第6章 磁電磁敏式傳感器

1、主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 6.1 6.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器 6.2 6.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 電感電感式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電感量電感量( (自感、互感）自感、互感）的變化；的變化；一類是利用電磁感應(yīng)定律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為一類是利用電磁感應(yīng)定律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)磁場(chǎng)變化，引起電動(dòng)變化，引起電動(dòng)勢(shì)輸出變化。勢(shì)輸出變化。 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器另一類是利用某些材料的磁電效應(yīng)做成對(duì)磁場(chǎng)敏感的傳感器。另一類是利用某些材料的磁電效應(yīng)做成對(duì)磁場(chǎng)敏感的傳感器?；魻杺鞲衅骰魻杺鞲衅鳈C(jī)械能機(jī)械能磁電式傳感器磁電式傳感器電電 量量ddeNt 根據(jù)原理有兩種磁電感

2、應(yīng)式傳感器：根據(jù)原理有兩種磁電感應(yīng)式傳感器：恒磁通式恒磁通式: 恒定磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)部件是恒定磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)部件是線圈線圈也可以是也可以是磁鐵磁鐵。變磁通式變磁通式: 線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)物體引起物體引起磁阻磁阻、磁通磁通變化。變化。 恒磁通式恒磁通式變磁通式變磁通式動(dòng)鋼型動(dòng)鋼型動(dòng)圈型動(dòng)圈型恒磁通式測(cè)振動(dòng)恒磁通式測(cè)振動(dòng) 恒磁通式恒磁通式傳感器通常傳感器通常用做用做機(jī)械振動(dòng)測(cè)量機(jī)械振動(dòng)測(cè)量。 振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)大體振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)大體分兩種分兩種: : 動(dòng)圈型動(dòng)圈型 永久磁鐵與殼固定永久磁鐵與殼固定 動(dòng)鋼型動(dòng)鋼型 線圈與殼體固定線圈與殼體固定eBlN 變磁通變磁通式又稱為變磁阻式，線

3、圈、磁鐵靜止不動(dòng)。測(cè)轉(zhuǎn)速時(shí)式又稱為變磁阻式，線圈、磁鐵靜止不動(dòng)。測(cè)轉(zhuǎn)速時(shí), , 轉(zhuǎn)動(dòng)物體（齒輪的凹凸）引起轉(zhuǎn)動(dòng)物體（齒輪的凹凸）引起磁阻或磁通磁阻或磁通變化。變化。（a a）開磁路）開磁路 （b b）閉磁路）閉磁路由由 可確定可確定靈敏度靈敏度 為為常數(shù)常數(shù)eNBlvSv SNBl ev 對(duì)于結(jié)構(gòu)確定的磁電式傳感器，輸出正比于振動(dòng)速度對(duì)于結(jié)構(gòu)確定的磁電式傳感器，輸出正比于振動(dòng)速度理想輸出特性理想輸出特性實(shí)際輸出特性是非線性的，實(shí)際輸出特性是非線性的， 偏離的原因：偏離的原因：當(dāng)振動(dòng)速度很小時(shí)（當(dāng)振動(dòng)速度很小時(shí)（a），慣性力不足以克），慣性力不足以克服傳感器活動(dòng)部件的服傳感器活動(dòng)部件的靜摩擦力靜

4、摩擦力，因此線圈與磁，因此線圈與磁鐵不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此無(wú)輸出；鐵不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此無(wú)輸出；當(dāng)當(dāng)a超過(guò)超過(guò)b時(shí)，慣性力克服靜摩擦力，有時(shí)，慣性力克服靜摩擦力，有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但靜摩擦力靜摩擦力使輸出特性非線性；使輸出特性非線性；當(dāng)速度超過(guò)當(dāng)速度超過(guò)b到達(dá)到達(dá)c時(shí)時(shí)慣性慣性太大超過(guò)彈性形變太大超過(guò)彈性形變范圍，輸出飽和；范圍，輸出飽和；這種傳感器的輸出在很小和很大情況下是非線這種傳感器的輸出在很小和很大情況下是非線性的，但實(shí)際的工作范圍較大性的，但實(shí)際的工作范圍較大,實(shí)用性較強(qiáng)。實(shí)用性較強(qiáng)。振動(dòng)傳感器輸出特性振動(dòng)傳感器輸出特性eS超過(guò)彈性形變范圍超過(guò)彈性形變范圍輸出出現(xiàn)飽和輸出出現(xiàn)飽和

