第6章磁電式傳感器(簡化)解讀課件

1、傳感器原理及應(yīng)用Principle and Application of Sensors第6章 磁電式傳感器 Magneto electric sensors傳感器原理及應(yīng)用Principle and Applicat6.1 磁電感應(yīng)式傳感器 磁電感應(yīng)式傳感器又稱電動勢式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測量(如振動、位移、轉(zhuǎn)速等)轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。它是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動勢的。它是一種機-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101000Hz)，所以得到普遍應(yīng)用。 磁電感應(yīng)式傳感器是以電磁感應(yīng)原理

2、為基礎(chǔ)的。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，N匝線圈在磁場中運動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E(V)的大小取決于穿過線圈的磁通 的變化率，即6.1 磁電感應(yīng)式傳感器 磁電感應(yīng)式傳感器又稱電動勢式傳磁通量的變化可以通過很多辦法來實現(xiàn)，如磁鐵與線圈之間作相對運動；磁路中磁阻的變化；恒定磁場中線圈面積的變化等，一般可將磁電感應(yīng)式傳感器分為恒磁通式和變磁通式兩類。6.1.1 恒磁通式磁電感應(yīng)傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理恒磁通式磁電感應(yīng)傳感器結(jié)構(gòu)中，工作氣隙中的磁通恒定，感應(yīng)電動勢是由于永久磁鐵與線圈之間有相對運動線圈切割磁力線而產(chǎn)生。這類結(jié)構(gòu)有動圈式和動鐵式兩種，如圖所示。磁通量的變

3、化可以通過很多辦法來實現(xiàn)，如磁鐵與線圈之間作相對運磁鐵與線圈相對運動使線圈切割磁力線，產(chǎn)生與運動速度dx/dt成正比的感應(yīng)電動勢E，其大小為式中：N為線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù)；B為工作氣隙磁感應(yīng)強度；l為每匝線圈平均長度。當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，N、B和l均為恒定值，E與dx/dt成正比，根據(jù)感應(yīng)電動勢E的大小就可以知道被測速度的大小。由理論推導(dǎo)可得，當(dāng)振動頻率低于傳感器的固有頻率時，這種傳感器的靈敏度(E/v)是隨振動頻率而變化的；當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)大于固有頻率時，傳感器的靈敏度基本上不隨振動頻率而變化，而近似為常數(shù)；當(dāng)振動頻率更高時，線圈阻抗增大，傳感器靈敏度隨振動頻率增加而下降。不同結(jié)構(gòu)的恒

4、磁通磁電感應(yīng)式傳感器的頻率響應(yīng)特性是有差異的，但一般頻響范圍為幾十赫至幾百赫。低的可到10Hz左右，高的可達(dá)2kHz左右。磁鐵與線圈相對運動使線圈切割磁力線，產(chǎn)生與運動速度dx/dt6.1.2 變磁通式磁電感應(yīng)傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理變磁通式磁電感應(yīng)傳感器一般做成轉(zhuǎn)速傳感器，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的頻率作為輸出，而電動勢的頻率取決于磁通變化的頻率。變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)有開磁路和閉磁路兩種。如圖所示開磁路變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器。測量齒輪4安裝在被測轉(zhuǎn)軸上與其一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時，齒的凹凸引起磁阻的變化，從而使磁通發(fā)生變化，因而在線圈3中感應(yīng)出交變的電勢，其頻率等于齒輪的齒數(shù)Z和轉(zhuǎn)速n的乘積，即式中：Z為齒

5、輪齒數(shù)；n為被測軸轉(zhuǎn)速(v/min)；f為感應(yīng)電動勢頻率(Hz)。這樣當(dāng)已知Z，測得f就知道n了。6.1.2 變磁通式磁電感應(yīng)傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理變磁通式磁開磁路式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)比較簡單，但輸出信號小，另外當(dāng)被測軸振動比較大時，傳感器輸出波形失真較大。在振動強的場合往往采用閉磁路式轉(zhuǎn)速傳感器。開磁路式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)比較簡單，但輸出信號小，另外當(dāng)被測軸振被測轉(zhuǎn)軸帶動橢圓形測量輪5在磁場氣隙中等速轉(zhuǎn)動，使氣隙平均長度周期性地變化，因而磁路磁阻和磁通也同樣周期性地變化，則在線圈3中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其頻率f與測量輪5的轉(zhuǎn)速n(r/min)成正比，即f = n/30。在這種結(jié)構(gòu)中，也可以用齒輪代替橢圓形

