磁電式傳感器第九章ppt課件

1、第九章第九章 磁電式傳感器磁電式傳感器 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 9.1 9.1 磁電感應式傳感磁電感應式傳感器器 9.2 9.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 9.3 9.3 磁敏傳感器磁敏傳感器 概述概述 磁電式傳感器機械能機械能電電 量量 電感式傳感器是把電感式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換成電感量被測量轉(zhuǎn)換成電感量的變化，磁電式傳感的變化，磁電式傳感器通過檢測磁場的變器通過檢測磁場的變化測量被測量?；瘻y量被測量。磁電傳感器磁電傳感器deNd t0eBlN 由由 磁電式傳感器靈敏度：磁電式傳感器靈敏度：0eN BlvSv 0SN Bl 根據(jù)以上原理有兩種磁電感應式傳感器：根據(jù)以上原理有兩種磁電感應式傳感器

2、： 恒磁通式：磁路系統(tǒng)恒定磁場，運動部件可以是線恒磁通式：磁路系統(tǒng)恒定磁場，運動部件可以是線圈也可以是磁鐵。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。阻、磁通變化。 圖為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，圖為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動， 測量齒輪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，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， 齒齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，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)線圈中產(chǎn)生感應電勢，其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測

3、量齒輪上齒數(shù)的乘生感應電勢，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而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。裝齒輪較危險而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。 圖為閉磁路變磁通式傳感器，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和圖為閉磁路變磁通式傳感器，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。外齒輪、永久磁鐵和感應線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。 當轉(zhuǎn)當轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時，外齒輪不動，內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動，軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時，外齒輪不動，內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動，內(nèi)、外齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙

4、磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起內(nèi)、外齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應電動勢。磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應電動勢。 顯然，顯然， 感應電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。感應電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。 9.1.2 9.1.2 磁電感應式傳感器基本特性磁電感應式傳感器基本特性當測量電路接入磁電傳感器電路時，如下當測量電路接入磁電傳感器電路時，如下圖，磁電傳感器的輸出電流圖，磁電傳感器的輸出電流IoIo為為 fofoRRlWvBRREI傳感器的電流靈敏度為傳感器的電流靈敏度為 fooIRRlWBvIS當傳感器的工作溫度發(fā)生變化或

5、受到外界磁場干擾、受到機械當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，其相對誤差為相對誤差為 fIIRRdRldlBdBSdS（9-19-1） 1. 非線性誤差非線性誤差 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)有電流圈內(nèi)有電流I流過時，將產(chǎn)生一定的交變磁通流過時，將產(chǎn)生一定的交變磁通I，此交變磁通疊，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加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通

6、變化, 如如下圖。當傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場的運動速度增大時，將下圖。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(chǎn)生較大的感應電勢產(chǎn)生較大的感應電勢e和較大的電流和較大的電流I，由此而產(chǎn)生的附加磁場方，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，向與原工作磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用， 從而使得從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。當線圈的運動速度傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。當線圈的運動速度與圖所示方向相反時，感應電勢與圖所示方向相反時，感應電勢e、線圈感應電流反向，所產(chǎn)生、線圈感應電流反向，所產(chǎn)生的附加磁場方向與工作磁場同向，從

7、而增大了傳感器的靈敏度。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)果是線圈運動速度方向不同時，傳感器的靈敏度具有不同的其結(jié)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，使傳感器輸出基波能量降低，諧波能量增加數(shù)值，使傳感器輸出基波能量降低，諧波能量增加, 即這種非線即這種非線性特性同時伴隨著傳感器輸出的諧波失真。性特性同時伴隨著傳感器輸出的諧波失真。 顯然，傳感器靈敏顯然，傳感器靈敏度越高，線圈中電流越大，這種非線性越嚴重。度越高，線圈中電流越大，這種非線性越嚴重。 傳感器電流的磁場效應傳感器電流的磁場效應 2. 溫度誤差溫度誤差 當溫度變化時，式當溫度變化時，式

