傳感技術(shù)及應(yīng)用-5-new(磁電式傳感器)

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(jiǎn)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)生與磁通相變化速率成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。現(xiàn)代的磁傳感器已向固體化發(fā)展，它是利用磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。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磁電感應(yīng)式傳感器第五章磁電式傳感器

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)的，是一種機(jī)—電能量變換型傳感器，不需要供電電源，電路簡(jiǎn)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10～1000），適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等測(cè)量。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。工作原理：法拉第電磁感應(yīng)定律當(dāng)N匝線圈在一恒定磁場(chǎng)中作“切割”磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)為分類：恒定磁通式變磁通式第五章磁電式傳感器恒定磁通磁電感應(yīng)式傳感器動(dòng)圈式結(jié)構(gòu)：第五章磁電式傳感器動(dòng)鐵式變磁通磁電感應(yīng)式傳感器第五章磁電式傳感器磁電式回轉(zhuǎn)檢測(cè)器第五章磁電式傳感器在車輛中的應(yīng)用測(cè)速第五章磁電式傳感器車輛在運(yùn)行過程中，前后輪速度傳感器通過磁電感應(yīng)將車輪速度轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，然后經(jīng)過線路將該電壓信號(hào)傳輸?shù)诫娮涌刂破鳎‥CU）中，電子控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)置的程序隨時(shí)對(duì)各車輪傳感器的輸入信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而判斷是否有必要進(jìn)入到ABS制動(dòng)狀態(tài)?！?-2霍爾傳感器

霍爾傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量，如電流、磁場(chǎng)、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)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(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的物理效應(yīng)。置于磁場(chǎng)中的靜止載流體中，若電流方向與磁場(chǎng)方向不相同，則在載流體的垂直于電流與磁場(chǎng)方向所組成的兩個(gè)側(cè)面將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這一現(xiàn)象為美國(guó)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(dòng)勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)。第五章磁電式傳感器bdUHIlBvF′F－＋＋－第五章磁電式傳感器設(shè)為N型半導(dǎo)體，載流子為電子。磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)載流子的偏轉(zhuǎn)第五章磁電式傳感器

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(cè)量，如電流、磁場(chǎng)、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，堅(jiān)固，頻率響應(yīng)寬，動(dòng)態(tài)范圍大,無觸點(diǎn),使用壽命長(zhǎng),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(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)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(lì)電流IH2、輸入電阻Ri

控制電極間的電阻值，規(guī)定在室溫（20±5℃）的環(huán)境溫度中測(cè)取。

指霍爾電極間的電阻值，規(guī)定在（20±5℃）條件下測(cè)取。3、輸出電阻RS第五章磁電式傳感器4、不等位電勢(shì)V0及零位電阻r0

當(dāng)控制磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，控制電流為額定值IH時(shí)，霍爾電極間的空載電勢(shì)稱為不等位電勢(shì)（或零位電勢(shì)）。第五章磁電式傳感器不等位電勢(shì)也可用不等位電阻表示：—零位電阻第五章磁電式傳感器三、霍爾片的電路1、不等位電勢(shì)的補(bǔ)償

由于不等位電勢(shì)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(jìn)行補(bǔ)償。第五章磁電式傳感器ABCDIR1R2R3R4

補(bǔ)償原理：將R1、R2、R3、R4其視為電橋的四個(gè)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(gè)臂上同時(shí)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R1＝R2＝R3＝R4，即零位電勢(shì)為零（或零位電阻為零）。但實(shí)際上存在著零位電勢(shì)，則說明此四個(gè)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(bǔ)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(shì)變化，產(chǎn)生溫度誤差，為了減小溫度差：①除選用溫度系數(shù)較小的材料（如砷化銦）；②采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)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(shí)，會(huì)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(jìn)一步提高VH的溫度穩(wěn)定性，對(duì)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。（推導(dǎo)過程見黑板）第五章磁電式傳感器（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(shí)，可在輸入回路串入適當(dāng)電阻來補(bǔ)償溫度誤差。（分析過程見黑板）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(hào)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，開關(guān)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(chǎng)作用在傳感器上時(shí)，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(shí)，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(chǎng)減弱時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)度的變化，就使傳感器完成了一次開關(guān)動(dòng)作。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(diǎn)火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、里程測(cè)定、機(jī)械設(shè)備的限位開關(guān)、按鈕開關(guān)、電流的檢測(cè)與控制、位置及角度的檢測(cè)，等等。第五章磁電式傳感器

3020T輸出UoutR=2kΩ+12V123（b）應(yīng)用電路

（a）外型

霍耳開關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路123第五章磁電式傳感器霍耳開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線工作特性有一定的磁滯BH，這對(duì)開關(guān)動(dòng)作的可靠性非常有利。圖中的BOP為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度?；舳_關(guān)集成傳感器的工作特性曲線VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB霍耳開關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)：工作電壓、磁感應(yīng)強(qiáng)度、輸出截止電壓、輸出導(dǎo)通電流、工作溫度、工作點(diǎn)。0

