磁電、磁敏式傳感器

1、傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用6.1 磁電感應(yīng)式傳感器（電動(dòng)式）磁電感應(yīng)式傳感器（電動(dòng)式）6.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器6.3 磁敏元件磁敏元件 第六章 磁電、磁敏式傳感器 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第六章 磁電、磁敏式傳感器 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 磁電作用主要分為電磁感應(yīng)和霍爾效應(yīng)兩種情況，磁（電）敏式傳感器可以分為磁電感應(yīng)式傳感器和霍爾式傳感器兩種。 此外還有一些半導(dǎo)體磁電傳感器，如磁敏電阻器，磁敏晶體管，以及以這些元器件為磁-電轉(zhuǎn)換器的各種半導(dǎo)體磁敏功能器件。 第六章 磁電、磁敏式傳感器 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第六章 磁電、磁敏式傳感器 傳感器原理及應(yīng)

2、用傳感器原理及應(yīng)用磁電感應(yīng)式傳感器：磁電感應(yīng)式傳感器：利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。有源傳感器：有源傳感器：不需要輔助電源，就能把被測對(duì)象的機(jī)不需要輔助電源，就能把被測對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號(hào)。械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號(hào)。特點(diǎn)：特點(diǎn)：輸出功率大，性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬輸出功率大，性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（101000 Hz）。）。一、磁電感應(yīng)式傳感器概述一、磁電感應(yīng)式傳感器概述 6.1 磁電感應(yīng)式傳感器（電動(dòng)式） 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 磁電感應(yīng)式

3、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。由法拉為基礎(chǔ)的。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，第電磁感應(yīng)定律可知，N N匝線圈在磁場中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或匝線圈在磁場中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)線圈所在磁場的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E E(V)(V)的大小取決于穿過線圈的磁通的大小取決于穿過線圈的磁通 的變化率，即的變化率，即ddENtWb磁通量的變化可以通過很多辦法來實(shí)現(xiàn)，如磁鐵與線圈之間磁通量的變化可以通過很多辦法來實(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；恒定磁場中線圈面積的變作相對(duì)運(yùn)動(dòng)；磁路中磁阻的變化；恒定磁場中線

4、圈面積的變化等，一般可將磁電感應(yīng)式傳感器分為化等，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。兩類。二、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理二、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用1 1、恒磁通式、恒磁通式 6.1 磁電感應(yīng)式傳感器（電動(dòng)式） 圖圖 恒磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖恒磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 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，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)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)線圈切線圈切割磁力線而產(chǎn)生。這類結(jié)構(gòu)有動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式兩種。割磁力線

5、而產(chǎn)生。這類結(jié)構(gòu)有動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式兩種。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用式中：式中： B0工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度； L每匝線圈平均長度；每匝線圈平均長度； N線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù)；線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù)； v相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。0ENB Lv永久磁鐵與線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度切割磁力線從永久磁鐵與線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度切割磁力線從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。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v v成正比，成正比，根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

6、根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E E的大小就可以知道被測速度的大小。的大小就可以知道被測速度的大小。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 這類傳感器的這類傳感器的線圈和磁鐵都是靜止不動(dòng)線圈和磁鐵都是靜止不動(dòng)的。的。利用磁性材料制成齒輪，在運(yùn)動(dòng)中它不斷地改利用磁性材料制成齒輪，在運(yùn)動(dòng)中它不斷地改變磁路的磁阻變磁路的磁阻，因而改變了貫穿線圈的磁通量，因而改變了貫穿線圈的磁通量，因此在線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。因此在線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。 變磁通式傳感器一般都做成轉(zhuǎn)速傳感器，產(chǎn)生變磁通式傳感器一般都做成轉(zhuǎn)速傳感器，產(chǎn)生的的感應(yīng)電勢(shì)的頻率作為輸出感應(yīng)電勢(shì)的頻率作為輸出，其，其頻率值取決于磁通頻率值取決于磁通變化的頻率變化的頻率。

7、 2 2、變磁通式、變磁通式 在結(jié)構(gòu)上分為在結(jié)構(gòu)上分為開磁路開磁路和和閉磁路閉磁路兩種。兩種。 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 開磁路變磁通式開磁路變磁通式轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 傳感器如圖所示，傳傳感器如圖所示，傳 感器由永久磁鐵、感感器由永久磁鐵、感 應(yīng)線圈、軟鐵組成。應(yīng)線圈、軟鐵組成。 齒輪安裝在被測轉(zhuǎn)軸齒輪安裝在被測轉(zhuǎn)軸 上，與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。上，與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。 1永久磁鐵；永久磁鐵；2軟鐵；軟鐵； 3感應(yīng)線圈；感應(yīng)線圈；4齒輪。齒輪。圖圖 開磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器開磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，由齒輪的凹凸引起磁阻變化，而使當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，由齒輪的凹凸引起磁

8、阻變化，而使磁通發(fā)生變化，因而在線圈磁通發(fā)生變化，因而在線圈 3 中感應(yīng)出交變電勢(shì)，其頻中感應(yīng)出交變電勢(shì)，其頻率等于齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積，即率等于齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積，即60/nzf式中，式中，z 為齒輪的齒數(shù)；為齒輪的齒數(shù)；n為被測軸的轉(zhuǎn)速為被測軸的轉(zhuǎn)速(r/min) ； f 為感應(yīng)電勢(shì)頻率為感應(yīng)電勢(shì)頻率(Hz)。 當(dāng)齒輪的齒數(shù)當(dāng)齒輪的齒數(shù) z 確定以后，若能測出確定以后，若能測出 f 就可求出轉(zhuǎn)速就可求出轉(zhuǎn)速 n ( n=60f / z )。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號(hào)小，。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號(hào)小，轉(zhuǎn)速高時(shí)信號(hào)失真也大，在振動(dòng)強(qiáng)或轉(zhuǎn)速高的場合，往轉(zhuǎn)速高時(shí)信號(hào)失真也大，在振動(dòng)