8、9-1中右邊三項都不為零，對銅線而中右邊三項都不為零，對銅線而言每攝氏度變化量為言每攝氏度變化量為dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-2，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，磁合金，dB/B-0.0210-2，這樣由式，這樣由式9-1可得近似值如下：可得近似值如下： Ct10%5 . 4這一數(shù)值是很可觀的，所以需要進行溫度補償。補償通常采用這一數(shù)值是很可觀的，所以需要進行溫度補償。補償通常采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負溫度系數(shù)的特殊磁性材熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負溫度系數(shù)的特

9、殊磁性材料做成。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。它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分。 當溫度升高時，當溫度升高時， 熱磁分流器的磁導率顯著下降，經(jīng)它分流掉的熱磁分流器的磁導率顯著下降，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)。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)。 磁電感應式傳感磁電感應式傳感器通常用來做機器通常用來做機械振動測量。振械振動測量。振動傳感器結(jié)構(gòu)大動傳感器結(jié)構(gòu)大體分兩種：體分兩種： 動鋼型線動鋼型線圈

10、與殼體固定）圈與殼體固定） 動圈型永動圈型永久磁鐵與殼固定）久磁鐵與殼固定）動圈型動圈型動鋼型動鋼型n 信號輸出測量電路信號輸出測量電路 n 直接輸出電動勢測量速度；直接輸出電動勢測量速度； n 接入積分電路測量位移；接入積分電路測量位移； n 接入微分電路測量加速度。接入微分電路測量加速度。 esvxvtdvadtv 磁電式扭距傳感器：磁電式扭距傳感器： v 當扭距作用在轉(zhuǎn)軸上時，兩個磁電傳當扭距作用在轉(zhuǎn)軸上時，兩個磁電傳感器輸出的感應電壓感器輸出的感應電壓u1u1、u2u2存在相位差，存在相位差，相差與扭距的扭轉(zhuǎn)角成正比，傳感器可以相差與扭距的扭轉(zhuǎn)角成正比，傳感器可以將扭距引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換

11、成相位差的電信將扭距引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號。號。轉(zhuǎn)軸測量電路測量電路磁電傳感器磁電傳感器1 1磁電傳感器磁電傳感器2 2齒型轉(zhuǎn)盤齒型轉(zhuǎn)盤u1u1u2u2u u 磁電式振動傳感器的特點：磁電式振動傳感器的特點： 磁電式振動傳感器是慣性式傳感器，不需要靜止磁電式振動傳感器是慣性式傳感器，不需要靜止的基準參考，可直接裝在被測體上。的基準參考，可直接裝在被測體上。 傳感器是發(fā)電型傳感器，工作時可不加電壓，直傳感器是發(fā)電型傳感器，工作時可不加電壓，直接將機械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。接將機械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。 速度傳感器的輸出電壓正比于速度信號，便于直速度傳感器的輸出電壓正比于速度信號，便于直接放大。

12、接放大。 輸出阻抗低幾十幾千歐，對后置電路要求低，輸出阻抗低幾十幾千歐，對后置電路要求低，干擾小。干擾小。 航空，發(fā)動機等設備的振動實驗；航空，發(fā)動機等設備的振動實驗； 兵器，坦克、火炮發(fā)射的振動持續(xù)時間影響第二次兵器，坦克、火炮發(fā)射的振動持續(xù)時間影響第二次發(fā)射；發(fā)射； 民用，機床、車輛、建筑、橋梁、大壩振動監(jiān)測。民用，機床、車輛、建筑、橋梁、大壩振動監(jiān)測。9.2 9.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 實際應用中磁敏元件主要用于檢測磁場，而與人們相關的磁場范圍很寬，一般的磁敏傳感器檢測的最低磁場只能到 高斯。 磁場強度與磁場源的分布磁場強度與磁場源的分布610測磁的方法：測磁的方法： 利用電磁感應

