磁電、磁敏式傳感器

6.1磁電感應式傳感器（電動式）6.2霍爾式傳感器6.3磁敏元件第六章磁電、磁敏式傳感器理解磁電式傳感器的磁電轉換原理及結構特征；了解霍爾式傳感器的磁電轉換原理；理解霍爾效應，掌握實際使用方法。了解磁敏元件的原理及結構特征。

本章要求第六章磁電、磁敏式傳感器磁電作用主要分為電磁感應和霍爾效應兩種情況，磁（電）敏式傳感器可以分為磁電感應式傳感器和霍爾式傳感器兩種。此外還有一些半導體磁電傳感器，如磁敏電阻器，磁敏晶體管，以及以這些元器件為磁--電轉換器的各種半導體磁敏功能器件。磁電作用

被測非電量電信號測量電路U、I第六章磁電、磁敏式傳感器磁電作用

被測非電量電信號測量電路U、I第六章磁電、磁敏式傳感器磁電式傳感器的定義通過磁電作用，被測非電量轉換為電信號的傳感器。磁電式傳感器的感測量磁場、速度、位移、加速度、壓力、電流等。磁電式傳感器的種類根據(jù)工作原理：感應式、霍爾式和磁敏式等。磁電感應式傳感器：利用電磁感應原理將被測量（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的一種傳感器。有源傳感器：不需要輔助電源，就能把被測對象的機械量轉換成易于測量的電信號。特點：輸出功率大，性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz）。一、磁電感應式傳感器概述

§6.1磁電感應式傳感器（電動式）磁電感應式傳感器是以電磁感應原理為基礎的。由法拉第電磁感應定律可知，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，線圈中所產生的感應電動勢E(V)的大小取決于穿過線圈的磁通的變化率，即

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，一般可將磁電感應式傳感器分為恒磁通式和變磁通式兩類。二、磁電感應式傳感器工作原理1、恒磁通式

§6.1磁電感應式傳感器（電動式）圖恒磁通式磁電傳感器結構原理圖

恒磁通式磁電感應傳感器結構中，工作氣隙中的磁通恒定，感應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生。這類結構有動圈式和動鐵式兩種。 式中：B0——工作氣隙磁感應強度；L——每匝線圈平均長度；N——線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù)；v——相對運動速度。永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度切割磁力線從而產生感應電勢。當傳感器結構參數(shù)確定后，N、B和l均為恒定值，E與v成正比，根據(jù)感應電動勢E的大小就可以知道被測速度的大小。這類傳感器的線圈和磁鐵都是靜止不動的。利用磁性材料制成齒輪，在運動中它不斷地改變磁路的磁阻，因而改變了貫穿線圈的磁通量，因此在線圈中感應出電動勢。變磁通式傳感器一般都做成轉速傳感器，產生的感應電勢的頻率作為輸出，其頻率值取決于磁通變化的頻率。2、變磁通式在結構上分為開磁路和閉磁路兩種。

開磁路變磁通式轉速傳感器如圖所示，傳感器由永久磁鐵、感應線圈、軟鐵組成。齒輪安裝在被測轉軸上，與轉軸一起旋轉。

1—永久磁鐵；2—軟鐵；3—感應線圈；4—齒輪。圖開磁路變磁阻式轉速傳感器當齒輪旋轉時，由齒輪的凹凸引起磁阻變化，而使磁通發(fā)生變化，因而在線圈3中感應出交變電勢，其頻率等于齒輪的齒數(shù)和轉速的乘積，即式中，z為齒輪的齒數(shù)；n為被測軸的轉速(r/min)；