9、強(qiáng)或轉(zhuǎn)速高的場合，往往采用閉磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器。往采用閉磁路變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器。 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用已知測量齒輪齒數(shù)Z=18，采用變磁通感應(yīng)式傳感器測量工作軸轉(zhuǎn)速(如圖所示)。若測得輸出電動(dòng)勢(shì)的交變頻率為24(Hz)，求：被測軸的轉(zhuǎn)速n(r/min)為多少? 解：測量時(shí)，齒輪隨工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，傳感器磁路磁阻變化一次，磁通也變化一次，因此，線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化頻率f等于齒輪的齒數(shù)Z與轉(zhuǎn)速n的乘積。60fZ602418= 80(r/min)f=nZ/60n=602418=602418傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用圖為圖為閉磁路變磁通

10、式閉磁路變磁通式， 它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi) 齒輪和外齒輪、永久齒輪和外齒輪、永久 磁鐵和感應(yīng)線圈組成，磁鐵和感應(yīng)線圈組成， 內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn) 軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時(shí)，軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)外齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(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)的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。與被測轉(zhuǎn)速成正比。6.1 磁電

11、電感應(yīng)應(yīng)式傳傳感器1 -轉(zhuǎn)軸2 -內(nèi)齒輪3a、3b -外齒輪4 -線圈5 -永久磁鐵傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 轉(zhuǎn)速傳感器的輸出電勢(shì)取決于線圈中磁場變轉(zhuǎn)速傳感器的輸出電勢(shì)取決于線圈中磁場變化速度，因而它是與被測速度成一定比例的，當(dāng)化速度，因而它是與被測速度成一定比例的，當(dāng)轉(zhuǎn)速太低時(shí)，輸出電勢(shì)很小，以致無法測量。所轉(zhuǎn)速太低時(shí)，輸出電勢(shì)很小，以致無法測量。所以這種傳感器有一個(gè)以這種傳感器有一個(gè)下限工作頻率下限工作頻率，一般為，一般為50Hz左右，左右，閉磁路轉(zhuǎn)速傳感器下限頻率可低到閉磁路轉(zhuǎn)速傳感器下限頻率可低到30Hz左左右，上限工作頻率可達(dá)右，上限工作頻率可達(dá)100Hz。若將輸出電勢(shì)信號(hào)。

12、若將輸出電勢(shì)信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，則可方便的求解出轉(zhuǎn)速的大小。轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，則可方便的求解出轉(zhuǎn)速的大小。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用當(dāng)測量電路接入磁電傳感器電路時(shí)，當(dāng)測量電路接入磁電傳感器電路時(shí)，Rf為測量電路輸入電阻，為測量電路輸入電阻，R為線圈等效電阻，為線圈等效電阻，則磁電傳感器的輸出電流和電壓為則磁電傳感器的輸出電流和電壓為 三、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性三、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性ofooooffffB lNvRB lNvEIUI RRRRRRR；1 1、磁電傳感器的靈敏度、磁電傳感器的靈敏度傳感器的輸出電流和電壓靈敏度分別傳感器的輸出電流和電壓靈敏度分別靈敏度為靈敏度為 ofoo

13、oIUffB lN RIB lNUSSvRRvRR；靈敏度相對(duì)誤差為靈敏度相對(duì)誤差為 RdRldlBdBSdSII靈敏度誤差：靈敏度誤差：工作溫度變化、外界磁工作溫度變化、外界磁場干擾、機(jī)械振動(dòng)或沖擊，靈敏度會(huì)變化。場干擾、機(jī)械振動(dòng)或沖擊，靈敏度會(huì)變化。 6.1 磁電感應(yīng)式傳感器（電動(dòng)式） 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因：要原因：電流磁場效應(yīng)。電流磁場效應(yīng)。2 2、磁電傳感器的非線性誤差、磁電傳感器的非線性誤差傳感器線圈內(nèi)流過電流時(shí)，產(chǎn)生一傳感器線圈內(nèi)流過電流時(shí)，產(chǎn)生一定的交變磁通，疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的定的交變磁通，疊加在永

14、久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化。工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化。傳感器電流的磁場效應(yīng)傳感器電流的磁場效應(yīng) 6.1 磁電感應(yīng)式傳感器（電動(dòng)式） 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用這種影響分為兩種情況：1、當(dāng)傳感器線圈相對(duì)于永久磁鐵磁場的運(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)生的附加磁場方向與原工作磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用, 從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。傳感器電流的磁場效應(yīng)傳感器電流的磁場效應(yīng) 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 2、當(dāng)線圈的運(yùn)動(dòng)速度與圖示方向相反時(shí), 感生電勢(shì)E、 線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn)生的附加磁場方向與工作磁

15、場同向，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。傳感器本身靈敏度越高, 線圈中電流越大，這種非線性越嚴(yán)重。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 為補(bǔ)償上述附加磁場干擾, 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鞲衅髟砑皯?yīng)用傳感器原理及應(yīng)用3 3、磁電傳感器的溫度誤差、磁電傳感器的溫度誤差當(dāng)溫度變化每攝氏度時(shí)，對(duì)當(dāng)溫度變化每攝氏度時(shí)，對(duì)銅線變化量為銅線變化量為dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-

16、2，dB/B的變化量的變化量決定于永久磁鐵的磁性材料。決定于永久磁鐵的磁性材料。對(duì) 鋁 鎳 鈷 永 久 磁 合 金 ，對(duì) 鋁 鎳 鈷 永 久 磁 合 金 ，dB/B-0.0210-2，靈敏度隨溫度，靈敏度隨溫度變化誤差為變化誤差為這一數(shù)值是很可觀的，需要這一數(shù)值是很可觀的，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。進(jìn)行溫度補(bǔ)償。Ct10%5.4熱磁分流器補(bǔ)償：熱磁分流器補(bǔ)償：熱磁分流器由具有很大負(fù)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溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。在正常工作溫度下已將空在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分掉一小部分。當(dāng)溫氣隙磁通分掉一小部分。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱磁分流器的磁導(dǎo)度升高時(shí)，熱磁分流器的磁導(dǎo)

