磁電式傳感器20081114095615935課件

材料成型測試技術(shù)第8節(jié)磁電式傳感器

8.1磁電感應(yīng)式傳感器8.2霍爾式傳感器8.3磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用第8節(jié)磁電式傳感器磁電式傳感器機(jī)械能電量概述導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運(yùn)動時，在導(dǎo)體兩端有感應(yīng)電動勢輸出；磁電式傳感器就是利用電磁感應(yīng)原理，將運(yùn)動速度、位移等物理量轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電動勢輸出。磁電感應(yīng)式傳感器工作時不需要外加電源，可直接將被測物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電量輸出。是典型的有源傳感器。特點(diǎn)：輸出功率大，穩(wěn)定可靠，可簡化二次儀表，但頻率響應(yīng)低，通常在10—100HZ，適合作機(jī)械振動測量、轉(zhuǎn)速測量。傳感器尺寸大、重。(一)工作原理與結(jié)構(gòu)

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，N匝線圈在磁場中運(yùn)動切割磁力線，線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e的大小與穿過線圈的磁通Φ變化率有關(guān)。式中：B磁感應(yīng)強(qiáng)度，N0線圈匝數(shù)，L每匝線圈長度，V運(yùn)動速度8.1磁電感應(yīng)式傳感器由

磁電式傳感器靈敏度：電流靈敏度:電壓靈敏度：

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，運(yùn)動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，轉(zhuǎn)動物體引起磁阻、磁通變化。(一)工作原理與結(jié)構(gòu)8.1磁電感應(yīng)式傳感器

圖為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨被測體一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪上齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。(一)工作原理與結(jié)構(gòu)8.1磁電感應(yīng)式傳感器磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運(yùn)動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式。當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運(yùn)動部件質(zhì)量相對較大，當(dāng)振動頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時，運(yùn)動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運(yùn)動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運(yùn)動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。恒磁通式(一)工作原理與結(jié)構(gòu)8.1磁電感應(yīng)式傳感器(二)基本特性與誤差分析當(dāng)測量電路接入磁電傳感器電路時，如圖所示，磁電傳感器的輸出電流Io為傳感器的電流靈敏度為當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、受到機(jī)械振動或沖擊時，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測量誤差，其相對誤差為（9-1）8.1磁電感應(yīng)式傳感器

1.非線性誤差磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是：由于傳感器線圈內(nèi)有電流I流過時，將產(chǎn)生一定的交變磁通φI，此交變磁通疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化,如圖所示。當(dāng)傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場的運(yùn)動速度增大時，將產(chǎn)生較大的感應(yīng)電勢e和較大的電流I，由此而產(chǎn)生的附加磁場方向與原工作磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。當(dāng)線圈的運(yùn)動速度與圖所示方向相反時，感應(yīng)電勢e、線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn)生的附加磁場方向與工作磁場同向，從而增大了傳感器的靈敏度。其結(jié)果是線圈運(yùn)動速度方向不同時，傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值，使傳感器輸出基波能量降低，諧波能量增加,即這種非線性特性同時伴隨著傳感器輸出的諧波失真。顯然，傳感器靈敏度越高，線圈中電流越大，這種非線性越嚴(yán)重。(二)基本特性與誤差分析8.1磁電感應(yīng)式傳感器2.溫度誤差當(dāng)溫度變化時，式（9-1）中右邊三項(xiàng)都不為零，對銅線而言每攝氏度變化量為dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2，dB/B每攝氏度的變化量決定于永久磁鐵的磁性材料。對鋁鎳鈷永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，這樣由式（9-1）可得近似值如下：(二)基本特性與誤差分析8.1磁電感應(yīng)式傳感器2.溫度誤差

(二)基本特性與誤差分析這一數(shù)值是很可觀的，所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償通常采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分。當(dāng)溫度升高時，熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降，經(jīng)它分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低，從而保持空氣隙的工作磁通不隨溫度變化，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。8.1磁電感應(yīng)式傳感器