f為感應電勢頻率(Hz)。當齒輪的齒數(shù)z確定以后，若能測出f

就可求出轉速n(n=60f/z)。這種傳感器結構簡單，但輸出信號小，轉速高時信號失真也大，在振動強或轉速高的場合，往往采用閉磁路變磁阻式轉速傳感器。已知測量齒輪齒數(shù)Z=18，采用變磁通感應式傳感器測量工作軸轉速(如圖所示)。若測得輸出電動勢的交變頻率為24(Hz)，求：被測軸的轉速n(r/min)為多少?解：測量時，齒輪隨工作軸一起轉動，每轉過一個齒，傳感器磁路磁阻變化一次，磁通也變化一次，因此，線圈感應電動勢的變化頻率f等于齒輪的齒數(shù)Z與轉速n的乘積。=80(r/min)f=nZ/60n==圖為閉磁路變磁通式，它由裝在轉軸上的內齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應線圈組成，內外齒輪齒數(shù)相同。當轉軸連接到被測轉軸上時，

外齒輪不動，內齒輪隨被測軸而轉動，內、外齒輪的相對轉動使氣隙磁阻產生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內產生周期性變化的感生電動勢。顯然，感應電勢的頻率與被測轉速成正比。6.1磁電感應式傳感器1--轉軸2--內齒輪3a、3b--外齒輪4--線圈5--永久磁鐵轉速傳感器的輸出電勢取決于線圈中磁場變化速度，因而它是與被測速度成一定比例的，當轉速太低時，輸出電勢很小，以致無法測量。所以這種傳感器有一個下限工作頻率，一般為50Hz左右，閉磁路轉速傳感器下限頻率可低到30Hz左右，上限工作頻率可達100Hz。若將輸出電勢信號轉化為脈沖信號，則可方便的求解出轉速的大小。當測量電路接入磁電傳感器電路時，Rf為測量電路輸入電阻，R為線圈等效電阻，則磁電傳感器的輸出電流和電壓為三、磁電感應式傳感器基本特性1、磁電傳感器的靈敏度傳感器的輸出電流和電壓靈敏度分別靈敏度為靈敏度相對誤差為靈敏度誤差：工作溫度變化、外界磁場干擾、機械振動或沖擊，靈敏度會變化。

§6.1磁電感應式傳感器（電動式）磁電式傳感器產生非線性誤差的主要原因：電流磁場效應。2、磁電傳感器的非線性誤差傳感器線圈內流過電流時，產生一定的交變磁通，疊加在永久磁鐵所產生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化。傳感器電流的磁場效應

§6.1磁電感應式傳感器（電動式）這種影響分為兩種情況：1、當傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場的運動速度增大時,將產生較大的感生電勢E和較大的電流I，由此而產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。傳感器電流的磁場效應2、當線圈的運動速度與圖示方向相反時,感生電勢E、線圈感應電流反向，所產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。其結果是線圈運動速度方向不同時,傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值。傳感器本身靈敏度越高,線圈中電流越大，這種非線性越嚴重。為補償上述附加磁場干擾,可在傳感器中加入補償線圈，如圖所示。補償線圈通以經放大K倍的電流,適當選擇補償線圈參數(shù),可使其產生的交變磁通與傳感線圈本身所產生的交變磁通互相抵消,從而達到補償?shù)哪康摹?、磁電傳感器的溫度誤差當溫度變化每攝氏度時，對銅線變化量為dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2，dB/B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，靈敏度隨溫度變化誤差為這一數(shù)值是很可觀的，需要進行溫度補償。熱磁分流器補償：熱磁分流器由具有很大負溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分掉一小部分。當溫度升高時，熱磁分流器的磁導率顯著下降，經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)。

§6.1磁電感應式傳感器（電動式）

信號輸出經測量電路轉換可獲得位移和加速度直接輸出電動勢，測量速度信號；接入積分電路可測量位移信號；接入微分電路可測量加速度信號。四、磁電感應式傳感器測量電路磁電感應式傳感器直接輸出電動勢，且通常具有高的靈敏度，一般不需要高增益放大器。