該曲線反映了外加磁場(chǎng)與傳感器輸出電平的關(guān)系。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度高于BOP時(shí)，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于BRP時(shí)，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。

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(chǎng)呈線性比例關(guān)系。－＋×穩(wěn)壓VCC輸出地123霍爾元件放大單端輸出傳感器的電路結(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(chǎng)時(shí)，霍爾元件產(chǎn)生與磁場(chǎng)成線性比例變化的霍爾電壓，經(jīng)放大器放大后輸出?；魻柧€性傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場(chǎng)、電流等的測(cè)量或控制。第五章磁電式傳感器－＋×穩(wěn)壓VCC輸出地341霍爾元件放大8雙端輸出的電路結(jié)構(gòu)霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性(1)

磁感應(yīng)強(qiáng)度B/T5.64.63.62.61.6-0.3-0.2-0.100.10.20.3輸出電壓U/VSL3501T傳感器的輸出特性曲線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(cè)量磁物理量及電量、還可以通過轉(zhuǎn)換測(cè)量其它非電量。由于霍爾元件的輸出量是比例于兩個(gè)輸入量的乘積，因此可以方便而準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，可構(gòu)成各種非線性運(yùn)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(jì)、霍爾羅盤、大電流計(jì)、功率計(jì)、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(cè)量NS霍爾元件ωα（轉(zhuǎn)角）VH0π2πNS霍爾元件ωα（轉(zhuǎn)角）VH0永磁體裝在軸端的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法永磁體裝在軸側(cè)的轉(zhuǎn)速測(cè)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(cè)體上貼一磁鋼，非接觸式測(cè)量，高可靠，適用于低轉(zhuǎn)速，體積小、安裝方便，對(duì)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(zhǎng)期工作?；魻柺睫D(zhuǎn)速計(jì)2、利用霍爾線性集成傳感器進(jìn)行磁法覆蓋層厚度測(cè)量

磁法覆蓋厚度測(cè)量是指對(duì)鐵磁性物質(zhì)表面非磁性涂層的厚度測(cè)量。例如對(duì)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(cè)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(cè)量時(shí)將U形鐵芯的兩極放到被測(cè)物體表面上，這時(shí)永磁體產(chǎn)生的磁通便通過U形鐵芯和被測(cè)物體構(gòu)成磁回路。當(dāng)被測(cè)物體表面覆蓋層厚度不同時(shí)，磁回路的磁阻和磁通量將會(huì)發(fā)生變化，磁回路中的霍爾集成傳感器將會(huì)檢測(cè)出磁場(chǎng)強(qiáng)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(hào)加一級(jí)放大，便可得到足夠大的信號(hào)幅度。－5VIC1IC2＋5VUOUT第五章磁電式傳感器3、霍爾元件在電流測(cè)量上的應(yīng)用

用霍爾元件測(cè)量電流，都是通過霍爾元件檢測(cè)通電導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)來實(shí)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(cè)量大直流電流，有時(shí)直流電流值高達(dá)10KA以上。過去，多采用電阻器分流的方法來測(cè)量這樣大的電流。這種方法有許多缺點(diǎn)，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(cè)量大電流可以克服上述的一些缺點(diǎn)?；魻栃?yīng)大電流計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、準(zhǔn)確度高，在很大程度上與頻率無關(guān)，便于遠(yuǎn)距離測(cè)量，測(cè)量時(shí)不需要斷開回路。

（1）導(dǎo)線旁測(cè)法這種方法是一種最簡(jiǎn)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(cè)量被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，就可以從元件輸出的霍爾電壓中確定被測(cè)電流值。這種方法雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但測(cè)量精度較差，受外界干擾也大，只適用一些不重要的場(chǎng)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(shí)，導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，使導(dǎo)磁體鐵芯磁化成暫時(shí)性磁鐵，在環(huán)形氣隙中就會(huì)形成一個(gè)磁場(chǎng)，導(dǎo)體中的電流越大，氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越大，霍爾元器件輸出的霍爾電壓VH就越大?？梢酝ㄟ^霍爾電壓檢測(cè)到導(dǎo)線中的電流。這種方法可以提高電流測(cè)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(cè)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(cè)量原理

在實(shí)際應(yīng)用中，為了測(cè)量的方便，還可以把導(dǎo)磁鐵芯做成鉗式形狀，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(cè)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(qiáng)度。若測(cè)量范圍是0~20A時(shí)，則導(dǎo)線繞制9匝便可產(chǎn)生約0.1T的磁感應(yīng)強(qiáng)度，SL3501M會(huì)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(cè)量，可用于機(jī)械加工車間，工廠，及各種耗電量較大的任何場(chǎng)合。4、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(gè)均勻梯度磁場(chǎng)中移動(dòng)，它輸出的霍爾電壓VH值只由它在該磁場(chǎng)中的位移量Z來決定。圖中3種產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)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，將它們固定在被測(cè)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Z<2mm時(shí)，VH與Z有良好的線性關(guān)系，且分辨力可達(dá)1μm，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(chǎng)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