第五章磁電式傳感器

1、第五章第五章 磁電式傳感器磁電式傳感器定義定義：磁電式傳感器是利用磁電作用將磁電式傳感器是利用磁電作用將被測量轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。被測量轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。 磁電作用磁電作用：所有的磁信號與電信號之間所有的磁信號與電信號之間相互作用的現(xiàn)象。相互作用的現(xiàn)象。 第一節(jié)第一節(jié) 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器一、一、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理磁電感應(yīng)式傳感器工作原理 根據(jù)電磁感應(yīng)定律， 當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運(yùn)動時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為 ddxeNNBlNBlvdtdt 式中: B穩(wěn)恒均勻磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；l導(dǎo)體有效長度；v導(dǎo)體相對磁場的運(yùn)動速度N線圈匝數(shù)；當(dāng)一個N匝線圈

2、相對靜止地處于隨時間變化的磁場中時，設(shè)穿過線圈的磁通為，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢e與磁通變化率d/dt有如下關(guān)系： deNdt 根據(jù)以上原理，人們設(shè)計(jì)出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。（一）恒定磁通式（一）恒定磁通式0eBlN v （二）變磁通式（二）變磁通式 變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖 （a） 開磁路 （b） 閉磁路 圖（a）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

3、輪較危險(xiǎn)而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。 圖（b）為閉磁路變磁通式傳感器，被測旋轉(zhuǎn)體1帶動橢圓形測量齒輪2在磁場氣隙中等速轉(zhuǎn)動，使氣隙平均長度周期性地變化，因而磁路的磁阻也周期性的變化，磁通同樣周期性的變化，則在線圈3中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其頻率f與測量齒輪2的轉(zhuǎn)速n成正比，即f=n/30。二、磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用二、磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用動圈式振動速度傳感器動圈式振動速度傳感器 1、芯軸、芯軸2、外殼、外殼3、彈簧片、彈簧片4、鋁支架、鋁支架5、永久磁鐵、永久磁鐵6、線圈、線圈7、阻尼環(huán)、阻尼環(huán)8、引線、引線上圖是動圈式振動速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是，鋼制圓形外殼，里面用鋁支架將圓柱形永

4、久磁鐵與外殼固定成一體，永久磁鐵中間有一小孔，穿過小孔的芯軸兩端架起線圈和阻尼環(huán)，芯軸兩端通過圓形膜片支撐架空且與外殼相連。工作時，傳感器與被測物體剛性連接，當(dāng)物體振動時， 傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動，而架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動。因而，磁路空氣隙中的線圈切割磁力線而產(chǎn)生正比于振動速度的感應(yīng)電動勢，線圈的輸出通過引線輸出到測量電路。該傳感器測量的是振動速度參數(shù)，若在測量電路中接入積分電路，則輸出電勢與位移成正比；若在測量電路中接入微分電路，則其輸出與加速度成正比。 第二節(jié)第二節(jié) 霍爾式傳感器霍爾式傳感器一、工作原理一、工作原理霍爾效應(yīng)：霍爾效應(yīng)： 金屬或半導(dǎo)體處于磁場中，當(dāng)有

5、電流流過時，在垂金屬或半導(dǎo)體處于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。11 設(shè)霍耳片的長度為設(shè)霍耳片的長度為l，寬度為，寬度為w，厚度為，厚度為d。又設(shè)電子以均勻。又設(shè)電子以均勻的速度的速度v運(yùn)動，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度運(yùn)動，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它的作用下，它受到受到洛侖茲力洛侖茲力q電子電量電子電量(1.6210-19C)； v電于運(yùn)動速度。電于運(yùn)動速度。同時，作用于電子的電場力同時，作用于電子的電場力 qvBfLwqUqEfHHE/wqUqvBH/當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時HUvBw1