§6.1磁電感應式傳感器（電動式）位移速度加速度位移速度加速度速度經積分電路可測量位移IfCIi

Ruiu0-+理想運放根據(jù)設電容上初始電壓為零，輸出電壓是輸入電壓對時間積分uitu0t測量電路-位移速度經微分電路可測量加速度

If

RfIc

Cuiu0-+理想運放因為u0tuit測量電路—加速度五、磁電感應式傳感器的應用

§6.1磁電感應式傳感器（電動式）1.振動測量

磁鐵與線圈之間相對運動，運動速度接近振動速度，磁路氣隙中的線圈切割磁力線，產生于正比振動速度的感應電動勢輸出不從零開始，從Va開始:1.V＞Va必需克服靜摩擦力,才能相對運動；2.V>Vc慣性太大超過范圍

振動傳感器輸出特性當轉軸不受扭矩時，兩線圈輸出信號相同，相位差為零。當被測軸感受扭矩時，軸的兩端產生扭轉角，因此兩個傳感器輸出的兩個感應電動勢將因扭矩而有附加相位差。扭轉角與感應電動勢相位差的關系為

式中：z為傳感器定子、轉子的齒數(shù)。2.扭矩測量1、磁電式傳感器測量電路中引入積分電路是為了測量（

）。A．位移

B．速度C．加速度

D．光強2、當傳感器線圈相對磁場運動所產生的附加磁場與原工作磁場方向相反時，附加磁場將

工作磁場的作用，從而使傳感器的靈敏度隨檢測速度的增大而

。A、減弱、增大B、減弱、降低C、減弱、不變D、增強、增大3、磁電式傳感器是利用導體和磁場發(fā)生

而在導體兩端輸出感應電動勢的原理將被測量（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的一種傳感器。4、磁電式傳感器只用于測量

，可以直接測量振動物體的線速度或旋轉體的角速度，加入積分或者微分電路后，可以測量位移和加速度?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃獙崿F(xiàn)磁電轉換的一種傳感器。

1879年美國物理學家霍爾（E.H.Hall）首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應,但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。隨著半導體技術的發(fā)展,開始用半導體材料制成霍爾元件,由于它的霍爾效應顯著而得到應用和發(fā)展。

優(yōu)點：靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、功耗小、頻率高（可達1MHz）、耐高溫、耐震動、不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。已廣泛應用于非電量測量、自動控制、計算機裝置和現(xiàn)代軍事技術等各個領域?！?.2霍爾式傳感器——霍爾元件靈敏度——霍爾電勢1、定義霍爾：1879年半導體一、霍爾效應圖形符號UH＝KH

IBKH——霍爾元件的靈敏度。若保持I恒定，作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢UH也就越高。

若磁感應強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos

，這時的霍爾電勢為UH=KHIBcos

2.工作原理

霍爾效應是物質中的運動電荷受磁場中洛侖茲（Lorentz)力作用而產生的一種特性。霍爾元件(設為N型半導體)置于磁場B中，當通以電流I時，運動電荷（載流子電子）受磁場中洛侖茲力fL

的作用，向垂直于B和電流I的方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即運動電荷（電子）有向某一端積聚的現(xiàn)象，使霍爾元件一端面產生負電荷積聚，另一端面則為正電荷積聚。由于電荷聚積，產生靜電場，該靜電場對運動電荷（電子）的作用力fE

