檢測與傳感技術(shù)：第05章 磁電式傳感器

1、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)生與磁通變化速率成正比的感應(yīng)電動勢。 現(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，從而使磁場強度轉(zhuǎn)換為電信號。 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 霍爾傳感器5.2 磁柵傳感器簡介5.3 磁電感應(yīng)式傳感器第五章 磁電式傳感器5-1 霍爾傳感器 霍爾傳感器是利用霍爾元件基于霍

2、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側(cè)面將產(chǎn)生電動勢。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)的電動勢稱為霍爾電勢。第五章 磁電式傳感器bdVHIlBvFF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(yīng)強度和單位控制電流時的霍爾電勢大小。 當(dāng)磁場感應(yīng)強度B和霍爾片平面法線成角度時, 霍爾電勢為： 第五章 磁電式傳感器

3、設(shè)為N型半導(dǎo)體， 載流子為電子。 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(yīng)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 磁電式傳感器二、霍爾片主要技術(shù)指標(biāo) 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

4、室溫（205）的環(huán)境溫度中測取。 指霍爾電極間的電阻值，規(guī)定在（205）條件下測取。 3、輸出電阻 RS第五章 磁電式傳感器4、不等位電勢V0及零位電阻r0 當(dāng)控制磁感應(yīng)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 產(chǎn)生不等位電勢的原因主要是： 霍爾電極安裝位置不正確（不對稱或不在同一等電位面上）； 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； 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 磁電式傳感器三、霍爾片的電路 1、不等位電勢的補償 由于不等位電

5、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R1R2R3R4，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 磁電式傳感器第五章 磁電式傳感器2、溫度補償 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

6、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 誤差： 選用溫度系數(shù)較小的材料（如砷化銦）； 采用適當(dāng)?shù)难a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，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RP。 第五章 磁電式傳感器 t時刻的輸入電阻：設(shè)定霍爾傳感器在 時刻的靈敏度與輸入電阻分別為 ,

7、靈敏度與輸入電阻的溫度系數(shù)分別為t時刻的霍爾傳感器靈敏度：由圖可知：t0和t時刻流過霍爾傳感器的電流：由霍爾電動勢的計算公式：可知，為了使霍爾電動勢不隨溫度變化而變化，有：所以：化簡上式，得：霍爾元件的這3個參數(shù)值均可在產(chǎn)品說明書中查到。（2）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，可在輸入回路串入適當(dāng)電阻來補償溫度誤差。 第五章 磁電式傳感器四、霍爾開關(guān)集成傳感器 霍爾開關(guān)集成傳感器是利用霍爾效應(yīng)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(guān)的物理量，并以開關(guān)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

8、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 磁電式傳感器穩(wěn)壓整形VCC輸出地123霍爾元件放大 當(dāng)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(dāng)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(dǎo)體管導(dǎo)通“開狀態(tài)”；當(dāng)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(guān)閉”閾值，施密特整形電路再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，使半導(dǎo)體管截止，這種狀態(tài)為“關(guān)狀態(tài)”。一次磁場強度的變化，就使傳感器完成了一次開關(guān)動作。

9、 工作原理：霍爾開關(guān)傳感器的用途： 霍爾開關(guān)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(shè)備的限位開關(guān)、按鈕開關(guān)、電流的檢測與控制、位置及角度的檢測，等等。 第五章 磁電式傳感器幾種接口電路形式第五章 磁電式傳感器幾種不同尺寸外形的霍爾開關(guān)第五章 磁電式傳感器五、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(guān)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 霍爾線性集成傳感器一般由霍爾元件和放大器組成，當(dāng)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，

10、經(jīng)放大器放大后輸出。 霍爾線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 磁電式傳感器六、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輸入量的 乘積，因此可以方便而準(zhǔn)確地實現(xiàn)乘法運算， 可構(gòu)成各種非線性運算部件。 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、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1、轉(zhuǎn)速測量 NS霍爾元件（轉(zhuǎn)角）VH02NS霍爾元件（轉(zhuǎn)角）VH0永磁體裝在軸端的轉(zhuǎn)速測量方法永磁

11、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。霍爾式轉(zhuǎn)速計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(dāng)被測物體

12、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 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，將信號加一級放大，便可得到足夠大的信號幅度。5VIC1IC25VUOUT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

