳感器

設(shè)霍爾片的長度為l，寬度為w，厚度為d。又設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動(dòng)，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它受到洛侖茲力q—電子電量(1.62×10-19C)；v—電于運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)，作用于電子的電場力

當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)第五章磁電式傳感器霍耳電勢VH與I、B的乘積成正比，而與d成反比。于是可改寫成：電流密度j=-nevn—N型半導(dǎo)體中的電子濃度N型半導(dǎo)體UH＝KH

IB若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍耳器件的平面法線夾角為θ時(shí)，霍耳電勢應(yīng)為：

VH＝KHIBcosθ

設(shè)KH=RH/d

，第五章磁電式傳感器

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

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，堅(jiān)固，頻率響應(yīng)寬，動(dòng)態(tài)范圍大,無觸點(diǎn),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(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。第五章磁電式傳感器控制電流I；霍耳電勢VH；控制電壓V；輸出電阻R2；輸入電阻R1；霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流IH。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本電路R同樣，若給出控制電壓V，由于V=R1I，可得控制電壓和霍耳電勢的關(guān)系式：設(shè)霍耳片厚度d均勻，電流I和霍耳電場的方向分別平行于長、短邊界，則控制電流I和霍耳電勢VH的關(guān)系式：第五章磁電式傳感器霍爾元件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(三)霍爾元件的電磁特性1、UH——I特性2、UH——B特性3、R——B特性第五章磁電式傳感器三、霍爾片的誤差及其補(bǔ)償1、不等位電勢的補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償。第五章磁電式傳感器（一）霍爾元件的零位誤差及其補(bǔ)償ABCDIR1R2R3R4

補(bǔ)償原理：將R1、R2、R3、R4其視為電橋的四個(gè)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(gè)臂上同時(shí)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(shí)際上存在著零位電勢，則說明此四個(gè)電阻不等。第五章磁電式傳感器第五章磁電式傳感器寄生直流電動(dòng)勢是由于元件的兩對(duì)電極不是完全歐姆接觸而形成整流效應(yīng)，以及鏈各個(gè)霍爾電極的焊點(diǎn)大小不等、熱容量不同引起溫差所產(chǎn)生的。2、寄生直流電動(dòng)勢歐姆接觸是指金屬與半導(dǎo)體的接觸，而其接觸面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻，使得組件操作時(shí)，大部分的電壓降在活動(dòng)區(qū)(Activeregion)而不在接觸面。歐姆接觸在金屬處理中應(yīng)用廣泛，實(shí)現(xiàn)的主要措施是在半導(dǎo)體表面層進(jìn)行高摻雜或者引入大量復(fù)合中心。（二）溫度補(bǔ)償

霍爾片是采用半導(dǎo)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(dǎo)體材料的電阻率，遷移率和載流子濃度等都隨溫度而變化?；魻柶男阅軈?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(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路。第五章磁電式傳感器（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(shí)，會(huì)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(jìn)一步提高VH的溫度穩(wěn)定性，對(duì)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RP。第五章磁電式傳感器（2）合理選取負(fù)載電阻RL的組織dUL/d(t-t0)

=0令（3）采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻

當(dāng)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(shí)，可在輸入回路串入適當(dāng)電阻來補(bǔ)償溫度誤差。第五章磁電式傳感器（4）采用溫度補(bǔ)償元件（5）霍爾元件不等位電動(dòng)勢的溫度補(bǔ)償三、霍爾傳感器的應(yīng)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(gè)輸入量的乘積，因此可以方便而準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，可構(gòu)成各種非線性運(yùn)算部件。霍爾元件工作從直流到數(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(yīng)用相當(dāng)廣泛，具體產(chǎn)品有高斯計(jì)、霍爾羅盤、大電流計(jì)、功率計(jì)、位移傳感器、乘法器、調(diào)制器等。第五章磁電式傳感器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(duì)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(jì)2、利用霍爾線性集成傳感器進(jìn)行磁法覆蓋層厚度測量

磁法覆蓋厚度測量是指對(duì)鐵磁性物質(zhì)表面非磁性涂層的厚度測量。例如對(duì)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U型鐵心永磁體鐵磁基體磁回路SL3501M覆蓋層

測量時(shí)將U形鐵芯的兩極放到被測物體表面上，這時(shí)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(dāng)被測物體表面覆蓋層厚度不同時(shí)，磁回路的磁阻和磁通量將會(huì)發(fā)生變化，磁回路中的霍爾集成傳感器將會(huì)檢測出磁場強(qiáng)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

霍爾集成傳感器內(nèi)部雖然設(shè)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(hào)加一級(jí)放大，便可得到足夠大的信號(hào)幅度。－5VIC1IC2＋5VUOUT第五章磁電式傳感器3、霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用

用霍爾元件測量電流，都是通過霍爾元件檢測通電導(dǎo)線周圍的磁場來實(shí)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(shí)直流電流值高達(dá)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(diǎn)，如分流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、耗電、耗銅等。利用霍爾效應(yīng)原理測量大電流可以克服上述的一些缺點(diǎn)?；魻栃?yīng)大電流計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、準(zhǔn)確度高，在很大程度上與頻率無關(guān)，便于遠(yuǎn)距離測量，測量時(shí)不需要斷開回路。

（1）導(dǎo)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(dǎo)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

當(dāng)導(dǎo)線中有電流流通時(shí)，導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，使導(dǎo)磁體鐵芯磁化成暫時(shí)性磁鐵，在環(huán)形氣隙中就會(huì)形成一個(gè)磁場，導(dǎo)體中的電流越大，氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)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(dǎo)線中的電流。這種方法可以提高電流測量的精度。導(dǎo)磁鐵心霍爾元器件通電導(dǎo)線I（2）導(dǎo)線貫串磁芯法如果用鐵磁材料做成磁導(dǎo)體的鐵芯，使被測通電導(dǎo)線貫串它的中央，將霍爾元件或霍爾集成傳感器放在磁導(dǎo)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

在實(shí)際應(yīng)用中，為了測量的方便，還可以把導(dǎo)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(dǎo)線導(dǎo)磁鐵心霍爾元器件通電導(dǎo)線導(dǎo)磁鐵心I鉗式非閉合磁路式第五章磁電式傳感器

（3）磁芯繞線法

這種方法如下圖所示。它由標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形導(dǎo)磁鐵芯和SL3501M霍爾線性集成傳感器組合而成。SL3501M通電導(dǎo)線導(dǎo)磁鐵心I

被測通電導(dǎo)線繞在導(dǎo)磁鐵芯上，每1安1匝在氣隙處可產(chǎn)生0.0056T的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若測量范圍是0~20A時(shí)，則導(dǎo)線繞制9匝便可產(chǎn)生約0.1T的磁感應(yīng)強(qiáng)度，SL3501M會(huì)有1.4V的電壓輸出。第五章磁電式傳感器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(jī)械加工車間，工廠，及各種耗電量較大的任何場合。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(gè)均勻梯度磁場中移動(dòng)，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(shí)，VH與Z有良好的線性關(guān)系，且分辨力可達(dá)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五章磁電式傳感器5、霍爾壓力傳感器

霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成，如圖所示。(a)的彈