第六章磁電式傳感器

1第六章磁電式傳感器1.概述2.磁電感應(yīng)式傳感器3.霍爾式傳感器4.霍爾式傳感器的應(yīng)用5.磁敏傳感器2磁電式轉(zhuǎn)速傳感器

磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，通過磁電作用將被測量（如振動、轉(zhuǎn)速、扭矩）轉(zhuǎn)換成電信號。磁電式傳感器包括磁電感應(yīng)式傳感器和霍爾傳感器。磁電式振動速度傳感器磁電式位移傳感器1.概述32.磁電感應(yīng)式傳感器

磁電感應(yīng)式傳感器簡稱感應(yīng)式傳感器，是利用通過回路面積的磁通量發(fā)生變化，從而回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢而工作的，屬于機(jī)-電能量變換型傳感器。優(yōu)點(diǎn): 1.不需要供電電源，電路簡單，

2.性能穩(wěn)定，輸出阻抗小

3.具有一定的工作帶寬（10～1000Hz）缺點(diǎn)：尺寸、質(zhì)量較大4一、磁電式傳感器的工作原理二、磁電式傳感器的類型三、磁電式傳感器的應(yīng)用2.磁電感應(yīng)式傳感器磁電式位移傳感器5一些知識補(bǔ)充：1.磁通：給定面積內(nèi)的總磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B均勻分布于磁體表面A時(shí)，磁通Φ的一般算式為Φ=B×A。磁通的SI單位是麥克斯韋。2.磁化強(qiáng)度：指材料內(nèi)部單位體積的磁矩矢量和，用M表示，單位是安/米（A/m）。3.磁場強(qiáng)度：指空間某處磁場的大小，用H表示，它的單位是安/米（A/m）。4.磁感應(yīng)強(qiáng)度：又稱為磁通密度，即單位面積內(nèi)的磁通量。單位是特斯拉（T）。B=μ0(H+M)，其中H和M分別是磁化強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度，而μ0是真空導(dǎo)磁率。5.磁路：磁通流經(jīng)的回路稱為磁路。6.氣隙：磁回路中磁導(dǎo)率為1的間隙部分，一般為空氣間隙，但是也可為其它介質(zhì)。2.磁電感應(yīng)式傳感器6

一、磁電式傳感器的工作原理法拉第電磁感應(yīng)定律：磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。電路中感應(yīng)電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通變化率成正比。感應(yīng)電動勢大?。?/p>

2.磁電感應(yīng)式傳感器7

N為比例系數(shù)，E為感應(yīng)電勢，φ為磁通。當(dāng)E的單位為伏特（V），φ的單位為韋伯（Wb），t的單位為秒（s）時(shí)，N＝1，這時(shí)感應(yīng)電勢為：

2.磁電感應(yīng)式傳感器8如果線圈是N匝，磁場強(qiáng)度是B，每匝線圈的平均長度L，線圈相對磁場運(yùn)動的速度為:υ=dx/dt，則整個線圈中所產(chǎn)生的電動勢為：2.磁電感應(yīng)式傳感器9感應(yīng)電動勢的種類：動生電動勢和感生電動勢。（1）動生電動勢是因?yàn)閷?dǎo)體自身在磁場中做切割磁感線運(yùn)動而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，其方向用右手定則判斷。（2）感生電動勢是因?yàn)榇┻^閉合線圈的磁場強(qiáng)度發(fā)生變化產(chǎn)生渦旋電場導(dǎo)致電流定向運(yùn)動。2.磁電感應(yīng)式傳感器10

二、磁電式傳感器的類型根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，電路中感應(yīng)電動勢的大小:其影響因素主要是磁通量Ф的變化，變化方式：

1.恒定磁通：磁鐵與線圈之間做相對運(yùn)動；

2.變磁通：磁路中磁阻的變化；2.磁電感應(yīng)式傳感器11

（一）恒定磁通式如圖，恒定磁通磁電感應(yīng)式傳感器由永久磁鐵（磁鋼）4、線圈3、金屬骨架1和殼體5等組成。磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙是固定不變的，因而氣隙中的磁通也是恒定不變的。它們的運(yùn)動部件可以是線圈也可以是磁鐵，因此又分為動圈式和動鐵式兩種結(jié)構(gòu)類型。2.磁電感應(yīng)式傳感器12演示：2.磁電感應(yīng)式傳感器13