17、率顯著下降，經(jīng)分流掉的磁通率顯著下降，經(jīng)分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低，從而保持空氣度下顯著降低，從而保持空氣隙的工作磁通不隨溫度變化，隙的工作磁通不隨溫度變化，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。維持傳感器靈敏度為常數(shù)。 6.1 磁電感應(yīng)式傳感器（電動(dòng)式） 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用n 信號(hào)輸出經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換可獲得位移和加速度信號(hào)輸出經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換可獲得位移和加速度 直接輸出電動(dòng)勢(shì)，測量速度信號(hào)；直接輸出電動(dòng)勢(shì)，測量速度信號(hào)； 接入積分電路可測量位移信號(hào)；接入積分電路可測量位移信號(hào)； 接入微分電路可測量加速度信號(hào)。接入微分電路可測量加速度信號(hào)。四、磁電

18、感應(yīng)式傳感器測量電路四、磁電感應(yīng)式傳感器測量電路 磁電感應(yīng)式傳感器直接輸出電動(dòng)勢(shì)，且通常具有高的靈敏度，磁電感應(yīng)式傳感器直接輸出電動(dòng)勢(shì)，且通常具有高的靈敏度，一般不需要高增益放大器。一般不需要高增益放大器。 6.1 磁電感應(yīng)式傳感器（電動(dòng)式） 位移位移速度速度加速度加速度esvxvtdvadt傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用位移位移速度速度加速度加速度esvxvtdvadt傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用v 速度經(jīng)積分電路速度經(jīng)積分電路 可測量位移可測量位移01( )ciu tuudtRCI If f C CI Ii i R Ru ui iu u0 0- -+ +dxvdxvdtdt 0iut

19、u dtvtx/ifiIIu R理想運(yùn)放理想運(yùn)放根據(jù)根據(jù)001( )tfutI dtC 設(shè)電容上初始電壓為零，輸出電壓是輸入電壓對(duì)時(shí)間積分設(shè)電容上初始電壓為零，輸出電壓是輸入電壓對(duì)時(shí)間積分uitu0tiu e sv 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用v 速度經(jīng)微分電路速度經(jīng)微分電路 可測量加速度可測量加速度 0( )iffduu tI RRCdtI If f R Rf fI Ic c C Cu ui iu u0 0- -+ +cfII理想運(yùn)放理想運(yùn)放icduIcdt因?yàn)橐驗(yàn)閐vadt 0idudvu tadtdtu0tuitiuesv 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用五、磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用五

20、、磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用 6.1 磁電感應(yīng)式傳感器（電動(dòng)式） 1.振動(dòng)測量 磁鐵與線圈之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度接近振動(dòng)速度，磁路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) 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用輸出不從零開始，從 Va 開始:1.V Va 必需克服靜摩擦力,才能相對(duì)運(yùn)動(dòng)；2.V Vc 慣性太大超過范圍 振動(dòng)傳感器輸出特性振動(dòng)傳感器輸出特性傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 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)被測軸信號(hào)相同，相位差為零。當(dāng)被測軸感受扭矩時(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

21、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)。0z02.扭矩測量傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用1、磁電式傳感器測量電路中引入積分電路是為了測量（ ）。A位移 B速度C加速度 D光強(qiáng)2、當(dāng)傳感器線圈相對(duì)磁場運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的附加磁場與原工作磁場方向相反時(shí)，附加磁場將 工作磁場的作用，從而使傳感器的靈敏度隨檢測速度的增大而 。 A、減弱、增大 B、減弱、降低 C、減弱、不變 D、增強(qiáng)、增大傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用3、

22、磁電式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生 而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原理將被測量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。4、磁電式傳感器只用于測量 ，可以直接測量振動(dòng)物體的線速度或旋轉(zhuǎn)體的角速度，加入積分或者微分電路后，可以測量位移和加速度。 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器。 1879年美國物理學(xué)家霍爾（E.H.Hall）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)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, 開始用半導(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。 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小、重

23、量輕、壽命長、安裝方便、功耗小、頻率高（可達(dá)1MHz）、耐高溫、耐震動(dòng)、不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 已廣泛應(yīng)用于非電量測量、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)裝置和現(xiàn)代軍事技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域。6.2 霍爾式傳感器傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用IBKUHHHKHULbdBIHEIHUxyz半導(dǎo)體一、霍爾效應(yīng)一、霍爾效應(yīng)圖形符號(hào)圖形符號(hào)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用UHKH I B KH霍爾元件的靈敏度。 若保持I恒定，作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)UH也就越高。 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

24、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 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用2. 工作原理 霍爾效應(yīng)是物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)電荷受磁場中洛侖茲（Lorentz)力作用而產(chǎn)生的一種特性。 霍爾元件(設(shè)為N 型半導(dǎo)體)置于磁場B中，當(dāng)通以電流I 時(shí)，運(yùn)動(dòng)電荷（載流子電子）受磁場中洛侖茲力fL 的作用，向垂直于B 和電流I的方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即運(yùn)動(dòng)電荷（電子）有向某一端積聚的現(xiàn)象，使霍爾元件一端面產(chǎn)生負(fù)電荷積聚，另一端面則為正電荷積聚。由于電荷聚積，產(chǎn)生靜電場，該靜電場對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷（電子）的作用力fE 與洛侖茲力fL方向相反，阻止其偏轉(zhuǎn)，當(dāng)

25、二力相等時(shí)，電荷積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)的靜電場即為霍爾電場，在電荷積聚的兩面上產(chǎn)生的電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)霍爾電勢(shì)。 (a)磁場為磁場為0時(shí)電子的流動(dòng)時(shí)電子的流動(dòng) (b)電子在洛侖茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)電子在洛侖茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn) (c)電荷積累達(dá)到平衡時(shí)電荷積累達(dá)到平衡時(shí)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 洛侖茲力 fL = evB e 電子所帶電荷量 v 電子運(yùn)動(dòng)平均速度 B 磁感應(yīng)強(qiáng)度 霍爾電場作用力 fE = eEH = eUH /bEH 霍爾電場 UH 霍爾電勢(shì) b 霍爾片的寬度 動(dòng)態(tài)平衡時(shí) fL = fE 則 evB =eUH /b由于電流密度 J =nev，則電流強(qiáng)度為 I =nevbd N