6、2dnqvwdjwIdnqwIv/pqdIBUH/霍耳電勢霍耳電勢UH與與 I、B的乘積成正比，而與的乘積成正比，而與d成反比。于是可改寫成反比。于是可改寫成：成： dIBRUHH電流密度電流密度j=nqvn nN N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體中的電子濃度中的電子濃度N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體R RH H霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定?；舳禂?shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。材料電阻率材料電阻率p pP P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體中的孔穴濃度中的孔穴濃度型）（型）（PqpRNqnRHH11載流子遷移率載流子遷移率, ,= =v v/E,/E,即單位電場強(qiáng)度作用下載流子的平均即單位電場強(qiáng)度作用下載流

7、子的平均速度。速度。nqdIBUH/13設(shè)設(shè) KH=RH / d KH霍耳器件的乘積靈敏度。它與載流材料的物理霍耳器件的乘積靈敏度。它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時霍耳電勢的大小。位控制電流時霍耳電勢的大小。若磁感應(yīng)強(qiáng)度若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍耳器件的平面法線夾角的方向與霍耳器件的平面法線夾角為為時，霍耳電時，霍耳電勢勢應(yīng)為：應(yīng)為： UH KH I B UH KH I B cos 討論：為什么只能用半導(dǎo)體材料作霍爾元件。討論：為什么只能用半導(dǎo)體材料作霍爾元件。 霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率霍爾常

8、數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積。的乘積。 若要霍爾效應(yīng)強(qiáng)，則希望有較大的霍爾系數(shù)若要霍爾效應(yīng)強(qiáng)，則希望有較大的霍爾系數(shù)RH，因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷，因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。移率。 一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很?。欢^緣材料電阻率極高，但載流子遷移率極低，?。欢^緣材料電阻率極高，但載流子遷移率極低，故只有半導(dǎo)體材料才適于制造霍爾片。故只有半導(dǎo)體材料才適于制造霍爾片。dIBUHen1ep1N N型材料電阻率型材料電阻率P P型材料電阻率型材料電阻率二、霍爾元件二、霍爾元件1 1、霍耳磁敏傳

9、感器的符號與基本電路、霍耳磁敏傳感器的符號與基本電路 器件電流器件電流(控制電流控制電流或輸入電流或輸入電流):流入到器件內(nèi)的電流。流入到器件內(nèi)的電流。電流端子電流端子A、B相應(yīng)地稱為器件相應(yīng)地稱為器件電流端電流端、控制電流端或、控制電流端或輸入電流端。輸入電流端?；舳敵龆说亩俗踊舳敵龆说亩俗覥、D相應(yīng)地稱為相應(yīng)地稱為霍耳端霍耳端或輸出端?；蜉敵龆恕Ｈ艋舳俗娱g連接負(fù)載若霍耳端子間連接負(fù)載,稱為霍耳稱為霍耳負(fù)載電阻負(fù)載電阻或霍耳負(fù)載?；蚧舳?fù)載。電流電極間的電阻，稱為電流電極間的電阻，稱為輸入電阻輸入電阻，或者控制內(nèi)阻。，或者控制內(nèi)阻?；舳俗娱g的電阻，稱為霍耳端子間的電阻，稱為輸出電阻輸

10、出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻?；蚧舳鷤?cè)內(nèi)部電阻。 16控制電流控制電流I；霍耳電勢霍耳電勢UH；控制電壓控制電壓E；輸出電阻輸出電阻R2；輸入電阻輸入電阻R1；霍耳負(fù)載電阻霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流霍耳電流IH。 圖中控制電流圖中控制電流I由電源由電源E供給供給, ,RW為調(diào)節(jié)電阻為調(diào)節(jié)電阻, ,保證器件內(nèi)保證器件內(nèi)所需控制電流所需控制電流I?；舳敵龆私迂?fù)載?；舳敵龆私迂?fù)載R3, ,R3可是一般電阻可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場B垂直通過霍垂直通過霍耳器件耳器件, ,在磁場與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。在磁場與控制電流作用下，由負(fù)載