磁鐵4與線圈3相對運(yùn)動使線圈3切割磁力線，產(chǎn)生與運(yùn)動線速度v或角速度ω成正比的感應(yīng)電動勢e為:

式中：B——工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；

N——線圈處于工作氣隙磁場中的匝數(shù)，稱為工作匝數(shù)；

l——每匝線圈的平均長度；

S——每匝線圈的平均截面積。2.磁電感應(yīng)式傳感器14

由上式可知，在傳感器中當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、l、N、S均為定值，感應(yīng)電動勢e與線圈相對磁場的運(yùn)動速度(v或ω)成正比，所以這類傳感器的基本形式是速度傳感器，能直接測量線速度或角速度。如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動態(tài)測量。2.磁電感應(yīng)式傳感器15（二）變磁通式變磁通式傳感器又稱為變磁阻磁電感應(yīng)式傳感器或變氣隙磁電感應(yīng)式傳感器，常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。它們的結(jié)構(gòu)原理如圖。2.磁電感應(yīng)式傳感器16

圖5-2（a）為開磁路變磁通式，線圈3和磁鐵5靜止不動，測量齒輪2（導(dǎo)磁材料制成）安裝在被測旋轉(zhuǎn)體1上，隨之一起轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過一個齒，它與軟鐵4之間構(gòu)成的磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈3中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的變化頻率等于測量齒輪2上齒輪齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。2.磁電感應(yīng)式傳感器17

感應(yīng)電動勢的變化頻率：

f=nz/60

其中：n—每分鐘齒輪的轉(zhuǎn)速（r/min）

z—齒輪的齒數(shù)2.磁電感應(yīng)式傳感器

這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但需在被測對象上加裝齒輪，使用不方便，且因高速軸上加裝齒輪會帶來不平衡而不宜測高轉(zhuǎn)速。18

圖5-2（b）為閉磁路變磁通式結(jié)構(gòu)示意圖，被測旋轉(zhuǎn)體1帶動橢圓形測量輪2在磁場氣隙中等速轉(zhuǎn)動，使氣隙平均長度周期性地變化，因而磁路阻也周期性地變化，磁通同樣周期性地變化，則在線圈3中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其頻率f與測量輪2的轉(zhuǎn)速n（r·min-1）成正比，即f=n/30。2.磁電感應(yīng)式傳感器19

在這種結(jié)構(gòu)中，也可以用齒輪代替橢圓形測量輪2，軟鐵（極掌）4制成內(nèi)齒輪形式，這時(shí)輸出信號頻率為f=nz/60，其中z為測量齒輪的齒數(shù)。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。2.磁電感應(yīng)式傳感器20

由上述工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動態(tài)測量，可直接測量振動物體的速度或旋轉(zhuǎn)體的角速度。如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測量位移或加速度。2.磁電感應(yīng)式傳感器21

三、磁電式傳感器的應(yīng)用（一）磁電感應(yīng)式振動速度傳感器以CD-1型為例，它是一種絕對振動傳感器，主要技術(shù)規(guī)格為：工作頻率10~500Hz；靈敏度600mV·s/cm；最大可測速度5g；可測振幅范圍0.1~100μm；精度≤10%；外形尺寸φ45mm×160mm；質(zhì)量0.7kg。

2.磁電感應(yīng)式傳感器22

它屬于動圈式恒定磁通型。其結(jié)構(gòu)原理圖如下所示，永久磁鐵3通過鋁架4和圓筒形導(dǎo)磁材料制成的殼體7固定在一起，形成磁路系統(tǒng)。工作線圈和圓環(huán)阻尼器用同心軸5連在一起組成質(zhì)量塊，用圓形彈簧片1和8支承在殼體上。2.磁電感應(yīng)式傳感器23