26、型半導(dǎo)體： P型半導(dǎo)體：式中，d 霍爾片厚度 n 電子濃度 p 空穴濃度HIBUvbBned pedIBUH傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用3. 霍爾系數(shù)及靈敏度 （1）霍爾系數(shù)：N型半導(dǎo)體： neR1HP型半導(dǎo)體： peR1H RH 被定義為霍爾傳感器的霍爾系數(shù)，霍爾系數(shù)由材料性質(zhì)決定。它決定霍爾電勢(shì)的強(qiáng)弱。 dRKHH（2）靈敏度：傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用則 ，于是得到 RH。UHKH IB IBUKHH 霍爾元件的靈敏度就是指在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流作用時(shí)，所能輸出的霍爾電勢(shì)的大小。 由于材料電阻率與載流子濃度和其遷移率 有關(guān)，即 ne1或 pe1 霍爾電勢(shì)除了與材料的載流

27、子遷移率和電阻率有關(guān)，同時(shí)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（一般0.1mm）。 HR 要想霍爾電勢(shì)強(qiáng)，材料的電阻率必須要高，且遷移率也要大要想霍爾電勢(shì)強(qiáng)，材料的電阻率必須要高，且遷移率也要大。雖然金屬導(dǎo)體的載流子遷移率很大，但其電阻率低；絕緣體電阻率很高，但其載流子遷移率低。因此，只有半導(dǎo)體材料為最佳的霍爾傳感器材料只有半導(dǎo)體材料為最佳的霍爾傳感器材料。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用霍爾元件：霍爾元件：基于霍爾效應(yīng)工基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件。作的半導(dǎo)體器件?；魻栐牧希夯魻栐牧希憾?/p>

28、采用多采用N型型半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料?；魻栐M成：霍爾元件組成：霍爾片、四霍爾片、四根引線和殼體。根引線和殼體。二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性最常用的霍爾元件材料有：最常用的霍爾元件材料有：鍺鍺(Ge)、硅、硅(Si)、銻化銦、銻化銦(InSb)、砷、砷化銦化銦(InAs)等半導(dǎo)體材料等半導(dǎo)體材料?；魻栐臍んw霍爾元件的殼體：用非導(dǎo)磁：用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。1 1、霍爾元件的構(gòu)造、霍爾元件的構(gòu)造霍爾片是一塊半導(dǎo)體單晶薄片霍爾片是一塊半導(dǎo)體單晶薄片(420.1mm3)，長度方向兩端面，長度方向兩端面上焊有上焊有a、b兩根引線，通常用紅

29、色兩根引線，通常用紅色導(dǎo)線，稱為控制電極；在另兩側(cè)端導(dǎo)線，稱為控制電極；在另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)的形式對(duì)稱地焊有面的中間以點(diǎn)的形式對(duì)稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導(dǎo)線，稱為霍爾電極。導(dǎo)線，稱為霍爾電極。6.2 霍爾式傳感器傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性鍺（鍺（Ge）：）：靈敏度低、溫靈敏度低、溫度特性及線性度好。度特性及線性度好。銻化銦銻化銦（InSb）：）：靈敏度靈敏度最高、受溫度影響大。最高、受溫度影響大。1 1、霍爾元件的構(gòu)造、霍爾元件的構(gòu)造濺射工藝制作的銻化銦霍爾元件濺射工藝制作的銻化銦霍爾元件輸出

30、1輸出2輸入1輸入2磁性頂端引線襯底霍爾元件霍爾元件霍爾元件電路圖形符號(hào)：電路圖形符號(hào)： 11 激勵(lì)電極激勵(lì)電極22 霍爾電極霍爾電極6.2 霍爾式傳感器傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用1）. 輸入電阻Ri 和輸出電阻Ro Ri 是指控制電流電極之間的電阻值，Ro 指霍爾電壓電極間的電阻。Ri 和Ro 可以在無磁場時(shí)，用歐姆表等測量。 Ri Ro ，（1002000）。2). 額定控制電流Ic 使霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10溫升的控制電流。（幾mA 幾十mA）。3).不等位電勢(shì)U0 和不等位電阻R0 霍爾元件在額定控制電流作用下，不加外磁場時(shí)其霍爾電壓電極間的電勢(shì)為不等位電勢(shì)（也稱為非平衡電壓或殘

31、留電壓）。主要是由于兩電極不在同一等位面上以及材料電阻率不均勻等因素引起的。一般U0 10mV。不等位電勢(shì)和額定控制電流 Ic之比為不等位電阻 。 R0= U0 / Ic。 4).靈敏度KH 在單位磁感強(qiáng)度下，通以單位控制電流時(shí)所產(chǎn)生的開路霍爾電壓。3 3、霍爾元件的技術(shù)參數(shù)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用5).寄生直流電勢(shì)U0D 在不加外磁場時(shí)，交流控制電流通過霍爾元件而在霍爾電壓電極間產(chǎn)生的直流電勢(shì)。主要是由于電極與霍爾基片間的非完全歐姆接觸所產(chǎn)生的整流效應(yīng)造成的。6).霍爾電勢(shì)溫度系數(shù) 在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度每變化時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率（/ ）。7).電

32、阻溫度系數(shù) 為溫度每變化1時(shí)，霍爾元件電阻變化的百分（ / ）。8).靈敏度溫度系數(shù) 為溫度每變化1時(shí)，霍爾元件靈敏度的變化率。9).線性度 霍爾元件的線性度常用1kGs時(shí)相對(duì)于5kGs時(shí)霍爾電壓的最大差值的百分比表示。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 霍爾元件在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，存在多種因素影響其測量精度，造成測量誤差的主要因素有兩類：一類是半導(dǎo)體固有特性；一類為半導(dǎo)體制造工藝的缺陷。 其表現(xiàn)為零位誤差零位誤差(不等位電勢(shì)誤差不等位電勢(shì)誤差)和溫度誤差和溫度誤差。 三、霍爾元件測量誤差和補(bǔ)償傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 當(dāng)霍爾元件通以激勵(lì)電流當(dāng)霍爾元件通以激勵(lì)電流 I 時(shí)，若磁場時(shí)，若磁場 B