13、作用的傳感器強磁場如：利用電磁感應作用的傳感器強磁場如： 磁頭、機電設備、測轉(zhuǎn)速、磁性標定、差磁頭、機電設備、測轉(zhuǎn)速、磁性標定、差動變壓器；動變壓器； 利用磁敏電阻、磁敏二極管、霍爾元件測利用磁敏電阻、磁敏二極管、霍爾元件測量磁場；量磁場； 利用磁作用傳感器，磁針、表頭、繼電器；利用磁作用傳感器，磁針、表頭、繼電器； 利用超導效應傳感器；利用超導效應傳感器； 利用核磁共振的傳感器，有光激型、質(zhì)子利用核磁共振的傳感器，有光激型、質(zhì)子型。型。 隨著半導體技術的發(fā)展，磁敏傳感器正向薄隨著半導體技術的發(fā)展，磁敏傳感器正向薄膜化，微型化和集成化方向發(fā)展。膜化，微型化和集成化方向發(fā)展。概述概述磁敏傳感器磁

14、學量磁學量電信號電信號18781878年美國物理學家霍爾首先發(fā)現(xiàn)金屬中的霍爾效年美國物理學家霍爾首先發(fā)現(xiàn)金屬中的霍爾效應，因為太弱沒有得到應用。隨著半導體技術的發(fā)展，應，因為太弱沒有得到應用。隨著半導體技術的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)半導體材料的霍爾效應非常明顯，并且體積人們發(fā)現(xiàn)半導體材料的霍爾效應非常明顯，并且體積小有利于集成化?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃?。小有利于集成化?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃０岩粋€導體半導體薄片兩端通以電流把一個導體半導體薄片兩端通以電流I I，在垂，在垂直方向施加磁感強度直方向施加磁感強度B B的磁場，在薄片的另外兩側(cè)會的磁場，在薄片的另外兩側(cè)會產(chǎn)生一個與控制電流產(chǎn)生一個與控制電

15、流I I和磁場強度和磁場強度B B的乘積成比例的電的乘積成比例的電動勢動勢 。 或通電的導體半導體放在磁場中，電流或通電的導體半導體放在磁場中，電流I I與磁與磁場場B B方向垂直，在導體另外兩側(cè)會產(chǎn)生感應電動勢，方向垂直，在導體另外兩側(cè)會產(chǎn)生感應電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應。這種現(xiàn)象稱霍爾效應。 HU霍霍爾爾效效應應演演示示 當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，發(fā)生偏移，在半當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，發(fā)生偏移，在半導體第二垂直方向端面之間建立起霍爾電勢。導體第二垂直方向端面之間建立起霍爾電勢。在磁場作用下導體中的自由電子做定向運動。在磁場作用下導體中的自由電子做定向運

16、動。 每個電子受洛侖茲力作用被推向?qū)w的另一每個電子受洛侖茲力作用被推向?qū)w的另一側(cè)：側(cè)： LFq B霍爾電場作用于電子的力霍爾電場作用于電子的力HHFqE霍爾電場霍爾電場HHUEb當兩作用力相等時電荷不再當兩作用力相等時電荷不再 向兩邊積累達到動態(tài)平衡：向兩邊積累達到動態(tài)平衡：HLFFHqEq B霍爾電勢：霍爾電勢：HUvBb通過半導體薄片的電流通過半導體薄片的電流I I與下列因素有關：與下列因素有關： 載流子濃度載流子濃度n n，電子運動速度，電子運動速度v v，導體薄片橫截面積，導體薄片橫截面積 b b* *d d， q q 為電子電荷量。為電子電荷量。Inq bd 代入后：代入后：HH

17、HIBIBUBbRKIBnqdd 1HRnq 與材料有關與材料有關霍爾常數(shù)霍爾常數(shù)霍爾電勢與電霍爾電勢與電流和磁場強度流和磁場強度的乘積成正比的乘積成正比HHRKd與薄片尺寸有關與薄片尺寸有關霍爾靈敏霍爾靈敏度度式中：式中：電阻率、電阻率、nn電子濃度電子濃度 電子遷移率電子遷移率=/E =/E 單位電場強度作用下載流子運動速度。單位電場強度作用下載流子運動速度。磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢 若磁感應強度若磁感應強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度線成某一角度 時，實際上作用于霍爾元件上的有效時，實際上作用于霍爾元件