6、測量輪5，軟鐵(極掌)制成內(nèi)齒輪形式，這時輸出信號頻率f 同前式。 變磁通式傳感器對環(huán)境條件要求不高，能在-150+90的溫度下工作，不影響測量精度，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為50Hz，上限可達(dá)100kHz。被測轉(zhuǎn)軸帶動橢圓形測量輪5在磁場氣隙中等速轉(zhuǎn)動，使氣隙平均長 2振動測量工作頻率10500Hz最大可測加速度5g精度10固有頻率12Hz可測振幅范圍0.11000 外形尺寸45mm160mm靈敏度604mVscm-1工作線圈內(nèi)阻1.9質(zhì)量0.7kg1、8圓形彈簧片；2圓環(huán)形阻尼器；3永久磁鐵；4鋁架；5心軸；6工作線圈；7殼體；9引線6.1.3 磁電感應(yīng)

7、式傳感器的應(yīng)用1轉(zhuǎn)速測量 2振動測量工作頻率10500Hz最大可測加速度5g精3扭矩測量 當(dāng)轉(zhuǎn)軸不受扭矩時，兩線圈輸出信號相同，相位差為零。當(dāng)被測軸感受扭矩時，軸的兩端產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，因此兩個傳感器輸出的兩個感應(yīng)電動勢將因扭矩而有附加相位差 。扭轉(zhuǎn)角 與感應(yīng)電動勢相位差的關(guān)系為式中：z為傳感器定子、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。 當(dāng)轉(zhuǎn)軸不受扭矩時，兩線圈輸出信號相同，相位差為零。當(dāng)被測6.2 霍爾式傳感器 霍爾式傳感器是基于霍爾效應(yīng)而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器?；魻柶骷且环N磁傳感器，用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。 霍爾器件具有許多優(yōu)點，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長

8、，安裝方便，功耗小，頻率高(可達(dá)1MHz)，耐振動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 按照霍爾器件的功能可將它們分為：霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件，前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。 霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高(可達(dá) 級)。采用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)-55+150。 6.2 霍爾式傳感器 霍爾式傳感器是基于霍爾效應(yīng)而將被測6.2.1 霍爾傳感器的工作原理1霍爾效應(yīng) 半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B 的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I 流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電

9、動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 磁感應(yīng)強度B為零時的情況ABCD6.2.1 霍爾傳感器的工作原理1霍爾效應(yīng) 半導(dǎo)當(dāng)有圖示方向磁場B作用時 作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軪H可用下式表示： EH=KH IB當(dāng)有圖示方向磁場B作用時 作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強度霍爾效應(yīng)演示 當(dāng)磁場垂直于薄片時，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A、B方向的端面之間建立起霍爾電勢。ABCD霍爾效應(yīng)演示 當(dāng)磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用可以推出，霍爾電動勢UH的大小為： 式中：kH為靈敏度系數(shù)，kH= RH/d，表示在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流時的霍爾電動勢

10、的大小,與材料的物理特性（霍爾系數(shù)）和幾何尺寸d有關(guān)； 霍爾系數(shù)RH1/(nq)，由材料物理性質(zhì)所決定，q為電子電荷量 ；n為材料中的電子濃度。 為磁場和薄片法線夾角。 結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。 金屬材料中的自由電子濃度n很高，因此RH很小，不宜作霍爾元件?；魻栐嘤幂d流子遷移率大的N型半導(dǎo)體材料制作。另外，霍爾元件越薄(d越小)，kH就越大，所以通?；魻栐驾^薄。薄膜霍爾元件的厚度只有1 左右?？梢酝瞥?，霍爾電動勢UH的大小為： 式中：kH為靈敏度系數(shù)，2霍爾元

11、件霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片(一般為4mm2mm0.1mm)，經(jīng)研磨拋光，然后用蒸發(fā)合金法或其他方法制作歐姆接觸電極，最后焊上引線并封裝。而薄膜霍爾元件則是在一片極薄的基片上用蒸發(fā)或外延的方法做成霍爾片，然后再制作歐姆接觸電極，焊上引線最后封裝。一般控制端引線采用紅色引線，而霍爾輸出端引線則采用綠色引線?；魻栐臍んw用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。 (a) 霍爾元件外形 (b)電路符號 (c) 基本應(yīng)用電路2霍爾元件霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片(一般為4mm3霍爾元件的主要特性及材料 1) 霍爾元件的主要特性參數(shù)(1) 靈敏度kH：表示元件在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流下所得到的開路