33、=0，理論，理論上霍爾電勢(shì)上霍爾電勢(shì) UH=0，但實(shí)際，但實(shí)際 UH0，這時(shí)測得的空載，這時(shí)測得的空載電勢(shì)稱不等位電勢(shì)電勢(shì)稱不等位電勢(shì) U0 。 產(chǎn)生的原因：產(chǎn)生的原因：霍爾引出電極安裝不對(duì)稱，霍爾引出電極安裝不對(duì)稱，不在同一等位面上，不在同一等位面上，或激勵(lì)電極接觸不良。或激勵(lì)電極接觸不良。半導(dǎo)體材料不均勻，幾何尺寸半導(dǎo)體材料不均勻，幾何尺寸不均勻，造成電阻率不均勻。不均勻，造成電阻率不均勻。(1) (1) 不等位電勢(shì)不等位電勢(shì)HHUK IB傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 不等位電勢(shì)的補(bǔ)償不等位電勢(shì)的補(bǔ)償 分析不等位電勢(shì)時(shí)可把霍爾元件等效為一個(gè)電橋分析不等位電勢(shì)時(shí)可把霍爾元件等效為一個(gè)電橋

34、不等位電壓相當(dāng)于橋不等位電壓相當(dāng)于橋路初始有不平衡輸出，路初始有不平衡輸出，U00，可在電阻大的，可在電阻大的橋臂上并聯(lián)電阻。橋臂上并聯(lián)電阻。不等位電勢(shì)可表示為不等位電勢(shì)可表示為 U0 = r0 IH, r0為不等位為不等位電阻電阻傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 霍爾元件是半導(dǎo)體元件，它的許多參數(shù)與溫度有關(guān)?；魻栐前雽?dǎo)體元件，它的許多參數(shù)與溫度有關(guān)。當(dāng)溫度變化時(shí)，載流子濃度當(dāng)溫度變化時(shí)，載流子濃度n、遷移率、遷移率、電阻率、電阻率，霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)RH都會(huì)變化。都會(huì)變化。(2) (2) 溫度誤差及補(bǔ)償溫度誤差及補(bǔ)償 靈敏度與溫度系數(shù)關(guān)系靈敏度與溫度系數(shù)關(guān)系 恒流源補(bǔ)償：恒流源補(bǔ)償： 由由

35、 UH = KH I B 可見，恒流源可見，恒流源 I 供電可使供電可使UH穩(wěn)定，穩(wěn)定， 但靈敏度系數(shù)但靈敏度系數(shù) KH = RH /d = /d 也是溫度的函數(shù)，也是溫度的函數(shù)， 溫度溫度T變化時(shí)，靈敏度變化時(shí)，靈敏度KH也變化。也變化。0001()1HtHHKKttKT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 恒流源補(bǔ)償方法恒流源補(bǔ)償方法: :在霍爾元件上并聯(lián)一分流電阻在霍爾元件上并聯(lián)一分流電阻RpI IH H R RININ當(dāng)當(dāng)T TI IP PU UH H 由于恒流源電流由于恒流源電流 I 不變，不變，R p自動(dòng)增加自動(dòng)增加分流，使分流，使 I p 增大，增大， IH 下降，下降，UH下降；

36、下降； 補(bǔ)償電阻補(bǔ)償電阻 Rp 可選擇負(fù)溫度系數(shù)可選擇負(fù)溫度系數(shù).I IH HR RP PT TI IP PU UH HKH = RH /d =/d 多數(shù)霍爾器件是正溫度系數(shù)，多數(shù)霍爾器件是正溫度系數(shù)，T KH ，可通過減小，可通過減小 I 保持保持 KHI 不變，抵消溫度造成不變，抵消溫度造成 KH 增加的影響。增加的影響。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用四、霍爾元件的應(yīng)用電路 1. 基本測量電路 控制電流 I 由電源 E 供給，電位器 W 調(diào)節(jié)控制電流 I 的大小?；魻栐敵鼋迂?fù)載電阻 RL ，RL 可以是放大器的輸入電阻或測量儀表的內(nèi)阻。由于霍爾元件必須在磁場與控制電流作用下，才會(huì)產(chǎn)生

37、霍爾電勢(shì) UH ，所以在測量中，可以把 I 和 B 的乘積，或者 I ，或者 B 作為輸入信號(hào)，則霍爾元件的輸出電勢(shì)分別正比于 I B 或 I 或 B 。 基本電路基本電路UHKH IB 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用2. 霍爾元件的驅(qū)動(dòng)方式 霍爾元件的控制電流可以采用恒流驅(qū)動(dòng)或恒壓驅(qū)動(dòng)。（a）恒流驅(qū)動(dòng)）恒流驅(qū)動(dòng) （b）恒壓驅(qū)動(dòng)）恒壓驅(qū)動(dòng)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 圖（a）為直流供電情況。控制電流端并聯(lián)，由W1、W2調(diào)節(jié)兩個(gè)元件的輸出霍爾電勢(shì)，A、B為輸出端，則它的輸出電勢(shì)為單片的兩倍。 圖（b）為交流供電情況?？刂齐娏鞫舜?lián)，各元件輸出端接輸出變壓器 B 的初級(jí)繞組，變壓器的次級(jí)便有

38、霍爾電勢(shì)信號(hào)疊加值輸出。（a）（b）3. 霍爾元件的連接方式 除了霍爾元件基本電路形式之外，如果為了獲得較大的霍爾輸出電勢(shì)，可以采用幾片疊加的連接方式。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用4. 霍爾電勢(shì)的輸出電路 霍爾元件是一種四端器件四端器件，本身不帶放大器?；魻栯妱?shì)一般在毫伏量級(jí)，在實(shí)際使用時(shí)必須加差分放大器?；魻栐篌w分為線性測量和開關(guān)狀態(tài)兩種使用方式，因此，輸出電路有兩種結(jié)構(gòu)。 （a）線性應(yīng)用）線性應(yīng)用 （b）開關(guān)應(yīng)用）開關(guān)應(yīng)用 當(dāng)霍爾元件作線性測量時(shí)，最好選用靈敏度低一點(diǎn)、不等位電勢(shì)小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。 當(dāng)霍爾元件作開關(guān)使用時(shí)，要選擇靈敏度高的霍爾器件。 傳感器原理及應(yīng)用