18、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磁感應強度是其法線方向與薄片垂直的方向的分量，即量，即Bcos，這時的霍爾電勢為，這時的霍爾電勢為 UH=KHIBcos 結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I I、磁感應強度、磁感應強度B B成正成正比，且當比，且當B B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。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。的交變電勢。 HHRKd1HRnq HHUKIB討論：討論： 任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生

19、霍爾電勢，但不是都可不是都可 以制造霍爾元件以制造霍爾元件; ; 絕緣材料電阻率絕緣材料電阻率很大，電子遷移率很大，電子遷移率很小，很小，不適用；不適用； 金屬材料電子濃度金屬材料電子濃度n n很高，很高，RHRH很小，很小，UHUH很小很小; ; 半導體材料電阻率半導體材料電阻率較大較大 RHRH大，非常適于做霍大，非常適于做霍爾元件，半導體中電子遷移率一般大于空穴的遷爾元件，半導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移率，所以霍爾元件多采用 N N 型半導體多電型半導體多電子）子）; ; 由上式可見，厚度由上式可見，厚度d d越小，霍爾靈敏度越小，霍爾靈敏度 KH KH 越

20、大，越大， 所以霍爾元件做的較薄，通常近似所以霍爾元件做的較薄，通常近似1 1微米微米(d1m) (d1m) 。9.2.2 9.2.2 霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)與基本測量電霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)與基本測量電路路1. 1. 霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件基本結(jié)構(gòu) 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，它是由霍爾片、四根引線和殼體組霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，它是由霍爾片、四根引線和殼體組成的，成的， 如圖如圖a a所示。所示。 霍爾片是一塊矩形半導體單晶薄片，霍爾片是一塊矩形半導體單晶薄片， 引出四根引線：引出四根引線： 1 1、 11兩根引線加激勵電壓或電流，稱激勵電兩根引線加激勵電壓或電流，稱激勵電極控制電極）；極控制電極）；

21、2 2、 22引線為霍爾輸出引線，引線為霍爾輸出引線， 稱霍爾電極。稱霍爾電極。 霍爾元件的殼體是用非導磁金屬、霍爾元件的殼體是用非導磁金屬、 陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。 在在電路中，電路中， 霍爾元件一般可用兩種符號表示，霍爾元件一般可用兩種符號表示， 如圖如圖b b所示。所示。 國產(chǎn)霍爾元件別號的命名方法如下：國產(chǎn)霍爾元件別號的命名方法如下：常見的國產(chǎn)霍爾元件型號有常見的國產(chǎn)霍爾元件型號有HZ1HZ1、HZ2HZ2、HZ3HZ3、HT1HT1、HT2HT2、HS1HS1等。等。 霍爾晶體的外形為矩形薄片有四根引線，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

22、出，兩端加激勵，兩端為輸出，RLRL為負載電為負載電阻阻 ； 電源電源E E通過通過R R控制激勵電流控制激勵電流I I； B B 磁場與元件面垂直向里）磁場與元件面垂直向里） 實測中可把實測中可把I I* *B B作輸入，作輸入， 也可把也可把I I或或B B單獨做輸入；單獨做輸入； 通過霍爾電勢輸出測量結(jié)果。通過霍爾電勢輸出測量結(jié)果。 輸出輸出UoUo與與I I或或B B成正比關系，或與成正比關系，或與I I* *B B成正比成正比關系。關系。 霍爾元件的轉(zhuǎn)換效率較低，實際應用中，為了獲得霍爾元件的轉(zhuǎn)換效率較低，實際應用中，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，較大的霍爾

23、電壓，可將幾個霍爾元件的輸出串聯(lián)起來，如下圖，在這種連接方法中，激勵電流極應該是并聯(lián)如下圖，在這種連接方法中，激勵電流極應該是并聯(lián)的，如果將其接成串聯(lián)，霍爾元件將不能正常工作，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。阻也將增大。9.2.3 9.2.3 霍爾元件的主要技術參數(shù)霍爾元件的主要技術參數(shù)(1) (1) 額定激勵電流和最大允許激勵電流額定激勵電流和最大允許激勵電流 當霍爾元件自身溫升當霍爾元件自身溫升1010時所流過的激勵時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。電流稱為額定激勵電流。