與洛侖茲力fL方向相反，阻止其偏轉，當二力相等時，電荷積累達到動態(tài)平衡，此時的靜電場即為霍爾電場，在電荷積聚的兩面上產生的電勢稱為霍爾電勢。

(a)磁場為0時電子的流動(b)電子在洛侖茲力作用下發(fā)生偏轉(c)電荷積累達到平衡時洛侖茲力fL=evB

e—電子所帶電荷量v—電子運動平均速度B—磁感應強度霍爾電場作用力fE

=eEH=eUH/bEH—霍爾電場UH—霍爾電勢b—霍爾片的寬度動態(tài)平衡時fL=fE

則evB=eUH/b由于電流密度J=﹣nev，則電流強度為I=﹣nevbd

N型半導體：

P型半導體：式中，d—霍爾片厚度n

—電子濃度

p—空穴濃度3.霍爾系數(shù)及靈敏度

（1）霍爾系數(shù)：N型半導體：

P型半導體：

RH

被定義為霍爾傳感器的霍爾系數(shù)，霍爾系數(shù)由材料性質決定。它決定霍爾電勢的強弱。

（2）靈敏度：則，于是得到RH＝

。UH＝KH

IB

霍爾元件的靈敏度就是指在單位磁感應強度和單位控制電流作用時，所能輸出的霍爾電勢的大小。由于材料電阻率

與載流子濃度和其遷移率

有關，即

或

霍爾電勢除了與材料的載流子遷移率和電阻率有關，同時還與霍爾元件的幾何尺寸有關。一般要求霍爾元件靈敏度越大越好，霍爾元件的厚度d與KH

成反比，因此，霍爾元件的厚度越小其靈敏度越高（一般0.1mm）。

要想霍爾電勢強，材料的電阻率必須要高，且遷移率也要大。雖然金屬導體的載流子遷移率很大，但其電阻率低；絕緣體電阻率很高，但其載流子遷移率低。因此，只有半導體材料為最佳的霍爾傳感器材料?；魻栐夯诨魻栃ぷ鞯陌雽w器件?；魻栐牧希憾嗖捎肗型半導體材料?；魻栐M成：霍爾片、四根引線和殼體。二、霍爾元件的結構與特性最常用的霍爾元件材料有：鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導體材料?；魻栐臍んw：用非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。1、霍爾元件的構造霍爾片是一塊半導體單晶薄片(4×2×0.1mm3)，長度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，通常用紅色導線，稱為控制電極；在另兩側端面的中間以點的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導線，稱為霍爾電極?！?.2霍爾式傳感器二、霍爾元件的結構與特性鍺（Ge）：靈敏度低、溫度特性及線性度好。銻化銦（InSb）：靈敏度最高、受溫度影響大。1、霍爾元件的構造濺射工藝制作的銻化銦霍爾元件輸出1輸出2輸入1輸入2磁性頂端引線襯底霍爾元件霍爾元件電路圖形符號：

1—1’激勵電極2—2’霍爾電極§6.2霍爾式傳感器1）.輸入電阻Ri和輸出電阻Ro

Ri

是指控制電流電極之間的電阻值，Ro指霍爾電壓電極間的電阻。Ri

和Ro

可以在無磁場時，用歐姆表等測量。Ri

Ro，（100~2000）。2).額定控制電流Ic使霍爾元件在空氣中產生10℃溫升的控制電流。（幾mA~幾十mA）。3).不等位電勢U0和不等位電阻R0霍爾元件在額定控制電流作用下，不加外磁場時其霍爾電壓電極間的電勢為不等位電勢（也稱為非平衡電壓或殘留電壓）。主要是由于兩電極不在同一等位面上以及材料電阻率不均勻等因素引起的。一般U0

10mV。不等位電勢和額定控制電流Ic之比為不等位電阻。R0=U0/Ic。4).靈敏度KH在單位磁感強度下，通以單位控制電流時所產生的開路霍爾電壓。3、霍爾元件的技術參數(shù)5).寄生直流電勢U0D在不加外磁場時，交流控制電流通過霍爾元件而在霍爾電壓電極間產生的直流電勢。主要是由于電極與霍爾基片間的非完全歐姆接觸所產生的整流效應造成的。6).霍爾電勢溫度系數(shù)

在一定的磁感應強度和控制電流下，溫度每變化℃時，霍爾電勢變化的百分率（％/℃）。7).電阻溫度系數(shù)β

為溫度每變化1℃時，霍爾元件電阻變化的百分（％/℃）。8).靈敏度溫度系數(shù)

為溫度每變化1℃時，霍爾元件靈敏度的變化率。9).線性度霍爾元件的線性度常用1kGs時相對于5kGs時霍爾電壓的最大差值的百分比表示。

霍爾元件在實際應用時，存在多種因素影響其測量精度，造成測量誤差的主要因素有兩類：一類是半導體固有特性；一類為半導體制造工藝的缺陷。其表現(xiàn)為零位誤差(不等位電勢誤差)和溫度誤差。