使用時(shí)，將傳感器固定在被測振動體上隨被測體振動，線圈在磁路系統(tǒng)的環(huán)形氣隙中相對磁鐵運(yùn)動，以振動體的振動速度切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。同時(shí)良導(dǎo)體阻尼器也在磁路系統(tǒng)氣隙中運(yùn)動，感應(yīng)產(chǎn)生渦流，形成系統(tǒng)的阻尼力，起衰減固有振動和擴(kuò)展頻率響應(yīng)范圍的作用。2.磁電感應(yīng)式傳感器24

該傳感器測量的是振動速度參數(shù)，若在測量電路中接入積分電路，則輸出電勢與位移成正比；若在測量電路中接入微分電路，則其輸出與加速度成正比。2.磁電感應(yīng)式傳感器25

如CS-CD-1型磁電式速度傳感器是專門用于安裝在蘇-27、蘇-30飛機(jī)上的發(fā)動機(jī)進(jìn)行振動測量或?qū)︼w行中的發(fā)動機(jī)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測的一種速度傳感器。傳感器固定在航空發(fā)動機(jī)的機(jī)匣上，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，磁電式速度傳感器中的永久磁鋼與線圈產(chǎn)生相對運(yùn)動，線圈輸出與相對運(yùn)動速度成正比的電信號。參數(shù)：

測量速度范圍：1～12cm/s；工作溫度：-20℃～200℃2.磁電感應(yīng)式傳感器26（二）磁電式扭矩傳感器下圖是磁電式扭矩傳感器的工作原理圖。在驅(qū)動源和負(fù)載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤，旁邊裝有兩個磁電傳感器。傳感器的檢測元件由永久磁鐵、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交鏈。當(dāng)齒形圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓盤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，其頻率在數(shù)值上等于圓盤上齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)的乘積。2.磁電感應(yīng)式傳感器27圖磁電式扭矩傳感器工作原理圖2.磁電感應(yīng)式傳感器28圖磁電式傳感器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時(shí)，兩個磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2存在相位差。這個相位差與扭轉(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。2.磁電感應(yīng)式傳感器29休息一下大學(xué)生競選村官，村主任就讓他整個既能普及英語又能宣傳治安政策的節(jié)目。為了在金融危機(jī)下能有份工作，大學(xué)生絞盡腦汁，冥思苦想了一個晚上。第二天一大早，就聽村頭炮竹聲聲，鑼鼓喧天，村主任跑來一看，就瞧見大學(xué)生邊敲鼓邊領(lǐng)村民RAP道：Don’tdon’tdon’tdon’t搶don’tdon’tdon’tdon’t搶don’t搶don’t搶don’tdon’t搶！~303.霍爾式傳感器（一）霍爾傳感器工作原理（二）霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路（三）霍爾元件的主要特性參數(shù)（四）溫度誤差及其補(bǔ)償31

霍爾傳感器是利用半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)進(jìn)行測量的一種傳感器。1879年美國物理學(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，由于霍爾效應(yīng)的顯著特性使霍爾傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。它可以直接測量磁場及微位移量，也可以間接測量液位、壓力等工業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)。目前霍爾傳感器已從分立元件發(fā)展到了集成電路的階段，正越來越受到人們的重視，應(yīng)用日益廣泛。

霍爾元件是一種四端元件3.霍爾式傳感器32

（一）霍爾傳感器工作原理在置于磁場中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。3.霍爾式傳感器33

作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軺H可用下式表示：其中，RH為霍爾系數(shù)，KH為靈敏度系數(shù)，n為半導(dǎo)體中單位體積的電子數(shù)，e為電子電量，d為半導(dǎo)體厚度。3.霍爾式傳感器34霍爾效應(yīng)演示

當(dāng)磁場垂直于薄片時(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（用左手判斷，電子是載流子）。cdab3.霍爾式傳感器35

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)的霍爾電勢為

EH=KHIBcos

結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流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。3.霍爾式傳感器36霍爾電勢:=霍爾常數(shù):其中：n為半導(dǎo)體中單位體積電子數(shù)，e為電子電量①霍爾常數(shù)大小取決于導(dǎo)體的載流子密度金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢也小，所以金屬材料不宜制作霍爾元件。②霍爾電勢與導(dǎo)體厚度d成反比為了提高霍爾電勢值，霍爾元件制成薄片形狀。③霍爾元件靈敏度（靈敏系數(shù)）半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運(yùn)動平均速度）比空穴遷移率高，因此N型半導(dǎo)體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件。3.霍爾式傳感器37