實(shí)際應(yīng)用中磁敏元件主要用于檢測磁場，而與人們相關(guān)的磁場范圍很寬，一般的磁敏傳感器檢測的最低磁場只能到高斯。

磁場強(qiáng)度與磁場源的分布8.2霍爾式傳感器

霍爾傳感器屬于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁電轉(zhuǎn)換原理，磁敏傳感器是把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電信號。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，磁敏元件得到應(yīng)用和發(fā)展，廣泛用于自動控制、信息傳遞、電磁場、生物醫(yī)學(xué)等方面的電磁、壓力、加速度、振動測量。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好、壽命長。磁敏傳感器磁學(xué)量電信號8.2霍爾式傳感器(一)霍爾效應(yīng)1878年美國物理學(xué)家霍爾首先發(fā)現(xiàn)金屬中的霍爾效應(yīng)，因?yàn)樘鯖]有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)非常明顯，并且體積小有利于集成化?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃?yīng)。把一個導(dǎo)體（半導(dǎo)體薄片）兩端通以電流I，在垂直方向施加磁感強(qiáng)度B的磁場，在薄片的另外兩側(cè)會產(chǎn)生一個與控制電流I和磁場強(qiáng)度B的乘積成比例的電動勢?；蛲姷膶?dǎo)體（半導(dǎo)體）放在磁場中，電流I與磁場B方向垂直，在導(dǎo)體另外兩側(cè)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。

8.2霍爾式傳感器霍爾效應(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c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。8.2霍爾式傳感器霍爾電勢：通過（半）導(dǎo)體薄片的電流I與下列因素有關(guān)：載流子濃度n，電子運(yùn)動速度v，導(dǎo)體薄片橫截面積b*d，e為電子電荷量。代入后：與材料有關(guān)霍爾常數(shù)霍爾電勢與電流和磁場強(qiáng)度的乘積成正比與薄片尺寸有關(guān)霍爾靈敏度式中：ρ—電阻率、n—電子濃度μ—電子遷移率μ=υ/E單位電場強(qiáng)度作用下載流子運(yùn)動速度。8.2霍爾式傳感器磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢

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，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，這時的霍爾電勢為

UH=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，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。

8.2霍爾式傳感器討論：

任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不是都可以制造霍爾元件;

絕緣材料電阻率ρ很大，電子遷移率μ很小，不適用；金屬材料電子濃度n很高，RH很小，UH很小;

半導(dǎo)體材料電阻率ρ較大RH大，非常適于做霍爾元件，半導(dǎo)體中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(d≈1μm)

。8.2霍爾式傳感器

國產(chǎn)霍爾元件別號的命名方法如下：常見的國產(chǎn)霍爾元件型號有HZ—1、HZ—2、HZ—3、HT—1、HT—2、HS—1等。8.2霍爾式傳感器2.霍爾傳感器基本測量電路霍爾晶體的外形為矩形薄片有四根引線，兩端加激勵，兩端為輸出，RL為負(fù)載電阻；電源E通過R控制激勵電流I；B磁場與元件面垂直（向里）實(shí)測中可把I*B作輸入，也可把I或B單獨(dú)做輸入；通過霍爾電勢輸出測量結(jié)果。

輸出Uo與I或B成正比關(guān)系，或與I*B成正比關(guān)系。8.2霍爾式傳感器霍爾元件的轉(zhuǎn)換效率較低，實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得較大的霍爾電壓，可將幾個霍爾元件的輸出串聯(lián)起來，如圖所示，在這種連接方法中，激勵電流極應(yīng)該是并聯(lián)的，如果將其接成串聯(lián)，霍爾元件將不能正常工作，雖然霍爾元件的串聯(lián)可以增加輸出電壓，但其輸出電阻也將增大。2.霍爾傳感器基本測量電路8.2霍爾式傳感器(2）輸入電阻和輸出電阻激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢對電路外部來說相當(dāng)于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，且環(huán)境溫度在20℃±5℃時所確定的。(三)霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)8.2霍爾式傳感器(3）不等位電勢和不等位電阻當(dāng)霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，則它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有：①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；

(三)霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)8.2霍爾式傳感器②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；