39、傳感器原理及應(yīng)用集成霍爾傳感器：集成霍爾傳感器：利用硅集成利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的霍爾傳感器，取消了傳感器在一起的霍爾傳感器，取消了傳感器和測量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了和測量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、材料、元件、電路三位一體元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器由于減少了焊集成霍爾傳感器由于減少了焊點(diǎn)，顯著地提高了可靠性，還具有點(diǎn)，顯著地提高了可靠性，還具有體體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用，應(yīng)用越來越廣泛。越來越廣泛。五、集成霍爾傳感器五、集成霍爾傳感器 1 1、開關(guān)型集成霍爾傳感器開關(guān)型集成霍爾傳感器霍爾開關(guān)

40、電路霍爾開關(guān)電路開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個(gè)高爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號(hào)。電平或低電平的數(shù)字信號(hào)。 霍爾開關(guān)電路又稱霍爾霍爾開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸片、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級(jí)五部分組成。發(fā)器和輸出級(jí)五部分組成。6.2 霍爾式傳感器傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用6.2 霍爾式傳感器2 2、線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器：線性集成霍爾傳感器：霍爾元件與放大線路集成在霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。輸出電壓與一起的

41、傳感器。輸出電壓與外加磁場成線性比例關(guān)系。外加磁場成線性比例關(guān)系。 一般由霍爾元件、差分一般由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成。四部分組成。線性霍爾集成傳感器廣線性霍爾集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的度、速度、磁場、電流等的測量或控制。測量或控制。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用六、霍爾傳感器的應(yīng)用 利用霍爾傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性可以十分方便地測量磁場強(qiáng)度、電流等有關(guān)的物理量。 按被檢測的對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對(duì)象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對(duì)象上人

42、為設(shè)置的磁場，用這個(gè)磁場來作被檢測的信息的載體，通過它將許多非電、非磁的物理量，例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測和控制。 1.位移測量 2.力（壓力）測量 3.角度測量 4.霍爾加速度傳感器 5.霍爾電流傳感器 6.霍爾功率傳感器 7.霍爾計(jì)數(shù)裝置（接近開關(guān)）8.霍爾轉(zhuǎn)速傳感器 9.液位控制傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用對(duì)上式積分 UH = K x 霍爾電勢(shì)與位移量成線性關(guān)系，其輸出電勢(shì)的極性反映了位移方向。磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線性度越好。當(dāng) x0 時(shí)，則元件置于磁場中心位

43、置，UH0。這種位移傳感器一般可測量12 mm的微小位移，其特點(diǎn)是慣性小，響應(yīng)速度快，無觸點(diǎn)測量。利用這一原理可以測量與之有關(guān)的非電量，如力、壓力、加速度、液位和壓差等。 1位移測量 在梯度磁場中放置一個(gè)霍爾元件。當(dāng)控制電流 I 恒定不變時(shí)，霍爾電勢(shì)UH 與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比；若磁場在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度 dB / dx 為一常數(shù)，則當(dāng)霍爾元件沿 x 方向移動(dòng)時(shí)，霍爾電勢(shì)變化為 KxBdIRxUddddHH（位移傳感器的輸出靈敏度）傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用霍爾元件置于磁場中，左半部磁霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半部磁場方向向下。場方向向上，右半部磁場方向向下。從從a

44、端通人電流端通人電流I，左和右半部產(chǎn)，左和右半部產(chǎn)生霍爾電勢(shì)生霍爾電勢(shì)UH1和和UH2，方向相反。因，方向相反。因此，此，c、d兩端電勢(shì)為兩端電勢(shì)為UH1-UH2。若 霍 爾 元 件 在 初 始 位 置 時(shí)若 霍 爾 元 件 在 初 始 位 置 時(shí)UH1=UH2，則輸出為零。，則輸出為零。改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對(duì)改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對(duì)位置時(shí)，可得輸出電壓，大小正比于位置時(shí)，可得輸出電壓，大小正比于位移量。位移量。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 當(dāng)力F作用在懸臂梁上時(shí)，梁將發(fā)生變形，霍爾器件將有與力成正比的電壓輸出，通過測試電壓即可測出力的大小。力與電壓輸出有一些非線性時(shí)，可采用電路

45、或單片機(jī)軟件來補(bǔ)償。2. 力(壓力)測量傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用3. 角度測量sinHHIBKU 將霍爾器件置于永久磁鐵的磁場中，其輸出霍爾電勢(shì)UH為傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用4. 霍爾加速度傳感器霍爾式加速度傳感器霍爾式加速度傳感器上下方向的加速度上下方向的加速度 成比例的慣性力成比例的慣性力 梁發(fā)生彎梁發(fā)生彎曲變形曲變形 自由端產(chǎn)生與加速度成比例的位移自由端產(chǎn)生與加速度成比例的位移 霍爾霍爾元件輸出與加速度成比例的霍爾電勢(shì)元件輸出與加速度成比例的霍爾電勢(shì)U UH H。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用5. 霍爾電流

46、傳感器（霍爾傳感器測電流） 霍爾傳感器廣泛用于測量電流，從而可以制成電流過載檢測器或過載保護(hù)裝置；在電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)中，作為電流反饋元件，構(gòu)成電流反饋回路。 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用鐵心鐵心 將被測電流的導(dǎo)線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。線性霍線性霍爾爾IC傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 下面以UGN3501M霍爾傳感器為例，闡明其測量電流的原理。 標(biāo)準(zhǔn)軟磁材料圓環(huán)中心直徑為40mm，截面積為44mm2（方形），圓環(huán)上有一缺口，放入霍爾傳感器，圓環(huán)上繞有11匝線，并通

47、過檢測電流。根據(jù)磁路理論，可以算出電流為50A時(shí)，可產(chǎn)生0.3T磁場強(qiáng)度。由于UGN3501M的靈敏度為14mVmT，則在050A電流范圍內(nèi)，其輸出電壓變化為04.2V。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用壓舌壓舌豁口豁口霍爾鉗形電流表（交直流兩用）霍爾式電流諧波分析儀傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 6. 霍爾功率傳感器 利用 UH =KHIB 關(guān)系，如果 I 和 B 是兩個(gè)獨(dú)立變量，霍爾器件就是一個(gè)簡單實(shí)用的模擬乘法器；如果 I 和 B 分別與某一負(fù)載兩端的電壓和通過的電流有關(guān)，則霍爾器件便可用于負(fù)載功率測量?；魻柶骷y電功率霍爾器件測電功率BiKucHH 負(fù)載