5、n 信號(hào)輸出經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換可獲得信號(hào)輸出經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換可獲得位移位移和和加速度加速度 直接輸出直接輸出電動(dòng)勢(shì)，測(cè)量速度信號(hào)；電動(dòng)勢(shì)，測(cè)量速度信號(hào)； 接入接入積分積分電路可測(cè)量電路可測(cè)量位移位移信號(hào)；信號(hào)； 接入接入微分微分電路可測(cè)量電路可測(cè)量加速度加速度信號(hào)。信號(hào)。eSvxvtddvat 磁電傳感器根本上是速度傳感器磁電傳感器根本上是速度傳感器，磁鐵與線圈磁鐵與線圈之間有相對(duì)運(yùn)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，能量全被彈簧吸收，磁路線圈切割磁力線產(chǎn)生正比于動(dòng)時(shí)，能量全被彈簧吸收，磁路線圈切割磁力線產(chǎn)生正比于速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由此輸出可直接獲得速度信號(hào)。速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由此輸出可直接獲得速度信號(hào)。eSvxvt

6、位移位移速度速度加速度加速度ddvatv 速度經(jīng)時(shí)間積分，可測(cè)量位移速度經(jīng)時(shí)間積分，可測(cè)量位移If CIi Re = uiu uo o- -+ +xvt( )oiutu dtvtx0UU/ifiIIu R理想運(yùn)放理想運(yùn)放RC稱積分時(shí)間常數(shù)稱積分時(shí)間常數(shù)根據(jù)根據(jù)000111( )tttiofiuutI dtdtu dtCCRRC 設(shè)電容上初始電壓為零，輸出電壓是輸入電壓對(duì)時(shí)間積分設(shè)電容上初始電壓為零，輸出電壓是輸入電壓對(duì)時(shí)間積分uitu0tiueSvv 速度經(jīng)微分電路速度經(jīng)微分電路 可測(cè)量加速度可測(cè)量加速度 d( )dioffuu tI RRCtIf RfIc Cuiuo- -+ +0UUcfI

7、I理想運(yùn)放理想運(yùn)放ddicuICt因?yàn)橐驗(yàn)閐dvatiueSv dd( )ddiouvu tatt uotuit 磁電式振動(dòng)傳感器的特點(diǎn)磁電式振動(dòng)傳感器的特點(diǎn)磁電式振動(dòng)傳感器是磁電式振動(dòng)傳感器是慣性慣性式傳感器，不需要靜止的基準(zhǔn)參式傳感器，不需要靜止的基準(zhǔn)參考，可直接裝在被測(cè)體上，適合測(cè)量機(jī)械振動(dòng)、轉(zhuǎn)速?？?，可直接裝在被測(cè)體上，適合測(cè)量機(jī)械振動(dòng)、轉(zhuǎn)速。磁電式傳感器是磁電式傳感器是發(fā)電型發(fā)電型傳感器，工作時(shí)可不加電壓，直接傳感器，工作時(shí)可不加電壓，直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。將機(jī)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(hào)，便于直接放大。速度傳感器的輸出電壓正比于速度信號(hào)，便于直接放大

8、。輸出功率大輸出功率大，穩(wěn)定可靠，可簡(jiǎn)化二次儀表，輸出阻抗低幾，穩(wěn)定可靠，可簡(jiǎn)化二次儀表，輸出阻抗低幾十幾千歐，對(duì)后置電路要求低，干擾小。但傳感器尺寸十幾千歐，對(duì)后置電路要求低，干擾小。但傳感器尺寸大、重，頻率響應(yīng)低，通常在大、重，頻率響應(yīng)低，通常在10100Hz。1. 1. 扭矩傳感器扭矩傳感器圓盤齒引起磁通量變化，在線圈中感應(yīng)出交流電壓；圓盤齒引起磁通量變化，在線圈中感應(yīng)出交流電壓；當(dāng)扭當(dāng)扭矩矩作用在轉(zhuǎn)軸上時(shí)，兩個(gè)磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓作用在轉(zhuǎn)軸上時(shí)，兩個(gè)磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1、u2存在相位差，存在相位差，相差相差與與扭矩扭矩的的扭轉(zhuǎn)角扭轉(zhuǎn)角成正比，傳感器可以將成正比，傳感器可以將

