ch7成都信息工程學(xué)院 傳感器技術(shù)

被測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E主要內(nèi)容：一、磁電式傳感器二、霍爾傳感器第七章電動(dòng)勢(shì)傳感器霍爾傳感器霍爾傳感器工作原理霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路霍爾元件的主要特性參數(shù)霍爾元件誤差及補(bǔ)償霍爾式傳感器的應(yīng)用7.2.1霍爾傳感器工作原理

半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，半導(dǎo)體薄片上平行于電流和磁場(chǎng)方向的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱霍爾電勢(shì)UH

半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件霍爾效應(yīng)演示

當(dāng)磁場(chǎng)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(shì)。cdab霍爾效應(yīng)原理每個(gè)電子受到的洛侖茲力為：所形成的霍爾電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為：霍爾電場(chǎng)作用于電子的力：

平衡時(shí)：霍爾電勢(shì)：通過半導(dǎo)體薄片的電流I與載流子濃度n，電子運(yùn)動(dòng)速度v，薄片橫截面積b*d有關(guān)；則，霍爾電勢(shì)霍爾常數(shù)霍爾靈敏度霍爾常數(shù)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(shì)也小，所以金屬材料不宜制作霍爾元件?；魻栯妱?shì)與導(dǎo)體厚度d成反比：為了提高霍爾電勢(shì)值，霍爾元件制成薄片形狀。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(dòng)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，綜上：

任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，但不是都可以制造霍爾元件；絕緣材料電阻率很大，電子遷移率很小，不適用；金屬材料電子濃度很高，RH很小，UH很小。半導(dǎo)體電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體（多電子）。

由上式可見，厚度d越小，霍爾靈敏度KH越大，所以霍爾元件做的較薄，通常近似1微米。5.2.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路圖（b）是霍爾元件通用的圖形符號(hào)。圖（a）其中1-1電極用于加控制電流，稱控制電極。另一對(duì)2-2電極用于引出霍爾電勢(shì)，稱霍爾電勢(shì)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（c）所示，霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對(duì)霍爾電勢(shì)數(shù)值影響很大。通常霍爾電極位于基片長(zhǎng)度的中間，其寬度遠(yuǎn)小于基片的長(zhǎng)度。圖（d）是基本測(cè)量電路?；魻栐慕Y(jié)構(gòu)和基本電路輸出Uo與I或B成正比關(guān)有四根引線，兩端加激勵(lì)，兩端為輸出；電源為E，控制電流I；負(fù)載RL；B磁場(chǎng)與元件垂直向里。實(shí)測(cè)中，可把I和B作為輸入，也可單獨(dú)輸入，通過霍爾電勢(shì)輸出測(cè)量結(jié)果。得到U0與I或B成正比關(guān)系?；魻栐闹饕匦詤?shù)當(dāng)磁場(chǎng)和環(huán)境溫度一定時(shí):

霍爾電勢(shì)與控制電流I成正比當(dāng)控制電流和環(huán)境溫度一定時(shí):

霍爾電勢(shì)與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí):

輸出的霍爾電勢(shì)與I和B的乘積成正比測(cè)量以上電阻時(shí)，應(yīng)在沒有外磁場(chǎng)和室溫變化的條件下進(jìn)行。

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(duì)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(duì)應(yīng)的控制電流值(3)不等位電勢(shì)Uo和不等位電阻ro

不等位電勢(shì)：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，則霍爾電勢(shì)應(yīng)該為零，實(shí)際不為零，測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)。不等位電勢(shì)是由霍爾電極之間的電阻決定的，r

0稱不等位電阻，Ｉ流經(jīng)不等位電阻所產(chǎn)生的電勢(shì)。

(4)寄生直流電勢(shì)當(dāng)沒有外加磁場(chǎng)，霍爾元件用交流控制電流時(shí)，霍爾電極的輸出有一個(gè)直流電勢(shì)?？刂齐姌O和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個(gè)霍爾電極焊點(diǎn)的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢(shì)。(5)霍爾電勢(shì)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(shì)變化的百分率。霍爾元件誤差及補(bǔ)償1.不等位電勢(shì)誤差的補(bǔ)償2.溫度誤差及其補(bǔ)償不等位電勢(shì)當(dāng)霍爾元件通以電流I時(shí)，若磁場(chǎng)B＝0，理論上UH＝0。這是測(cè)得的電勢(shì)稱為U0。產(chǎn)生原因：霍爾引出電極安裝不對(duì)稱