12、霍爾電動勢，單位為V/(AT)。(2) 霍爾輸入電阻Rin：霍爾控制電極間的電阻值。(3) 霍爾輸出電阻Rout：霍爾輸出電極間的電阻值。(4) 霍爾元件的電阻溫度系數(shù)：表示在不施加磁場的條件下，環(huán)境溫度每變化1時電阻的相對變化率，單位為%/。(5) 霍爾寄生直流電勢U0：在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極輸出除了交流不等位電動勢外，還有一直流電勢，稱為寄生直流電勢。(6) 霍爾最大允許激勵電流Imax：以霍爾元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵電流稱為最大允許激勵電流。3霍爾元件的主要特性及材料 1) 霍爾元件的主要特性 2) 霍爾元件的材料鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb

13、)、砷化銦(InAs)和砷化鎵(GaAs)是常見的制作霍爾元件的幾種半導(dǎo)體材料。表6-2所列為制作霍爾元件的幾種半導(dǎo)體材料主要參數(shù)。電阻率電子遷移率 材料(單晶)禁帶寬度Eg/(eV) /(cm)/(cm/Vs)霍爾系數(shù)RH/(cmC-1)N型鍺(Ge)0.661.0350042504000N型硅(Si)1.1071.5150022501840銻化銦(InSb)0.170.005600003504200砷化銦(InAs)0.360.0035250001001530磷砷銦(InAsP)0.630.08105008503000砷化鎵(GaAs)1.470.2850017003800哪種材料制作的霍

14、爾元件靈敏度高？ 2) 霍爾元件的材料電阻率電子遷移率 材料(單晶)禁帶寬不等位電動勢產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不可能保證將兩個霍爾電極對稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩電極點不能完全位于同一等位面上。 6.2.2 霍爾元件的誤差及補償 1霍爾元件的零位誤差與補償霍爾元件的零位誤差是指在無外加磁場或無控制電流的情況下，霍爾元件產(chǎn)生輸出電壓并由此而產(chǎn)生的誤差。它主要表現(xiàn)為以下幾種具體形式。 1) 不等位電動勢不等位電動勢是零位誤差中最主要的一種，它是當(dāng)霍爾元件在額定控制電流(元件在空氣中溫升10所對應(yīng)的電流)作用下，不加外磁場時，霍爾輸出端之間的空載電動勢。 不等位電動勢產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不可能

15、保證將兩個霍爾電極此外,霍爾片電阻率不均勻，或片厚薄不均勻，或控制電流極接觸不良都將使等位面歪斜，如圖所示，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動勢。 2) 寄生直流電勢在無磁場的情況下，元件通入交流電流，輸出端除交流不等位電壓以外的直流分量稱為寄生直流電勢。產(chǎn)生寄生直流電勢的原因有兩個方面：(1)由于控制電極焊接處接觸不良而造成一種整流效應(yīng)，使控制電流因正、反向電流大小不等而具有一定的直流分量。(2)輸出電極焊點熱容量不相等產(chǎn)生溫差電動勢。對于鍺霍爾元件，當(dāng)交流控制電流為20mA時，輸出電極的寄生直流電壓小于100 。此外,霍爾片電阻率不均勻，或片厚薄不均勻，或控制電流極接觸不 3)

16、 感應(yīng)零電動勢感應(yīng)零電動勢是在未通電流的情況下，由于脈動或交變磁場的作用，在輸出端產(chǎn)生的電動勢。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動勢的大小與霍爾元件輸出電極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比，如圖所示。 4) 自激場零電動勢霍爾元件控制電流產(chǎn)生自激場，如圖所示。由于元件的左右兩半場相等，故產(chǎn)生的電動勢方向相反而抵消。實際應(yīng)用時由于控制電流引線也產(chǎn)生磁場，使元件左右兩半場強不等，因而有霍爾電動勢輸出，這一輸出電動勢即是自激場零電動勢。 3) 感應(yīng)零電動勢 4) 自激場零電動勢在上述的4種零位誤差中，寄生直流電動勢、感應(yīng)零電動勢以及自激場零電動勢，是由于制作工藝上的原因而造成的誤差，可以通過工藝水平的提高加以解決。