48、ZL所取電流 i 流過鐵芯線圈以產(chǎn)生交變磁感強(qiáng)度B，電源電壓U經(jīng)過降壓電阻R得到的交流電流ic流過霍爾器件，則霍爾器件輸出電壓uH便與電功率P成正比，即iuP傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用還可以完成乘方、開方、到數(shù)、除法、開立方等功能?；魻栐椒狡骰魻栐椒狡?霍爾元件開方器霍爾元件開方器 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用7. 霍爾計(jì)數(shù)裝置（接近開關(guān)） UGN3501T具有較高的靈敏度，能感受到很小的磁場變化，因而可以檢測鐵磁物質(zhì)的有無，利用這一特性可以制成計(jì)數(shù)裝置。 從圖中還可以看出，霍爾元件也是一種接近開關(guān)。 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用霍爾式接近開關(guān) 當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)

49、到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開關(guān)動(dòng)作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵（永磁）。 用開關(guān)型霍爾IC也能完成接近開關(guān)的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個(gè)較強(qiáng)的閉合磁場。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時(shí)，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑?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。 min)/(460rfn 開關(guān)型霍爾開關(guān)型霍爾ICIC軟鐵分流翼片軟鐵分流翼片霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量霍爾式接近開關(guān)用于限位作用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用8. 霍

50、爾轉(zhuǎn)速傳感器11轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 22轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤 33磁鐵磁鐵 44霍爾元件霍爾元件幾種霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)幾種霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu) 在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用轉(zhuǎn)角HV02轉(zhuǎn)角HV0NS霍爾元件永磁體被測軸永磁體安裝在軸端NS被測軸霍爾元件永磁體永磁體安裝在軸側(cè)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用S SN N線性霍爾線性霍爾磁鐵磁鐵 將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(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物的轉(zhuǎn)速。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 圖（a），當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾

51、元件時(shí)，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平； 圖（b），當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。（a）（b）傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用帶有微型帶有微型磁鐵的霍磁鐵的霍爾傳感器爾傳感器鋼質(zhì)齒圈鋼質(zhì)齒圈霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用 若汽車在剎車時(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型帶有微型磁鐵的霍磁鐵的霍爾傳感器爾傳感器傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用9. 液位控制 在浮子上裝一塊小磁鋼，在兩液位極限位置上裝上霍爾開關(guān)集成電路。當(dāng)液面升、降到極限位

52、置時(shí)，霍爾開關(guān)集成電路便輸出信號(hào)用以控制電機(jī)的開、關(guān)，從而達(dá)到控制液位的目的。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用練 習(xí) 題1.霍爾效應(yīng)是導(dǎo)體中的載流子在磁場中受 作用產(chǎn)生 的結(jié)果。2.半導(dǎo)體材料中的 比金屬的小得多，因而霍爾常數(shù)大，加上半導(dǎo)體中電子的 比空穴大，故霍爾元件多采用 材料制成。3. 減少霍爾元件溫度誤差的電路措施有：(1)采用 提 供 控 制 電 流 ； ( 2 ) 合 理 選 擇 。 (3) 。4. 霍爾元件使用時(shí) 電極和 電極不能接反，霍爾電勢(shì)UH= 。5. 可以減小霍爾元件的輸出不等位電勢(shì)的辦法是工藝上保證電極對(duì)稱，實(shí)現(xiàn)歐姆接觸； 。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用6. 霍爾式

53、傳感器基本包括兩部分：一部分是彈性元件，將感受的非電量轉(zhuǎn)換成 ，另一部分是霍爾元件和 。7. 制造霍爾元件的半導(dǎo)體材料中，目前用的較多的是鍺、銻化銦、砷化銦，其原因是（ ）A. 半導(dǎo)體中電子遷移率比空穴高B. 半導(dǎo)體材料的電子遷移率比較大 C. 半導(dǎo)體較適宜制造靈敏度較高的霍爾元件D. 半導(dǎo)體載流子濃度比金屬的大 8. 霍爾效應(yīng)中，霍爾電動(dòng)勢(shì)與（ ）A. 靈敏度成反比 B. 靈敏度成正比C. 霍爾元件的厚度成反比 D. 霍爾元件的厚度成正比傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用9. 霍爾效應(yīng)中，霍爾電動(dòng)勢(shì)與（ ）A. 激磁電流成正比 B. 激磁電流成反比C. 磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比 D.磁感應(yīng)強(qiáng)度成反比1

54、0. 下列不屬于霍爾元件基本特性參數(shù)的是（ ）。A. 不等位電勢(shì) B. 不等位電阻C. 寄生直流電動(dòng)勢(shì) D. 零點(diǎn)殘余電壓11.霍爾元件不等位電勢(shì)產(chǎn)生的主要原因不包括（ ） A霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位上B半導(dǎo)體材料不均勻造成電阻率不均勻或幾何尺寸不均勻C周圍環(huán)境溫度變化D激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分配 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用n 磁敏元件也是基于磁電轉(zhuǎn)換原理,60年代西門子公司研制了第一個(gè)磁敏元件,1968年索尼公司研制成磁敏二極管,目前磁敏元件應(yīng)用廣泛。磁敏傳感器主要有：磁敏傳感器主要有：磁敏電阻；磁敏電阻；6.3 磁敏元件磁敏元件磁敏晶體管磁敏晶體管。磁敏二極