③激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。(三)霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)8.2霍爾式傳感器(4）寄生直流電勢在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極輸出除了交流不等位電勢外，還有一直流電勢，稱為寄生直流電勢。其產(chǎn)生的原因有：①激勵電極與霍爾電極接觸不良，形成非歐姆接觸，造成整流效果；②兩個霍爾電極大小不對稱，則兩個電極點(diǎn)的熱容不同，散熱狀態(tài)不同而形成極間溫差電勢。寄生直流電勢一般在1mV以下，它是影響霍爾片溫漂的原因之一。(三)霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)8.2霍爾式傳感器(四)測量誤差及誤差的補(bǔ)償1.霍爾元件不等位電勢補(bǔ)償不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超過霍爾電勢，而實(shí)用中要消除不等位電勢是極其困難的，因而必須采用補(bǔ)償?shù)姆椒?。分析不等位電勢時，可以把霍爾元件等效為一個電橋，用分析電橋平衡來補(bǔ)償不等位電勢。8.2霍爾式傳感器不等位電勢的補(bǔ)償：

分析不等位電勢時可把霍爾元件等效為一個電橋，不等位電壓相當(dāng)于橋路初始有不平衡輸出U0≠0，可在電阻大的橋臂上并聯(lián)電阻。(四)測量誤差及誤差的補(bǔ)償8.2霍爾式傳感器2.溫度補(bǔ)償霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時，霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化，從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。為了減小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供電是個有效措施，可以使霍爾電勢穩(wěn)定。但也只能是減小由于輸入電阻隨溫度變化所引起的激勵電流I的變化的影響。(四)測量誤差及誤差的補(bǔ)償8.2霍爾式傳感器霍爾元件的靈敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，它隨溫度變化將引起霍爾電勢的變化?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成KH=KH0(1+αΔT)

大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值，它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加αΔT倍。但如果同時讓激勵電流Is相應(yīng)地減小，并能保持KH·Is乘積不變，也就抵消了靈敏系數(shù)KH增加的影響。8.2霍爾式傳感器電路中Is為恒流源，分流電阻Rp與霍爾元件的激勵電極相并聯(lián)。當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻Rp自動地增大分流，減小了霍爾元件的激勵電流IH，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?.2霍爾式傳感器

霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類。線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。線性型三端霍爾集成電路(五)霍爾集成傳感器8.2霍爾式傳感器線性型霍爾特性

右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場為零時，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場為正向（磁鋼的S極對準(zhǔn)霍爾器件的正面）時，輸出為正；磁場反向時，輸出為負(fù)。請畫出線性范圍8.2霍爾式傳感器開關(guān)型霍爾集成電路開關(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(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)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(qiáng)度低于釋放點(diǎn)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。8.2霍爾式傳感器開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路OC門施密特觸發(fā)電路雙端輸入、單端輸出運(yùn)放霍爾元件.Vcc8.2霍爾式傳感器開關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性

回差越大，抗振動干擾能力就越強(qiáng)。8.2霍爾式傳感器(六)霍爾傳感器的應(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。8.2霍爾式傳感器霍爾傳感器用于測量磁場強(qiáng)度

霍爾元件測量鐵心氣隙的B值8.2霍爾式傳感器霍爾轉(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8.2霍爾式傳感器霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時，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，輸出為低電平。8.2霍爾式傳感器霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(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8.2霍爾式傳感器霍爾式無觸點(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)火時間不準(zhǔn)確、觸點(diǎn)易燒壞、高速時動力不足等缺點(diǎn)。

汽車點(diǎn)火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭8.2霍爾式傳感器霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置工作原理

采用霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置無磨損、點(diǎn)火時間準(zhǔn)確、高速時動力足。桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖

1-觸發(fā)器葉片2-槽口3-分電器轉(zhuǎn)軸4-永久磁鐵

5-霍爾集成電路（PNP型霍爾IC）

a）帶缺口的觸發(fā)器葉片

b）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關(guān)系c）葉片位置與點(diǎn)火正時的關(guān)系

8.2霍爾式傳感器霍爾式無刷電動機(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8.2霍爾式傳感器霍爾式接近開關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動作距離時，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。8.2霍爾式傳感器霍爾式接近開關(guān)

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，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