24、 以元件允許最大溫升為以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而線性增加，所以使因霍爾電勢隨激勵電流增加而線性增加，所以使用中希望選用盡可能大的激勵電流，因而需要知用中希望選用盡可能大的激勵電流，因而需要知道元件的最大允許激勵電流。改善霍爾元件的散道元件的最大允許激勵電流。改善霍爾元件的散熱條件，可以使激勵電流增加。熱條件，可以使激勵電流增加。 (2） 輸入電阻和輸出電阻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于一個電壓

25、源，其電源內(nèi)出電勢對電路外部來說相當于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。阻即為輸出電阻。 以上電阻值是在磁感應強度為零，以上電阻值是在磁感應強度為零，且環(huán)境溫度在且環(huán)境溫度在205時所確定的。時所確定的。 (3） 不等位電勢和不等位電阻不等位電勢和不等位電阻 當霍爾元件的激勵電流為當霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁時，若元件所處位置磁感應強度為零，感應強度為零， 則它的霍爾電勢應該為零，但實際不則它的霍爾電勢應該為零，但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢。為零。這時測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢。 產(chǎn)產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有：生這一現(xiàn)象的原因有： 霍爾電極安裝位置不對稱

26、或不在同一等電位面霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；上； 半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；幾何尺寸不均勻； 激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。 (4） 寄生直流電勢寄生直流電勢 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，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。稱為寄生直流電勢。 其產(chǎn)生的原因有：其產(chǎn)生的原因有： 激勵電極與霍爾電極接觸不良，激勵電極與霍爾電極接觸不良

27、， 形成非歐姆接形成非歐姆接觸，觸， 造成整流效果；造成整流效果； 兩個霍爾電極大小不對稱，則兩個電極點的熱兩個霍爾電極大小不對稱，則兩個電極點的熱容不同，容不同， 散熱狀態(tài)不同而形成極間溫差電勢。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寄生直流電勢一般在1mV以下，它是影響霍爾片以下，它是影響霍爾片溫漂的原因之一。溫漂的原因之一。 9.2.4 9.2.4 測量誤差及誤差的補償測量誤差及誤差的補償 1. 霍爾元件不等位電勢補償霍爾元件不等位電勢補償 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，霍爾電勢， 而實用中要消

28、除不等位電勢是極其困難的，因而必而實用中要消除不等位電勢是極其困難的，因而必須采用補償?shù)姆椒?。分析不等位電勢時，可以把霍爾元件等效須采用補償?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，為一個電橋， 用分析電橋平衡來補償不等位電勢。用分析電橋平衡來補償不等位電勢。 不等位電勢的補償：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相當于橋路初始有不平衡輸出U00U00，可在電阻大的橋臂上并，可在電阻大的橋臂上并聯(lián)電阻。聯(lián)電阻。2.2.溫度補償溫度補償 霍爾元件是采用半導體材料制成

29、的，因此它們的霍爾元件是采用半導體材料制成的，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當溫度變化時，霍許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當溫度變化時，霍爾元件的載流子濃度、爾元件的載流子濃度、 遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都遷移率、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。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，為了減小霍爾元件的溫度誤差， 除選用溫度系數(shù)除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外，由小的元件或采用恒溫措施外，由UH=KHIBUH=KHIB可看出：采用可看出：采用恒流源供電是個有效措施，可以使霍爾電勢穩(wěn)定。但恒流源供電是個有效措施，可以使霍爾電

30、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電流I I的變化的影響。的變化的影響。 霍爾元件的靈敏系數(shù)霍爾元件的靈敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，它隨溫也是溫度的函數(shù)，它隨溫度變化將引起霍爾電勢的變化。霍爾元件的靈敏度系度變化將引起霍爾電勢的變化?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的關系可寫成數(shù)與溫度的關系可寫成 KH=KH0(1+T) 大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)是正值，它們的霍是正值，它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加爾電勢隨溫度升高而增加TT倍。倍。 但如果同時讓激但如果同時讓激勵電流勵電流IsIs相應地減小，相應地減小，