（二）霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路圖（a）中，從矩形薄片半導(dǎo)體基片上的兩個相互垂直方向側(cè)面上，引出一對電極，其中1-1電極用于加控制電流，稱控制電極。另一對2-2電極用于引出霍爾電勢，稱霍爾電勢輸出極。在基片外面用金屬或陶瓷、環(huán)氧樹脂等封裝作為外殼。圖（b）是霍爾元件通用的圖形符號。3.霍爾式傳感器38圖（c）所示，霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對霍爾電勢數(shù)值影響很大。通?；魻栯姌O位于基片長度的中間，其寬度遠(yuǎn)小于基片的長度。圖（d）是基本測量電路。3.霍爾式傳感器39（三）霍爾元件的主要特性參數(shù)(1)輸入電阻和輸出電阻

輸入電阻：控制電極間的電阻

輸出電阻：霍爾電極之間的電阻(2)額定控制電流和最大允許控制電流

額定控制電流：當(dāng)霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產(chǎn)生10℃溫升時(shí)，對應(yīng)的控制電流值。

最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對應(yīng)的控制電流值。3.霍爾式傳感器40

(3)不等位電勢Uo和不等位電阻ro

不等位電勢：當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時(shí)，若元件所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，測得的空載霍爾電勢。不等位電勢是由霍爾電極2和2’之間的電阻決定的，r0稱不等位電阻。3.霍爾式傳感器41U0產(chǎn)生的原因是由于①制造工藝不可能保證將兩個霍爾學(xué)電極對稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩極點(diǎn)不能完全位于同一等位面上；②霍爾片電阻率不均勻；③霍爾片厚薄不均勻；④控制電流極接觸不良，都將使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動勢。一般要求U0<1mV。除了工藝上采取措施降低U0外，還需采用補(bǔ)償電路加以補(bǔ)償。3.霍爾式傳感器42霍爾元件的主要特性參數(shù)(4)霍爾電勢溫度系數(shù)在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度每變化1度時(shí)，霍爾電勢變化的百分率。3.霍爾式傳感器43（四）溫度誤差及其補(bǔ)償

1.溫度誤差產(chǎn)生原因： 霍爾元件的基片是半導(dǎo)體材料，因而對溫度的變化很敏感。其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數(shù)都是溫度的函數(shù)。 當(dāng)溫度變化時(shí)，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電勢、輸入電阻和輸出電阻等都要發(fā)生變化，從而使霍爾式傳感器產(chǎn)生溫度誤差。2.減小霍爾元件的溫度誤差

①選用溫度系數(shù)小的元件②采用恒溫措施③采用恒流源供電3.霍爾式傳感器444.霍爾式傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢是關(guān)于I、B、

三個變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。451.霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）霍爾元件4.霍爾式傳感器的應(yīng)用磁鐵462.直接使用霍爾傳感器的電路測量磁場強(qiáng)度

霍爾元件測量鐵心氣隙的B值4.霍爾式傳感器的應(yīng)用47

3.霍爾轉(zhuǎn)速表在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動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經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵4.霍爾式傳感器的應(yīng)用48

霍爾轉(zhuǎn)速表原理當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。4.霍爾式傳感器的應(yīng)用49霍爾轉(zhuǎn)速表的一些安裝方法

只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強(qiáng)度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號。

霍爾元件磁鐵4.霍爾式傳感器的應(yīng)用504.霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾

緊急制動通常會造成輪胎抱死，這時(shí)，滾動摩擦變成滑動摩擦，制動力大大下降。如果前輪抱死，車輛就失去了轉(zhuǎn)向能力；如果后輪先抱死，車輛容易產(chǎn)生側(cè)滑，使車行方向變得無法控制。ABS防抱制動系統(tǒng)由汽車微電腦控制，當(dāng)車輛制動時(shí)，它能使車輪保持轉(zhuǎn)動，從而幫助駕駛員控制車輛達(dá)到安全的停車。系統(tǒng)使用速度傳感器檢測車輪速度，然后把車輪速度信號傳送到微電腦里，微電腦根據(jù)輸入車輪速度，通過重復(fù)地減少或增加在輪子上的制動壓力來控制車輪的打滑率，保持車輪轉(zhuǎn)動，確保輪胎的最大制動力以及制動過程中的轉(zhuǎn)向能力，使車輛在緊急制動時(shí)也具有躲避障礙的能力。4.霍爾式傳感器的應(yīng)用一位白人到黑人區(qū)發(fā)表競選演說，為了贏得黑人選民的支持，演說中他竟脫口而出：“雖然我的皮膚是白的，但心卻和你們一樣黑?！?/p>

51休息一下525.霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置

采用霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置能較好地克服汽車合金觸點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)間不準(zhǔn)確、觸點(diǎn)易燒壞、高速時(shí)動力不足等缺點(diǎn)。

汽車點(diǎn)火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭4.霍爾式傳感器的應(yīng)用53汽車電子點(diǎn)火裝置使用的----點(diǎn)火控制器、霍爾傳感器及點(diǎn)火總成磁鐵點(diǎn)火模塊4.霍爾式傳感器的應(yīng)用546.霍爾式無刷電動機(jī)

霍爾式無刷電動機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無刷電動機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。普通直流電動機(jī)使用的電刷和換向器4.霍爾式傳感器的應(yīng)用554.霍爾式傳感器的應(yīng)用56無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用電動自行車可充電電池組無刷電動機(jī)4.霍爾式傳感器的應(yīng)用57

無刷直流電動機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個狀態(tài)編碼信號，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無火花、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。4.霍爾式傳感器的應(yīng)用58光驅(qū)用的無刷電動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.霍爾式傳感器的應(yīng)用597.霍爾式接近開關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動作距離時(shí)，霍爾式接近開關(guān)動作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。4.霍爾式傳感器的應(yīng)用60

用霍爾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較強(qiáng)的閉合磁場。

在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時(shí)，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動電路使繼電器吸合或釋放，控制運(yùn)動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。

4.霍爾式傳感器的應(yīng)用61霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICTn=60f4(r/min)4.霍爾式傳感器的應(yīng)用628.霍爾電流傳感器

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。4.霍爾式傳感器的應(yīng)用63霍爾鉗形電流表

（交直流兩用）壓舌豁口4.霍爾式傳感器的應(yīng)用64霍爾鉗形電流表的使用被測電流的導(dǎo)線從此處穿入鉗形表的環(huán)形鐵心手指按下此處，將鉗形表的鐵心張開將被測電流導(dǎo)線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中

將空調(diào)電源的“三芯護(hù)套線”夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中，鉗形表的示值為多少？為什么？4.霍爾式傳感器的應(yīng)用65霍爾鉗形電流表的使用（續(xù)）

叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便

用鉗形表測量電動機(jī)的相電流4.霍爾式傳感器的應(yīng)用9.霍爾計(jì)數(shù)裝置當(dāng)鋼球滾過霍爾傳感器位置時(shí)，傳感器輸出一個峰值為20mV的脈沖，此脈沖信號經(jīng)μA741運(yùn)放放大后驅(qū)動2N5812三極管，使之完成導(dǎo)通、截止過程。把計(jì)數(shù)器接于三極管2N5812輸出端即可構(gòu)成計(jì)數(shù)器。664.霍爾式傳感器的應(yīng)用67休息一下有兩條蛇遇到了一起。

其中有一條蛇問:“大哥，我們有毒嗎?"

另一條蛇問:"你說這干啥."