半導(dǎo)體材料不均勻

1.不等位電勢(shì)誤差的補(bǔ)償可以把霍爾元件視為一個(gè)四臂電阻電橋，不等位電勢(shì)就相當(dāng)于電橋的初始不平衡輸出電壓。電勢(shì)的補(bǔ)償電路對(duì)稱電路

當(dāng)溫度變化時(shí)，補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性要好些2.溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差產(chǎn)生原因： 霍爾元件的基片是半導(dǎo)體材料，因而對(duì)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(shì)、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。減小霍爾元件的溫度誤差選用溫度系數(shù)小的元件采用恒溫措施采用恒流源供電恒流源溫度補(bǔ)償霍爾元件的靈敏系數(shù)也是溫度的函數(shù)，它隨溫度的變化引起霍爾電勢(shì)的變化，霍爾元件的靈敏系數(shù)與溫度的關(guān)系KH0

為溫度T0時(shí)的KH值；溫度變化量；霍爾電勢(shì)的溫度系數(shù)。大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值時(shí)，它們的霍爾電勢(shì)隨溫度的升高而增加（1+α△t）倍。同時(shí)，讓控制電流I相應(yīng)地減小，能保持KHI不變就抵消了靈敏系數(shù)值增加的影響。恒流源溫度補(bǔ)償電路當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí)，旁路分流電阻自動(dòng)地加強(qiáng)分流，減少了霍爾元件的控制電流具體補(bǔ)償方法:具體補(bǔ)償方法：霍爾元件上并聯(lián)一Rp分流，當(dāng)T增大時(shí)—Ri增大—UH增大—IH減小—Ip增大—UH下降。Rp

自動(dòng)加強(qiáng)分流，使Ip

增大—IH下降—UH下降,補(bǔ)償電阻Rp可選擇負(fù)溫度系數(shù)?；魻柺絺鞲衅鞯膽?yīng)用優(yōu)點(diǎn):

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，頻帶寬，動(dòng)態(tài)特性好和壽命長(zhǎng)應(yīng)用：電磁測(cè)量：測(cè)量恒定的或交變的磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數(shù)；自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)：多用于位移、壓力的測(cè)量。1.微位移和壓力的測(cè)量測(cè)量原理： 霍爾電勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，若磁感應(yīng)強(qiáng)度是位置的函數(shù)，則霍爾電勢(shì)的大小就可以用來反映霍爾元件的位置。應(yīng)用： 位移測(cè)量、力、壓力、應(yīng)變、機(jī)械振動(dòng)、加速度產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的示意圖位移量較小，適于測(cè)量微位移和機(jī)械振動(dòng)2.磁場(chǎng)的測(cè)量 在控制電流恒定條件下，霍爾電勢(shì)大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，由于霍爾元件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它特別適用于微小氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度、高梯度磁場(chǎng)參數(shù)的測(cè)量。霍爾電勢(shì)是磁場(chǎng)方向與霍爾基片法線方向之間夾角的函數(shù)。應(yīng)用：霍爾式磁羅盤、霍爾式方位傳感器、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對(duì)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(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平?；魻柛咚褂?jì)（特斯拉計(jì)）的使用

霍爾元件磁鐵將霍爾元件垂直置于磁場(chǎng)B中，輸入恒定的控制電流I，則霍爾輸出電壓UH正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B，此方法可以測(cè)量恒定或交變磁場(chǎng)的高斯數(shù)?；魻杺鞲衅饔糜跍y(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度

霍爾元件測(cè)量鐵心氣隙的B值霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾IC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(cè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾7.1磁電式傳感器 通過磁電作用將被測(cè)量（如振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩）轉(zhuǎn)換電勢(shì)信號(hào)的傳感器。它是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)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(shì)；屬于機(jī)-電能量變換型傳感器

優(yōu)點(diǎn):

不需要供電電源，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小7.1.1磁電式傳感器的工作原理

法拉第電磁感應(yīng)定律：k為比例系數(shù)，E為感應(yīng)電勢(shì)，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)，k＝1，這時(shí)感應(yīng)電勢(shì)為：

線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線，線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。如果線圈是N匝，磁感應(yīng)強(qiáng)度是B，每匝線圈的平均長(zhǎng)度la（磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度），線圈相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的速度為υ=dx/dt，則整個(gè)線圈中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為：（υ垂直B，又垂直la)不同類型的磁電式傳感器磁通量Ф的變化實(shí)現(xiàn)辦法:

磁鐵與線圈之間做相對(duì)運(yùn)動(dòng)；磁路中磁阻的變化；恒定磁場(chǎng)中線圈面積的變化.直接應(yīng)用：測(cè)定速度在信號(hào)調(diào)節(jié)電路中接積分電路，或微分電路，磁電式傳感器就可以用來測(cè)量位移或加速度。根據(jù)以上原理有兩種磁電感應(yīng)式傳感器：恒磁通式：磁路系統(tǒng)恒定，磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈也可以是磁鐵。變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)物體引起磁阻、磁通變化。磁阻式動(dòng)圈式結(jié)構(gòu)動(dòng)圈式磁電傳感器

1.動(dòng)圈式磁電傳感器原理2.動(dòng)圈式磁電傳感器結(jié)構(gòu)1.動(dòng)圈式磁電傳感器原理動(dòng)圈式磁電傳感器原理圖傳感器原理如果在線圈運(yùn)動(dòng)部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度B是均勻的，則當(dāng)線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)速度為υ時(shí)，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：α為運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向間夾角，當(dāng)α＝90°，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：當(dāng)N、B和la恒定不變時(shí)，E與υ=dx/dt成正比，根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小就可以知道被測(cè)速度的大小。E∝V2.動(dòng)圈式磁電傳感器結(jié)構(gòu)磁電式傳感器構(gòu)成：

1、磁路系統(tǒng)由它產(chǎn)生恒定直流磁場(chǎng)。為了減小傳感器的體積，一般都采用永久磁鐵；

2、線圈由它運(yùn)動(dòng)切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。作為一個(gè)完整的磁電式傳感器，除了磁路系統(tǒng)和線圈外，還有一些其它元件，如殼體、支承、阻尼器、接線裝置等。磁電式振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖5.1.2磁電式振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖1-彈簧片2-永久磁鐵3-阻尼器4-引線5-芯桿6-外殼7-線圈8-彈簧片基本工作原理：該傳感器在使用時(shí)，把它與被測(cè)物體緊固在一起，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，傳感器外殼隨之振動(dòng)，此時(shí)線圈、阻尼環(huán)和芯桿的整體由于慣性而不隨之振動(dòng)，因此它們與殼體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，位于磁路氣隙間的線圈就切割磁力線，于是線圈就產(chǎn)生正比于振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。該電動(dòng)勢(shì)與速度成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可直接測(cè)量速度，經(jīng)過積分或微分電路便可測(cè)量位移或加速度。

磁阻式磁電傳感器線圈和磁鐵部分都是靜止的，與被測(cè)物連接而運(yùn)動(dòng)的部分是用導(dǎo)磁材料制成的，在運(yùn)動(dòng)中，它們改變磁路的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁通量，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 用來測(cè)量轉(zhuǎn)速，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率作為輸出，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率取決于磁通變化的頻率。

結(jié)構(gòu)：開磁路、閉磁路開磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器1－永久磁鐵3－感應(yīng)線圈2－軟鐵4－齒輪結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)較小，當(dāng)被測(cè)軸振動(dòng)較大時(shí)，傳感器輸出波形失真較大。閉磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器閉磁路磁組式轉(zhuǎn)速傳感器5－永久磁鐵4－感應(yīng)線圈2－內(nèi)齒輪3－外齒輪1-轉(zhuǎn)軸特點(diǎn)：

傳感器的輸出電勢(shì)取決于線圈中磁場(chǎng)變化速度，因而它是與被測(cè)速度成一定比例關(guān)系的。當(dāng)轉(zhuǎn)速太低時(shí)，輸出電勢(shì)很小，以致無法測(cè)量。所以這種傳感器有一個(gè)下限工作頻率，一般為50Hz左右，閉磁路轉(zhuǎn)速傳感器的下限頻率可降低到30Hz左右。其上限工作頻率可達(dá)100Hz。

原理：磁阻變化→線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)→周期感應(yīng)脈沖信號(hào)。

開磁通

f=Zn/60

式中，Z—齒輪的齒數(shù)；n—轉(zhuǎn)速(r/min)；f—感應(yīng)脈沖信號(hào)頻率。原理：橢圓輪旋轉(zhuǎn)→空氣隙磁阻周期性變化→輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（e=Emsint→周期脈沖頻率。閉磁通轉(zhuǎn)速（）低→e小→存在下限頻率（一般為50Hz左右），上限頻率可達(dá)100kHz轉(zhuǎn)速特點(diǎn)：磁電式傳感器的應(yīng)用線速度型磁電式傳感器的應(yīng)用測(cè)速電機(jī)角速度型1、磁電式傳感器測(cè)量電路中引入積分電路是為了測(cè)量（）。A．位移