31、并能保持并能保持KH Is KH Is 乘積不變，乘積不變，也就抵消了靈敏系數(shù)也就抵消了靈敏系數(shù)KHKH增加的影響。增加的影響。 電路中電路中IsIs為恒流源，分流電阻為恒流源，分流電阻RpRp與霍爾元件的與霍爾元件的激勵電極相并聯(lián)。當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升激勵電極相并聯(lián)。當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻高而增加時，旁路分流電阻RpRp自動地增大分流，減自動地增大分流，減小了霍爾元件的激勵電流小了霍爾元件的激勵電流IHIH，從而達到補償?shù)哪康?。，從而達到補償?shù)哪康摹?霍爾集成電路可分為線性型和開關型兩大類?；魻柤呻娐房煞譃榫€性型和開關型兩大類。 線性型集成電路是將霍爾

32、元件和恒流源、線性差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接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如如UGN3501UGN3501等。等。 線性型三端線性型三端 霍爾集成電路霍爾集成電路9.2.5 9.2.5 霍爾集成傳感器霍爾集成傳感器線性型霍爾特性線性型霍爾特性 右圖示出了具有雙右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性端差動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲霍爾器件的輸出特性曲線。當磁場為零時，它線。當磁場為零時，它的輸出電壓等于零；當?shù)妮敵鲭妷旱?/p>

33、于零；當感受的磁場為正向磁感受的磁場為正向磁鋼的鋼的S S極對準霍爾器件極對準霍爾器件的正面時，的正面時， 輸出為輸出為正；磁場反向時，輸出正；磁場反向時，輸出為負。為負。 請畫出線性范圍請畫出線性范圍開關型霍爾集成電路開關型霍爾集成電路 開關型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)開關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、壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門集門集電極開路輸出門等電路做在同一個芯片上。電極開路輸出門等電路做在同一個芯片上。當外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，當外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，OC門門由高阻態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；由高阻態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)，輸出變?yōu)?/p>

34、低電平；當外加磁場強度低于釋放點時，當外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關型霍為高阻態(tài)，輸出高電平。較典型的開關型霍爾器件如爾器件如UGN3020等。等。開關型霍爾集成電路開關型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路的外形及內(nèi)部電路OCOC門門 施密特施密特 觸發(fā)電路觸發(fā)電路 雙端輸入、雙端輸入、 單端輸出運放單端輸出運放霍爾霍爾 元件元件. .VccVcc開關型霍爾集成電路的史密特輸出特性開關型霍爾集成電路的史密特輸出特性 回差越回差越大，抗振動大，抗振動干擾能力就干擾能力就越強。越強。9.2.6 9.2.6 霍爾傳感器的應用霍爾傳感器的應用 霍爾電勢是關于

35、霍爾電勢是關于I、B、 三個變?nèi)齻€變量的函數(shù)，即量的函數(shù)，即 EH=KHIBcos 。利用。利用這個關系可以使其中兩個量不變，將這個關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。得霍爾傳感器有許多用途?；魻杺鞲衅饔糜跍y量磁場強度霍爾傳感器用于測量磁場強度 霍爾元件霍爾元件測量鐵心測量鐵心 氣隙的氣隙的B值值霍爾轉(zhuǎn)速表霍爾轉(zhuǎn)速表 在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及

36、磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路齒輪，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。號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。霍爾轉(zhuǎn)速表原理霍爾轉(zhuǎn)速表原理 當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，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，當齒輪放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。的空擋對準霍爾元件時，輸出為低

37、電平?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置ABS中的應用中的應用 若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)危險。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。動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微帶有微型磁鐵型磁鐵的霍爾的霍爾傳感器傳感器鋼質(zhì)鋼質(zhì)霍爾霍爾霍爾式無觸點汽車電子點火裝置霍爾式無觸點汽車電子點火裝置 采用霍爾式無采用霍爾式無觸點電子點火裝置觸點電子點火裝置能較好地克服汽車能較好地克服汽車合金觸點點火時間合金觸點點火時間不準確、觸點易燒不準確、觸點易燒壞、高速時動力不壞、高速時動力不足等缺點