55、管磁敏三極管傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用磁阻效應(yīng)：磁阻效應(yīng)：當(dāng)載流體置于磁場中，其電阻會(huì)隨磁場而變化當(dāng)載流體置于磁場中，其電阻會(huì)隨磁場而變化的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。當(dāng)溫度恒定時(shí)，在磁場中磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度當(dāng)溫度恒定時(shí)，在磁場中磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比。的平方成正比。若器件只有在電子參與導(dǎo)電的情況下，理論推導(dǎo)出來的磁若器件只有在電子參與導(dǎo)電的情況下，理論推導(dǎo)出來的磁阻效應(yīng)方程為阻效應(yīng)方程為一、磁敏電阻元件一、磁敏電阻元件6.3 磁敏元件1 1、磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng))273. 01220BB （22220273. 0BKB 遷 移 率 越 高 的 材 料 （ 如遷 移 率 越 高 的 材 料 （ 如I

56、nSb、InAs、NiSb等半導(dǎo)體材等半導(dǎo)體材料）磁阻效應(yīng)越明顯。料）磁阻效應(yīng)越明顯。從微觀上講，材料的電阻從微觀上講，材料的電阻率增加是因?yàn)殡娏鞯牧鲃?dòng)路徑因率增加是因?yàn)殡娏鞯牧鲃?dòng)路徑因磁場的作用而加長所致。磁場的作用而加長所致。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用長方形樣品長方形樣品 扁條狀長形扁條狀長形 圓盤樣品圓盤樣品磁阻效應(yīng)除與材料有關(guān)外，還與磁敏電阻的形狀有關(guān)。磁阻效應(yīng)除與材料有關(guān)外，還與磁敏電阻的形狀有關(guān)。（幾何磁阻效應(yīng)）（幾何磁阻效應(yīng)）在恒定磁感應(yīng)強(qiáng)度下，磁敏電阻的長度與寬度的比越小，在恒定磁感應(yīng)強(qiáng)度下，磁敏電阻的長度與寬度的比越小，電阻率的相對(duì)變化越大。電阻率的相對(duì)變化越大。2 2

57、、磁敏電阻結(jié)構(gòu)、磁敏電阻結(jié)構(gòu)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用長方形樣品：霍爾電場作用FH小,電阻變化很小。扁條狀長形：霍爾電勢(shì)EH很小,電流磁場作用偏轉(zhuǎn) 厲害，效應(yīng)明顯。圓盤樣品：外加磁場時(shí)，電流以螺旋形路徑指向外電 極，路徑增大電阻增加。在圓盤中任何地 方都不會(huì)積累電荷也不會(huì)產(chǎn)生霍爾電場。u 為了消除霍爾電場影響獲得大的磁阻效應(yīng), 一般將磁敏電阻制成圓形或扁條長方形。 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用磁敏電阻的結(jié)構(gòu)磁敏電阻的結(jié)構(gòu)等效電路等效電路傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用磁敏電阻與霍爾元件屬同一類磁敏電阻與霍爾元件屬同一類, ,都是磁電轉(zhuǎn)換元件都是磁電轉(zhuǎn)換元件, ,二者本質(zhì)不同是磁敏電阻

58、沒有判斷極性的能力二者本質(zhì)不同是磁敏電阻沒有判斷極性的能力, ,只只有與輔助材料有與輔助材料( (磁鐵磁鐵) )并用才具有識(shí)別磁極的能力并用才具有識(shí)別磁極的能力. .（3 3）磁敏電阻的輸出特性）磁敏電阻的輸出特性RM磁敏電阻電路符號(hào)磁敏電阻電路符號(hào)RM傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用無偏置磁場時(shí)只能檢測磁場不能無偏置磁場時(shí)只能檢測磁場不能判別磁性。輸出弱磁場時(shí)磁阻與判別磁性。輸出弱磁場時(shí)磁阻與磁場關(guān)系為：磁場關(guān)系為： R =R0（1+MB2） R0 為零磁場內(nèi)阻；為零磁場內(nèi)阻； M 為零磁場系數(shù)；為零磁場系數(shù)；外加偏置磁場時(shí)磁阻具有極性，外加偏置磁場時(shí)磁阻具有極性，相當(dāng)于在檢測磁場外加了偏置

59、磁相當(dāng)于在檢測磁場外加了偏置磁場，工作點(diǎn)移到線性區(qū)，磁極性場，工作點(diǎn)移到線性區(qū)，磁極性也作為電阻值變化表現(xiàn)出來，這也作為電阻值變化表現(xiàn)出來，這時(shí)電阻值的變化為：時(shí)電阻值的變化為： R = RB（1+MB） RB 為加偏置磁場電阻為加偏置磁場電阻傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用這種傳感器主要用于識(shí)別磁性墨水的圖形和文字，這種傳感器主要用于識(shí)別磁性墨水的圖形和文字，在自動(dòng)測量技術(shù)中檢測微小磁信號(hào)，如錄音機(jī)、在自動(dòng)測量技術(shù)中檢測微小磁信號(hào)，如錄音機(jī)、錄像機(jī)的磁帶、磁盤；防偽紙幣、票據(jù)、信用錄像機(jī)的磁帶、磁盤；防偽紙幣、票據(jù)、信用（磁）卡上用的磁性油墨等。（磁）卡上用的磁性油墨等。可測磁性齒輪，磁性墨

60、水，磁性條形碼，磁帶，可測磁性齒輪，磁性墨水，磁性條形碼，磁帶，識(shí)別有機(jī)磁性（自動(dòng)售貨機(jī)）。識(shí)別有機(jī)磁性（自動(dòng)售貨機(jī)）。(4) (4) 磁敏電阻的應(yīng)用磁敏電阻的應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用銻化銦(InSb)磁阻傳感器在磁性油墨鑒偽點(diǎn)鈔機(jī)中的應(yīng)用 利用銻化銦（InSb）磁阻傳感器進(jìn)行弱磁信號(hào)的檢測，已取得了成功，例如在磁性油墨鑒偽點(diǎn)鈔機(jī)中的應(yīng)用。在該元件的磁敏表面上垂直施加磁通量時(shí)，則可使其電阻發(fā)生變化。將兩只磁敏電阻RM1、RM2 串聯(lián)，施加一定的 UE 和特定磁場B；當(dāng)外磁場接近兩個(gè)磁阻元件之一時(shí)，在該元件上產(chǎn)生磁通增量，使輸出電壓發(fā)生變化。MRS型系列磁型系列磁敏電阻傳感器敏電阻傳