三、霍爾元件測量誤差和補償當霍爾元件通以激勵電流I時，若磁場B=0，理論上霍爾電勢UH=0，但實際UH≠0，這時測得的空載電勢稱不等位電勢U0。產生的原因：霍爾引出電極安裝不對稱，不在同一等位面上，或激勵電極接觸不良。半導體材料不均勻，幾何尺寸不均勻，造成電阻率不均勻。(1)不等位電勢

不等位電勢的補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。不等位電勢可表示為

U0=r0IH,

r0為不等位電阻霍爾元件是半導體元件，它的許多參數(shù)與溫度有關。當溫度變化時，載流子濃度n、遷移率μ、電阻率ρ，霍爾系數(shù)RH都會變化。(2)溫度誤差及補償靈敏度與溫度系數(shù)關系

恒流源補償：由UH=KHIB

可見，恒流源I

供電可使UH穩(wěn)定，但靈敏度系數(shù)KH=RH/d=ρμ/d

也是溫度的函數(shù)，溫度T變化時，靈敏度KH也變化。

恒流源補償方法:在霍爾元件上并聯(lián)一分流電阻RpIHRIN當TIPUH由于恒流源電流I不變，Rp自動增加分流，使Ip增大，IH

下降，UH下降；補償電阻Rp

可選擇負溫度系數(shù).IHRPTIPUHKH=RH/d=ρμ/d多數(shù)霍爾器件是正溫度系數(shù)，TKH

，可通過減小

I

保持

KH×I

不變，抵消溫度造成KH增加的影響。四、霍爾元件的應用電路

1.基本測量電路

控制電流I由電源E供給，電位器W調節(jié)控制電流I的大小?；魻栐敵鼋迂撦d電阻RL

，RL可以是放大器的輸入電阻或測量儀表的內阻。由于霍爾元件必須在磁場與控制電流作用下，才會產生霍爾電勢UH，所以在測量中，可以把I和B的乘積，或者I，或者B作為輸入信號，則霍爾元件的輸出電勢分別正比于IB或I或B。

基本電路UH＝KHIB

2.霍爾元件的驅動方式

霍爾元件的控制電流可以采用恒流驅動或恒壓驅動。（a）恒流驅動（b）恒壓驅動圖（a）為直流供電情況?？刂齐娏鞫瞬⒙?lián)，由W1、W2調節(jié)兩個元件的輸出霍爾電勢，A、B為輸出端，則它的輸出電勢為單片的兩倍。圖（b）為交流供電情況?？刂齐娏鞫舜?lián)，各元件輸出端接輸出變壓器B的初級繞組，變壓器的次級便有霍爾電勢信號疊加值輸出。（a）（b）3.霍爾元件的連接方式

除了霍爾元件基本電路形式之外，如果為了獲得較大的霍爾輸出電勢，可以采用幾片疊加的連接方式。4.霍爾電勢的輸出電路

霍爾元件是一種四端器件，本身不帶放大器?；魻栯妱菀话阍诤练考?，在實際使用時必須加差分放大器?；魻栐篌w分為線性測量和開關狀態(tài)兩種使用方式，因此，輸出電路有兩種結構。

（a）線性應用

（b）開關應用

當霍爾元件作線性測量時，最好選用靈敏度低一點、不等位電勢小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。

當霍爾元件作開關使用時，要選擇靈敏度高的霍爾器件。

集成霍爾傳感器：利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的霍爾傳感器，取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器由于減少了焊點，顯著地提高了可靠性，還具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，應用越來越廣泛。五、集成霍爾傳感器1、開關型集成霍爾傳感器霍爾開關電路開關型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經過處理后輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號?；魻栭_關電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級五部分組成。§6.2霍爾式傳感器§6.2霍爾式傳感器2、線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器：霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。輸出電壓與外加磁場成線性比例關系。