38、。足等缺點。 汽車點火線圈汽車點火線圈高壓輸出高壓輸出接頭接頭12V低壓電源低壓電源輸入接頭輸入接頭霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理 采用霍爾式無觸點電子點火裝置無磨損、點采用霍爾式無觸點電子點火裝置無磨損、點火時間準確、高速時動力足?；饡r間準確、高速時動力足。桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖 1-1-觸發(fā)器葉片觸發(fā)器葉片 2-2-槽口槽口 3-3-分電器轉(zhuǎn)軸分電器轉(zhuǎn)軸 4-4-永久磁鐵永久磁鐵 5-5-霍爾集成電路霍爾集成電路PNPPNP型霍爾型霍爾ICIC） a a帶缺口的觸發(fā)器葉片帶缺口的觸發(fā)器葉片 b b觸發(fā)器葉片與永久磁

39、鐵及霍爾集觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關系成電路之間的安裝關系 c c葉片位置與點火正時的關系葉片位置與點火正時的關系 霍爾式無觸點汽車電子點火裝置霍爾式無觸點汽車電子點火裝置(續(xù)）續(xù)） 當葉片遮擋在霍爾當葉片遮擋在霍爾ICIC面前時，面前時，PNPPNP型霍爾型霍爾ICIC的輸出為低電平，晶體管功率開關處于導通的輸出為低電平，晶體管功率開關處于導通狀態(tài)，點火線圈低壓側(cè)有較大電流通過，并以狀態(tài)，點火線圈低壓側(cè)有較大電流通過，并以磁場能量的形式儲存在點火線圈的鐵芯中。磁場能量的形式儲存在點火線圈的鐵芯中。 當葉片槽口轉(zhuǎn)到霍爾當葉片槽口轉(zhuǎn)到霍爾IC面前時，霍爾面前時，霍爾IC輸輸出

40、跳變?yōu)楦唠娖?，?jīng)反相變?yōu)榈碗娖?，達林頓出跳變?yōu)楦唠娖剑?jīng)反相變?yōu)榈碗娖剑_林頓管截止，切斷點火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒管截止，切斷點火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒有續(xù)流元件，所以存儲在點火線圈鐵心中的磁有續(xù)流元件，所以存儲在點火線圈鐵心中的磁場能量在高壓側(cè)感應出場能量在高壓側(cè)感應出3050kV的高電壓。的高電壓。 霍爾式無刷電動機霍爾式無刷電動機 霍爾式無刷電動機取消霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾了換向器和電刷，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、相對位置，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控整形后觸發(fā)電子線路，從而控制

41、電樞電流的換向，維持電動制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉(zhuǎn)。由于無刷電動機的正常運轉(zhuǎn)。由于無刷電動機不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等機不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機、問題，所以它在錄像機、CDCD唱唱機、光驅(qū)等家用電器中得到越機、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應用。來越廣泛的應用。 普通直流電動機使用普通直流電動機使用的電刷和換向器的電刷和換向器霍爾式接近開關霍爾式接近開關 當磁鐵的有效磁極接當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關動作。霍霍爾式接近開關動作?；魻柦咏_關一般還配一塊爾接近開關一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。釹鐵硼磁鐵?；魻柺浇咏_關霍爾式接近開關 用霍爾用霍爾ICIC完成接近開關的功完成接近開關的功能，但是它只能用于鐵磁材料的能，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檢測，并且還需要建立一個較強的閉合磁場。的閉合磁場。 在右圖中，當磁鐵在右圖中，當磁鐵隨運動部件移動到距隨運動部件移動到距霍爾接近開關幾毫米霍爾接近開關幾毫米時，霍爾時，霍爾ICIC的輸出由的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，高電平變?yōu)榈碗娖剑?jīng)驅(qū)動電路使繼電器經(jīng)驅(qū)動電路使繼電器吸合或