13、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(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?；魻栃?yīng)大電流計結(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)，便于遠距離測量，測量時不需要斷開回路。 （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

14、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，導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，使導(dǎo)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(dǎo)體中的電流越大，氣隙處的磁感應(yīng)強度就越大，霍爾元器件輸出的霍爾電壓VH就越大。可以通過霍爾電壓檢測到導(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

15、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)強度。若測量范圍是020A時，則導(dǎo)線繞制9匝便可產(chǎn)生約0. 1 T的磁感應(yīng)強度，SL3501M會有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，可用于機械加工車間，工廠，及各種耗電量較大的任何場合。4、霍爾

16、元件在磁性材料研究上的應(yīng)用被測磁性物質(zhì)交流信號源霍爾元件示波器電流表磁化繞組 在磁性材料特性研究中，往往需要復(fù)雜的過程才能得到B-H曲線或磁場分布圖。因為霍爾電壓同鐵芯磁化繞組的電流的關(guān)系VH=f (IM）同樣反映了磁感應(yīng)強度B與磁場強度H之間的關(guān)系B=f (H)，所以可以直接用示波器來觀察這個關(guān)系。第五章 磁電式傳感器5、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

17、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Z2mm時，VH與Z有良好的線性關(guān)系，且分辨力可達1m，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6、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)的彈性元件為膜盒，(b)為彈簧片，(c)為波紋管。磁系統(tǒng)最好用在能構(gòu)成均勻梯度磁場的復(fù)合系統(tǒng)，如圖中的(a)、(b)，也可采用單一磁體，如(c)。加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對位移，改變作用到霍爾元件上的磁場，從而改變它的輸出電壓VH。由

18、事先校準(zhǔn)的pf(VH)曲線即可得到被測壓力p的值。 霍爾壓力傳感器的構(gòu)成原理 檢測齒輪的速度、齒形、齒數(shù) 7、齒輪檢測39汽車防抱死（ABS）系統(tǒng)霍爾傳感器8、ABS 利用霍爾元件測地磁場，用于尋北、空間姿態(tài)等。9、霍爾電子羅盤第五章 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尺、磁頭和信號處理電路組成。5-2 磁柵傳感器簡介磁柵的外形及結(jié)構(gòu)磁尺靜態(tài)磁頭去信號處理電路固定孔第五章 磁電式傳感器磁頭與磁尺相對運動時的輸出波形演示第五章

19、 磁電式傳感器鑒相型磁柵數(shù)顯表的原理框圖 磁尺與磁頭接觸，使用壽命不如光柵，數(shù)年后易退磁。設(shè)置兩個磁頭的意義何在？第五章 磁電式傳感器磁柵測量系統(tǒng)壓板磁頭磁尺第五章 磁電式傳感器磁柵在磨床測長系統(tǒng)中的應(yīng)用磁尺磁頭安裝在何處？第五章 磁電式傳感器5-3 磁電感應(yīng)式傳感器 磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、速度等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器，也稱為電磁感應(yīng)傳感器。 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)N匝線圈在恒定磁場內(nèi)運動時，設(shè)穿過線圈的磁通為 ，則線圈內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 可見，線圈中感應(yīng)電動勢的大小，跟線圈的匝數(shù)和穿過線圈的磁通變化率有關(guān)。一般情況下，匝數(shù)是確定的；而磁通變化率 與磁場強度

20、、磁路磁阻 、線圈的運動速度 有關(guān)，故只要改變其中一個參數(shù)，都會改變線圈中的感應(yīng)電動勢。 根據(jù)這個原理可分為：恒定磁通式和變磁通式兩大類。前者又可分為：動圈式和動鐵式兩種結(jié)構(gòu) 5.3.1 動圈式磁電傳感器 動圈式磁電傳感器又可分為線速度型與角速度型。下圖表示線速度型傳感器工作原理。 在永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁場內(nèi)，放置一個可動線圈，當(dāng)線圈沿磁場方向做直線運動時，線圈相對于磁場的的運動速度為v，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢：式中： 磁場的磁感應(yīng)強度； 單匝線圈的有效長度； 線圈工作匝數(shù)； 線圈相對于磁場方向的運動速度。 式（52）表明，當(dāng) 、 和 恒定不變時，便可以根據(jù)感應(yīng)電動勢 的大小計算出被測線速度 的大小。 下圖表示出了角速度型傳