一般由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成。線性霍爾集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制。六、霍爾傳感器的應用利用霍爾傳感器的磁電轉換特性可以十分方便地測量磁場強度、電流等有關的物理量。

按被檢測的對象的性質可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它將許多非電、非磁的物理量，例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數(shù)、轉速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控制。

1.位移測量2.力（壓力）測量3.角度測量4.霍爾加速度傳感器5.霍爾電流傳感器6.霍爾功率傳感器7.霍爾計數(shù)裝置（接近開關）8.霍爾轉速傳感器9.液位控制對上式積分UH=Kx

霍爾電勢與位移量成線性關系，其輸出電勢的極性反映了位移方向。磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線性度越好。當x＝0時，則元件置于磁場中心位置，UH＝0。這種位移傳感器一般可測量1~2mm的微小位移，其特點是慣性小，響應速度快，無觸點測量。利用這一原理可以測量與之有關的非電量，如力、壓力、加速度、液位和壓差等。1．位移測量

在梯度磁場中放置一個霍爾元件。當控制電流I恒定不變時，霍爾電勢UH

與磁感應強度成正比；若磁場在一定范圍內沿x方向的變化梯度dB/dx為一常數(shù)，則當霍爾元件沿x方向移動時，霍爾電勢變化為

（位移傳感器的輸出靈敏度）霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半部磁場方向向下。從a端通人電流I，左和右半部產生霍爾電勢UH1和UH2，方向相反。因此，c、d兩端電勢為UH1-UH2。若霍爾元件在初始位置時UH1=UH2，則輸出為零。改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時，可得輸出電壓，大小正比于位移量。當力F作用在懸臂梁上時，梁將發(fā)生變形，霍爾器件將有與力成正比的電壓輸出，通過測試電壓即可測出力的大小。力與電壓輸出有一些非線性時，可采用電路或單片機軟件來補償。2.力(壓力)測量3.角度測量將霍爾器件置于永久磁鐵的磁場中，其輸出霍爾電勢UH為4.霍爾加速度傳感器霍爾式加速度傳感器上下方向的加速度成比例的慣性力梁發(fā)生彎曲變形自由端產生與加速度成比例的位移霍爾元件輸出與加速度成比例的霍爾電勢UH。5.霍爾電流傳感器（霍爾傳感器測電流）

霍爾傳感器廣泛用于測量電流，從而可以制成電流過載檢測器或過載保護裝置；在電機控制驅動中，作為電流反饋元件，構成電流反饋回路。鐵心II將被測電流的導線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當有電流通過導線時，在導線周圍將產生磁場，磁力線集中在鐵心內，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產生與電流成正比的霍爾電壓。線性霍爾IC下面以UGN3501M霍爾傳感器為例，闡明其測量電流的原理。標準軟磁材料圓環(huán)中心直徑為40mm，截面積為4×4mm2（方形），圓環(huán)上有一缺口，放入霍爾傳感器，圓環(huán)上繞有11匝線，并通過檢測電流。根據(jù)磁路理論，可以算出電流為50A時，可產生0.3T磁場強度。由于UGN3501M的靈敏度為14mV／mT，則在0~50A電流范圍內，其輸出電壓變化為0~4.2V。壓舌豁口霍爾鉗形電流表（交直流兩用）霍爾式電流諧波分析儀6.霍爾功率傳感器

利用UH=KHIB關系，如果I和B是兩個獨立變量，霍爾器件就是一個簡單實用的模擬乘法器；如果I和B分別與某一負載兩端的電壓和通過的電流有關，則霍爾器件便可用于負載功率測量。霍爾器件測電功率負載ZL所取電流i流過鐵芯線圈以產生交變磁感強度B，電源電壓U經過降壓電阻R得到的交流電流ic流過霍爾器件，則霍爾器件輸出電壓uH便與電功率P成正比，即還可以完成乘方、開方、到數(shù)、除法、開立方等功能。霍爾元件平方器

