第05章磁電式傳感器教學(xué)教案

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)生與磁通變化速率成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)?，F(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(ài)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bdVHIlBvF′F－＋＋－稱為霍爾系數(shù)，它是由基片材料的物理性質(zhì)決定常數(shù)；靈敏度系數(shù)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)的霍爾電勢(shì)大小。當(dāng)磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾片平面法線成角度θ時(shí),霍爾電勢(shì)為：第五章磁電式傳感器設(shè)為N型半導(dǎo)體，載流子為電子?；魻栐榛c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IH

使霍爾片溫升10℃所施加的控制電流值。（限制額定激勵(lì)電流的主要因素是散熱條件）2、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：—零位電阻產(chǎn)生不等位電勢(shì)的原因主要是：①霍爾電極安裝位置不正確（不對(duì)稱或不在同一等電位面上）；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控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布等。（均是制造工藝造成的）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(lái)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(shuō)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?；魻柶男阅軈?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(lái)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。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(kāi)路狀態(tài)工作時(shí)，可在輸入回路串入適當(dāng)電阻來(lái)補(bǔ)償溫度誤差。第五章磁電式傳感器四、霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器

霍爾開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)始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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)動(dòng)作。工作原理：霍爾開(kāi)關(guān)傳感器的用途：霍爾開(kāi)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(kāi)關(guān)、按鈕開(kāi)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(kāi)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－＋×穩(wěn)壓VCC輸出地341霍爾元件放大8單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)雙端輸出的電路結(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(guò)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?；魻栐ぷ鲝闹绷鞯綌?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(wú)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。霍爾式轉(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(guò)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(kāi)，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(guò)霍爾元件檢測(cè)通電導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)來(lái)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(guò)去，多采用電阻器分流的方法來(lái)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(wú)關(guān)，便于遠(yuǎn)距離測(cè)量，測(cè)量時(shí)不需要斷開(kāi)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^(guò)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(guò)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、霍爾元件在磁性材料研究上的應(yīng)用被測(cè)磁性物質(zhì)交流信號(hào)源霍爾元件示波器電流表磁化繞組

在磁性材料特性研究中，往往需要復(fù)雜的過(guò)程才能得到B-H曲線或磁場(chǎng)分布圖。因?yàn)榛魻栯妷和F芯磁化繞組的電流的關(guān)系VH=f(IM）同樣反映了磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系B=f(H)，所以可以直接用示波器來(lái)觀察這個(gè)關(guān)系。第五章磁電式傳感器5、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(lái)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(jiàn)，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五章磁電式傳感器6、霍爾壓力傳感器

霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成，如圖所示。(a)的彈性元件為膜盒，(b)為彈簧片，(c)為波紋管。磁系統(tǒng)最好用在能構(gòu)成均勻梯度磁場(chǎng)的復(fù)合系統(tǒng)，如圖中的(a)、(b)，也可采用單一磁體，如(c)。加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對(duì)位移，改變作用到霍爾元件上的磁場(chǎng)，從而改變它的輸出電壓VH。由事先校準(zhǔn)的p～f(VH)曲線即可得到被測(cè)壓力p的值。

霍爾壓力傳感器的構(gòu)成原理檢測(cè)齒輪的速度、齒形、齒數(shù)7、齒輪檢測(cè)37汽車防抱死（ABS）系統(tǒng)－霍爾傳感器8、ABS利用霍爾元件測(cè)地磁場(chǎng)，用于尋北、空間姿態(tài)等。9、霍爾電子羅盤第五章磁電式傳感器特點(diǎn)：磁柵價(jià)格低于光柵，且錄磁方便、易于安裝，測(cè)量范圍寬可超過(guò)十幾米，抗干擾能力強(qiáng)。類型：磁柵可分為長(zhǎng)磁柵和圓磁柵。長(zhǎng)磁柵主要用于直線位移測(cè)量，圓磁柵主要用于角位移測(cè)量。組成：磁柵傳感器主要由磁尺、磁頭和信號(hào)處理電路組成?！?-2磁柵傳感器簡(jiǎn)介磁柵的外形及結(jié)構(gòu)磁尺靜態(tài)磁頭去信號(hào)處理電路固定孔第五章磁電式傳感器磁頭與磁尺相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的輸出波形演示第五章磁電式傳感器鑒相型磁柵數(shù)顯表的原理框圖

磁尺與磁頭接觸，使用壽命不如光柵，數(shù)年后易退磁。設(shè)置兩個(gè)磁頭的意義何在？第五章磁電式傳感器磁柵測(cè)量系統(tǒng)壓板磁頭磁尺第五章磁電式傳感器磁柵在磨床測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用磁尺磁頭安裝在何處？第五章磁電式傳感器§5-3磁電感應(yīng)式傳感器

磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、速度等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器，也稱為電磁感應(yīng)傳感器。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)N匝線圈在恒定磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為，則線圈內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可見(jiàn)，線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，跟線圈的匝數(shù)和穿過(guò)線圈的磁通變化率有關(guān)。一般情況下，匝數(shù)是確定的；而磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，故只要改變其中一個(gè)參數(shù)，都會(huì)改變線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

5.3.1動(dòng)圈式磁電傳感器動(dòng)圈式磁電傳感器又可分為線速度型與角速度型。下圖表示線速度型傳感器工作原理。

在永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)內(nèi)，放置一個(gè)可動(dòng)線圈，當(dāng)線圈沿磁場(chǎng)方向做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈相對(duì)于磁場(chǎng)的的運(yùn)動(dòng)速度為v，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：式中：—磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；

—單匝線圈的有效長(zhǎng)度；

—線圈工作匝數(shù)；

—線圈相對(duì)于磁場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)速度。

式（5－2）表明，當(dāng)、和恒定不變時(shí)，便可以根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小計(jì)算出被測(cè)線速度的大小。

下圖表示出了角速度型傳感器的工作原理，線圈在磁場(chǎng)中以角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

式中：—角速度；