11、上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本電路霍耳器件的基本電路R實(shí)際使用時實(shí)際使用時, ,器件輸入信號可以是器件輸入信號可以是I I或或B B，或者，或者IBIB, ,而輸出而輸出可以正比于可以正比于I I或或B B, , 或者正比于其乘積或者正比于其乘積IBIB。R3RW三、霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償三、霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償1 1、零位誤差及補(bǔ)償方法、零位誤差及補(bǔ)償方法零位誤差：霍爾元件在加控制電流但不加外磁場時出現(xiàn)的霍爾電勢。主要為不等位電勢。ACBIDCr1r3r2r4DAB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)償不等位電勢分析電橋平衡來補(bǔ)償不等位電勢。

12、 不等位電勢補(bǔ)償電路 RPRPRPRPR(a)(b)(c)(d)寄生直流電動勢寄生直流電動勢 ：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平衡電勢外，還有一直流電勢，稱為寄生直流電勢。 其產(chǎn)生的原因有： 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； 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。 2 2、溫度誤差及補(bǔ)償方法、溫度誤差及補(bǔ)償方法（1）采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻 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=KH

13、IB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。 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。 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。霍爾元件的靈敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成 KH=KH0(1+T) 式中： KH0溫度T0時的KH值； T=T-T0溫度變化量； 霍爾電勢溫度系數(shù)。 （0） 恒流溫度補(bǔ)償電路 IsIpRpIHUH 大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)是

14、正值，它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加T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。下圖就是按此思路設(shè)計(jì)的一個既簡單，補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償電路。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?在上圖所示的溫度補(bǔ)償電路中，設(shè)初始溫度為T0，霍爾元件輸入電阻為Ri0，靈敏系數(shù)為KH0，分流電阻為Rp0，根據(jù)分流概念得 0000ipspHRRIRI 當(dāng)溫度升至T時，電路中各參數(shù)變?yōu)?)1 ()1 (00T

15、RRTRRppii 式中：霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)； 分流電阻溫度系數(shù)。 （1）（2）（3）則 )1 ()1 ()1 (000TRTRITRRRIRIipspipspH（4） 雖然溫度升高了T，為使霍爾電勢不變，補(bǔ)償電路必須滿足溫升前、 后的霍爾電勢不變，即UH0=UH，則 KH0IH0B=KHIHB 有 KH0IH0=KHIH 將式（0）、（1）、（4）代入上式，經(jīng)整理并略去(T)2高次項(xiàng)后得 00)(ipRR（7） 當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)及霍爾電勢溫度系數(shù)是確定值。由式（7）即可計(jì)算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)值。為了滿足Rp0及兩個條件，分流電阻可取溫度系數(shù)不

16、同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合，這樣雖然麻煩但效果很好。 （2）合理選取負(fù)載電阻RL的阻值霍爾元件的輸出電阻o和霍爾電動勢都是溫度的函數(shù)，當(dāng)霍爾元件接有負(fù)載RL時，在RL上的電壓為00001()1()LHLLoR UttURRtt其中 溫度為t0時的霍爾元件輸出電阻。0oR為使負(fù)載上的電壓不隨溫度而變化，應(yīng)使 ，即得0(1)LoRR00()LdUd tt可采用串、并聯(lián)的方法使上式成立來補(bǔ)償溫度誤差。熱敏電阻Rt具有負(fù)溫度系數(shù)，電阻絲具有正溫度系數(shù)。a、b、c圖中霍爾輸出具有負(fù)溫度系數(shù)。d圖為用Rt補(bǔ)償霍爾輸出具有正溫度系數(shù)的溫度誤差。（3）采用溫度補(bǔ)償元件橋路補(bǔ)償電路（4）不等位電動勢Uo的溫度補(bǔ)償四、應(yīng)用四、應(yīng)用1、霍爾式微位移傳感器霍 爾 元 件S NN Sxxx霍 爾 元 件NSx霍 爾 元 件NSNSxxx(a)(b)(c)上圖是磁場強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對地放置， 霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0，