霍爾元件開方器

7.霍爾計數(shù)裝置（接近開關）UGN3501T具有較高的靈敏度，能感受到很小的磁場變化，因而可以檢測鐵磁物質的有無，利用這一特性可以制成計數(shù)裝置。從圖中還可以看出，霍爾元件也是一種接近開關?；魻柺浇咏_關當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關動作。霍爾接近開關一般還配一塊釹鐵硼磁鐵（永磁）。用開關型霍爾IC也能完成接近開關的功能，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的閉合磁場。在右圖中，當磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，經驅動電路使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。開關型霍爾IC軟鐵分流翼片霍爾式接近開關用于轉速測量霍爾式接近開關用于限位作用8.霍爾轉速傳感器1—轉軸2—轉盤3—磁鐵4—霍爾元件幾種霍爾轉速傳感器的結構在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪。永磁體安裝在軸端永磁體安裝在軸側SN線性霍爾磁鐵將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉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隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。圖（a），當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；圖（b），當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。（a）（b）帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質齒圈霍爾轉速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應用若汽車在剎車時車輪被抱死，將產生危險。用霍爾轉速傳感器來檢測車輪的轉動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器9.液位控制

在浮子上裝一塊小磁鋼，在兩液位極限位置上裝上霍爾開關集成電路。當液面升、降到極限位置時，霍爾開關集成電路便輸出信號用以控制電機的開、關，從而達到控制液位的目的。練習題1.霍爾效應是導體中的載流子在磁場中受

作用產生

的結果。2.半導體材料中的

比金屬的小得多，因而霍爾常數(shù)大，加上半導體中電子的

比空穴大，故霍爾元件多采用

材料制成。3.減少霍爾元件溫度誤差的電路措施有：(1)采用

提供控制電流；(2)合理選擇

。(3)

。4.霍爾元件使用時

電極和

電極不能接反，霍爾電勢UH=

。5.可以減小霍爾元件的輸出不等位電勢的辦法是①工藝上保證電極對稱，實現(xiàn)歐姆接觸；②

。6.霍爾式傳感器基本包括兩部分：一部分是彈性元件，將感受的非電量轉換成

，另一部分是霍爾元件和

。7.制造霍爾元件的半導體材料中，目前用的較多的是鍺、銻化銦、砷化銦，其原因是（）A.

半導體中電子遷移率比空穴高B.

半導體材料的電子遷移率比較大C.

半導體較適宜制造靈敏度較高的霍爾元件D.半導體載流子濃度比金屬的大8.霍爾效應中，霍爾電動勢與（）A.靈敏度成反比B.靈敏度成正比C.霍爾元件的厚度成反比D.霍爾元件的厚度成正比9.霍爾效應中，霍爾電動勢與（）A.激磁電流成正比B.激磁電流成反比C.磁感應強度成正比D.磁感應強度成反比10.下列不屬于霍爾元件基本特性參數(shù)的是（）。A.不等位電勢B.不等位電阻C.寄生直流電動勢D.零點殘余電壓11.霍爾元件不等位電勢產生的主要原因不包括（）A．霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位上B．半導體材料不均勻造成電阻率不均勻或幾何尺寸不均勻C．周圍環(huán)境溫度變化D．激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分配

磁敏元件也是基于磁電轉換原理,60年代西門子公司研制了第一個磁敏元件,1968年索尼公司研制成磁敏二極管,目前磁敏元件應用廣泛。磁敏傳感器主要有：磁敏電阻；§6.3磁敏元件磁敏元件磁敏晶體管。磁敏二極管磁敏三極管磁阻效應：當載流體置于磁場中，其電阻會隨磁場而變化的現(xiàn)象。當溫度恒定時，在磁場中磁阻與磁感應強度B的平方成正比。若器件只有在電子參與導電的情況下，理論推導出來的磁阻效應方程為一、磁敏電阻元件§6.3磁敏元件1、磁阻效應遷移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半導體材料）磁阻效應越明顯。從微觀上講，材料的電阻率增加是因為電流的流動路徑因磁場的作用而加長所致。長方形樣品扁條狀長形圓盤樣品磁阻效應除與材料有關外，還與磁敏電阻的形狀有關。（幾何磁阻效應）在恒定磁感應強度下，磁敏電阻的長度與寬度的比越小，電阻率的相對變化越大。2、磁敏電阻結構長方形樣品：霍爾電場作用FH小,電阻變化很小。扁條狀長形：霍爾電勢EH很小,電流磁場作用偏轉厲害，效應明顯。圓盤樣品：外加磁場時，電流以螺旋形路徑指向外電極，路徑增大電阻增加。在圓盤中任何地方都不會積累電荷也不會產生霍爾電場。為了消除霍爾電場影響獲得大的磁阻效應,