那條蛇說:"我咬到了自己的舌頭"一、磁敏電阻二、磁敏二極管三、磁敏傳感器的應(yīng)用685.磁敏傳感器磁敏測速傳感器磁敏角度傳感器69第3章半導(dǎo)體傳感器

早在1856年和1879年，人們就發(fā)現(xiàn)了磁阻效應(yīng)和霍爾效應(yīng)，但作為實(shí)用的磁敏傳感器則產(chǎn)生于半導(dǎo)體材料發(fā)現(xiàn)之后。20世紀(jì)60年代初，西門子公司研制出了第一個實(shí)用的磁敏元件；1968年索尼公司研制出性能優(yōu)良、靈敏度高的磁敏二極管；1974年美國韋岡德發(fā)明了雙穩(wěn)態(tài)磁性元件。

3.1磁敏式傳感器5.磁敏傳感器

磁敏傳感器是基于磁電轉(zhuǎn)換原理的傳感器，按其結(jié)構(gòu)可分為體型和結(jié)型兩大類，體型磁敏傳感器包括霍爾傳感器（材料主要有InSb，InAs，GaAs等）和磁敏電阻(材料主要有InSb，InAs)；結(jié)型磁敏傳感器有磁敏二極管(Ge,Si)、磁敏晶體管(Si)。本節(jié)主要介紹磁敏電阻和磁敏二極管。705.磁敏傳感器71一、磁敏電阻（一）磁阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料的電阻率隨磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)而變大，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，利用磁阻效應(yīng)制成的元件稱為磁敏電阻。

5.磁敏傳感器

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。如果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：電阻率的相對變化：為電子遷移率，指載流子(電子和空穴)在單位電場作用下的平均漂移速度725.磁敏傳感器73

可以看出，在磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ一定時(shí)，遷移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半導(dǎo)體材料）磁阻效應(yīng)越明顯。從微觀上講，材料的電阻率增加是因?yàn)殡娏鞯牧鲃勇窂揭虼艌龅淖饔枚娱L所致。5.磁敏傳感器74（二）磁敏電阻的結(jié)構(gòu)磁阻效應(yīng)除了與材料有關(guān)外，還與磁敏電阻的形狀有關(guān)。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，電阻率的相對變化越大。5.磁敏傳感器75

長方形磁阻器件只有在l<b的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。在實(shí)際制作磁阻器件時(shí)，需在l>b的長方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬條（短路柵格），以短路霍爾電勢。圖14長方形磁阻器件5.磁敏傳感器76圖15圓盤形磁阻器件圓盤形的磁阻最大，常見的磁敏電阻是圓盤形的，中心和邊緣處為兩電極。這種圓盤形磁阻器叫科爾比諾圓盤。其磁阻效應(yīng)叫科爾比諾效應(yīng)。5.磁敏傳感器77（三）磁阻元件的主要特性1.靈敏度特性磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度的影響較大。磁阻元件的靈敏度特性用在一定磁場強(qiáng)度下的電阻變化率來表示，即磁場—電阻變化率特性曲線的斜率。在運(yùn)算時(shí)常用RB/R0求得，R0表示無磁場情況下磁阻元件的電阻值，RB為施加0.3T磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)磁阻元件的電阻值。

5.磁敏傳感器78(b)電阻變化率特性RB/R015105溫度(25℃)弱磁場下呈平方特性變化強(qiáng)場下呈直線特性變化00.20.40.60.81.01.21.4B/T(a)S、N級之間電阻特性S級N級0.30.20.100.10.20.3R/Ω1000500B/T圖16靈敏度特性5.磁敏傳感器792.電阻—溫度特性半導(dǎo)體磁阻元件的溫度特性不好。元件的電阻值在不大的溫度變化范圍內(nèi)減小的很快。因此，在應(yīng)用時(shí)，一般都要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。溫度（℃）020150504080100電阻（Ω）100605.磁敏傳感器80二、磁敏二極管1.結(jié)構(gòu)磁敏二極管的P型和N型電極由高阻材料制成，在P、N之間有一個較長的本征區(qū)I。本征區(qū)I的一面磨成光滑的無復(fù)合表面（為I區(qū)），另一面打毛，設(shè)成高復(fù)合區(qū)（為r區(qū)），因?yàn)殡娮印昭▽σ子谠诖植诒砻鎻?fù)合而消失。圖17磁敏二極管結(jié)構(gòu)示意圖5.磁敏傳感器812.磁敏二極管的工作原理當(dāng)磁敏二極管末受到外界磁場作用時(shí)，外加正