17、而不等位電動勢所造成的零位誤差，則必須通過補償電路給予克服。在理想情況下R1=R2=R3=R4，即可取得零位電動勢為零(或零位電阻為零)，從而消除不等位電動勢。實際上，若存在零位電動勢，則說明此4個電阻不完全相等，即電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)可調(diào)電阻RP或在兩個臂上同時并聯(lián)電阻RP和R。 霍爾元件結(jié)構(gòu)及等效電路如圖在上述的4種零位誤差中，寄生直流電動勢、感應(yīng)零電動勢以及自激霍爾元件零位誤差補償電路 2霍爾元件的溫度誤差及補償與一般半導(dǎo)體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的性能參數(shù)如輸入、輸出、電阻、霍爾常數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電動勢變

18、化，產(chǎn)生溫度誤差。霍爾元件零位誤差補償電路 2霍爾元件的溫度誤差及補償將溫度每變化1時，霍爾元件輸入電阻或輸出電阻的相對變化率Ri/Ro稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)，用 表示。 將溫度每變化1時，霍爾電壓的相對變化率UHt/UH0稱為霍爾電壓溫度系數(shù)，用 表示。 哪種材料制作的霍爾元件溫度誤差??？將溫度每變化1時，霍爾元件輸入電阻或輸出電阻的相對變化率R幾種溫度誤差的補償方法1) 采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻 補償基本電路及等效電路如圖霍爾電壓隨溫度變化的關(guān)系式為： 對上式求溫度的導(dǎo)數(shù)得，要使溫度變化時霍爾電壓不變，必須使外接電阻： 幾種溫度誤差的補償方法補償基本電路及等效電路如圖霍爾電壓隨溫 2) 合理

19、選擇負(fù)載電阻RL的阻值霍爾元件的輸出電阻Ro和霍爾電動勢UH都是溫度的函數(shù)(設(shè)為正溫度系數(shù))，當(dāng)霍爾元件接有負(fù)載RL時，在RL上的電壓為：為了負(fù)載上的電壓不隨溫度變化，應(yīng)使dUL/d(t-t0)=0，即式中：Ro0為溫度t0時的霍爾元件輸出電阻?？刹捎么?、并連電阻的方法使上式成立來補償溫度誤差，但霍爾元件的靈敏度將會降低。 2) 合理選擇負(fù)載電阻RL的阻值為了負(fù)載上的電壓不隨溫 3) 采用溫度補償元件(如熱敏電阻、電阻絲)這是一種常用的溫度誤差補償方法。由于熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，電阻絲具有正溫度系數(shù)，可采用輸入回路串接熱敏電阻，輸入回路并接電阻絲，或輸出端串接熱敏電阻對具有負(fù)溫度系數(shù)的銻化銦

20、材料霍爾元件進(jìn)行溫度補償?？刹捎幂斎攵瞬⒔訜崦綦娮璺绞綄敵鼍哂姓郎囟认禂?shù)的霍爾元件進(jìn)行溫度補償。一般來說，溫度補償電路、霍爾元件和放大電路應(yīng)集成在一起制成集成霍爾傳感器。6.2.3 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾元件具有結(jié)構(gòu)牢固、工藝成熟、體積小、壽命長、線性度好、頻率高、耐振動、不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕的優(yōu)點，目前，霍爾傳感器是全球使用量排名第三的傳感器產(chǎn)品，它被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、汽車業(yè)、計算機、手機以及新興消費電子領(lǐng)域中。 3) 采用溫度補償元件(如熱敏電阻、電阻絲)6.2. 1霍爾元件基本電路連接方法 霍爾元件有無鐵心型、鐵心型、測試用探針霍爾集成電路等幾種類型，有3腳、4腳、5腳

21、元件等幾種結(jié)構(gòu)形式,如圖是35腳(端子)的霍爾元件的基本電路連接方法。 。(a) 3腳元件 (b) 4腳元件 (c) 5腳元件 1霍爾元件基本電路連接方法(a) 3腳元件 兩種霍爾元件定電壓驅(qū)動電路 兩種霍爾元件定電流驅(qū)動電路兩種霍爾元件定電壓驅(qū)動電路 兩種霍爾元件定電流驅(qū)動電路 2霍爾集成電路在一個晶片中形成有霍爾元件及放大并控制其輸出電壓的電路，而具有磁場-電氣變換機能的固態(tài)組件稱為霍爾集成電路?；魻柤呻娐返臉?gòu)造如圖。 依輸出信號的性質(zhì)不同，霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)性型兩類。線性型霍爾集成電路可以獲得與磁場強度成正比的輸出電壓。磁場靈敏度雖然可利用電路的放大加以調(diào)節(jié)。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。 2霍爾集成電路霍爾集成電路的構(gòu)造如圖。 依輸出信號的 開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。當(dāng)外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等