一般將磁敏電阻制成圓形或扁條長方形。磁敏電阻的結構等效電路磁敏電阻與霍爾元件屬同一類,都是磁電轉換元件,二者本質不同是磁敏電阻沒有判斷極性的能力,只有與輔助材料(磁鐵)并用才具有識別磁極的能力.（3）磁敏電阻的輸出特性RM磁敏電阻電路符號RM無偏置磁場時只能檢測磁場不能判別磁性。輸出弱磁場時磁阻與磁場關系為：

R=R0（1+MB2）

R0——為零磁場內阻；

M——為零磁場系數(shù)；外加偏置磁場時磁阻具有極性，相當于在檢測磁場外加了偏置磁場，工作點移到線性區(qū)，磁極性也作為電阻值變化表現(xiàn)出來，這時電阻值的變化為：

R=RB（1+MB）

RB——為加偏置磁場電阻這種傳感器主要用于識別磁性墨水的圖形和文字，在自動測量技術中檢測微小磁信號，如錄音機、錄像機的磁帶、磁盤；防偽紙幣、票據(jù)、信用（磁）卡上用的磁性油墨等?？蓽y磁性齒輪，磁性墨水，磁性條形碼，磁帶，識別有機磁性（自動售貨機）。(4)磁敏電阻的應用銻化銦(InSb)磁阻傳感器在磁性油墨鑒偽點鈔機中的應用

利用銻化銦（InSb）磁阻傳感器進行弱磁信號的檢測，已取得了成功，例如在磁性油墨鑒偽點鈔機中的應用。在該元件的磁敏表面上垂直施加磁通量時，則可使其電阻發(fā)生變化。將兩只磁敏電阻RM1、RM2串聯(lián)，施加一定的UE

和特定磁場B；當外磁場接近兩個磁阻元件之一時，在該元件上產生磁通增量

，使輸出電壓發(fā)生變化。MRS型系列磁敏電阻傳感器驗鈔筆、驗鈔儀順著紙幣上的磁性防偽線掃描1.磁敏二極管（SMD）結構磁敏二極管在P，N之間有一個較長（載流子擴散長度的5倍以上）的本征區(qū)I，本征區(qū)I的一面磨成光滑的復合表面（為I區(qū)），另一面用噴砂法打毛，形成高復合區(qū)（為r區(qū)），其目的是因為電子－空穴對易于在粗糙表面復合而消失。當通以正向電流后就會在P+–I–N+結之間形成電流。由此可知，磁敏二極管是PIN型的。。二、磁敏二極管2.磁敏二極管的工作原理

當磁敏二極管未受到外界磁場作用時，外加正偏壓，如圖（b）所示，則有大量的空穴從P區(qū)通過I區(qū)進入N區(qū)，同時應有大量電子注入P區(qū)，形成電流。只有少量電子和空穴在I區(qū)和r區(qū)復合掉。當磁敏二極管受到外界磁場B+（正向磁場）作用時，如圖（c）所示，則電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向r區(qū)偏轉，由于r區(qū)的電子和空穴復合速度比光滑面I區(qū)快，因此，形成的電流因復合速度快而減小。

當磁敏二極管受到外界磁場B－（反向磁場）作用時，如圖（d）所示，電子、空穴受到洛侖茲力作用而向I區(qū)偏移，由于電子、空穴復合率明顯變小，