9、扭扭矩矩引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號(hào)。引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號(hào)。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸測(cè)量電路測(cè)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u1u2u ut信號(hào)頻率信號(hào)頻率=轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)數(shù)齒數(shù)齒數(shù)2. 2. 轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速傳感器 使探頭對(duì)準(zhǔn)測(cè)速齒輪的中部，調(diào)節(jié)探頭與齒頂?shù)木嚯x為使探頭對(duì)準(zhǔn)測(cè)速齒輪的中部，調(diào)節(jié)探頭與齒頂?shù)木嚯x為1mm。 測(cè)得的傳感器輸出信號(hào)脈沖的頻率就可以計(jì)算出測(cè)速齒輪的轉(zhuǎn)速。測(cè)得的傳感器輸出信號(hào)脈沖的頻率就可以計(jì)算出測(cè)速齒輪的轉(zhuǎn)速。 設(shè)齒輪齒數(shù)為設(shè)齒輪齒數(shù)為N，脈沖頻率為，脈沖頻率為f， 轉(zhuǎn)速為：轉(zhuǎn)速為：n = f/N 磁電轉(zhuǎn)速傳感器的工作方式磁電轉(zhuǎn)速傳感

10、器的工作方式轉(zhuǎn)速的單位是轉(zhuǎn)速的單位是轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分鐘分鐘，所以，所以要再乘以要再乘以60，才是轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，才是轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，即即 nz= 60f/N在使用在使用60齒齒的齒輪時(shí)就可以得的齒輪時(shí)就可以得到一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)速公式到一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)速公式 n=f，可用頻率計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)速。這就是可用頻率計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)速。這就是在工業(yè)中轉(zhuǎn)速測(cè)量中齒輪多為在工業(yè)中轉(zhuǎn)速測(cè)量中齒輪多為60齒的原因。齒的原因。3. 3. 振動(dòng)傳感器振動(dòng)傳感器 機(jī)械振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)飛機(jī)在機(jī)械振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)飛機(jī)在飛行中發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)飛行中發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)變化趨變化趨勢(shì)的系統(tǒng)。磁電式振動(dòng)傳感器固定在發(fā)動(dòng)機(jī)上，直接感受勢(shì)的系統(tǒng)。磁電式振動(dòng)傳感器固定在發(fā)動(dòng)機(jī)上，直接感受

11、發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械振動(dòng)，并輸出正比于振動(dòng)速度的電壓信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械振動(dòng)，并輸出正比于振動(dòng)速度的電壓信號(hào)。傳傳感感器器濾波濾波放大放大檢波檢波報(bào)警報(bào)警電路電路報(bào)警報(bào)警顯示器顯示器機(jī)械振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)原理框圖機(jī)械振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)原理框圖u ut 航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)；航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)； 兵器，坦克、火炮發(fā)射的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間影響第二次發(fā)射；兵器，坦克、火炮發(fā)射的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間影響第二次發(fā)射； 機(jī)床、車輛、建筑、橋梁、大壩振動(dòng)監(jiān)測(cè)。機(jī)床、車輛、建筑、橋梁、大壩振動(dòng)監(jiān)測(cè)。 工程上可采用工程上可采用頻譜分析頻譜分析識(shí)別信號(hào)中的識(shí)別信號(hào)中的周期分量周期分量，通過(guò)測(cè)，通過(guò)測(cè)量的量的振動(dòng)信號(hào)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行

12、頻譜分析，確定最大幅值的頻率分量，進(jìn)行頻譜分析，確定最大幅值的頻率分量，然后找出故障。然后找出故障。大型大型空氣壓縮機(jī)空氣壓縮機(jī)傳動(dòng)裝置故障診斷案例示意圖傳動(dòng)裝置故障診斷案例示意圖磁敏傳感器磁敏傳感器磁學(xué)量磁學(xué)量電信號(hào)電信號(hào) 18791879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先發(fā)現(xiàn)金屬中的霍爾效應(yīng)，年美國(guó)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。于集成化。 在半導(dǎo)體上外加與電流方向垂直的磁場(chǎng)，會(huì)使得半導(dǎo)體在半導(dǎo)體

13、上外加與電流方向垂直的磁場(chǎng)，會(huì)使得半導(dǎo)體中的中的電子與空穴電子與空穴受到不同方向的洛倫茲力而在不同方向受到不同方向的洛倫茲力而在不同方向上聚集，在聚集起來(lái)的電子與空穴之間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，此上聚集，在聚集起來(lái)的電子與空穴之間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，此電場(chǎng)將會(huì)使后來(lái)的電子和空穴受到電場(chǎng)力的作用而平衡電場(chǎng)將會(huì)使后來(lái)的電子和空穴受到電場(chǎng)力的作用而平衡掉磁場(chǎng)對(duì)其產(chǎn)生的洛倫茲力，使得后來(lái)的電子和空穴能掉磁場(chǎng)對(duì)其產(chǎn)生的洛倫茲力，使得后來(lái)的電子和空穴能順利通過(guò)不會(huì)偏移，此稱為霍爾效應(yīng)。而產(chǎn)生的內(nèi)建電順利通過(guò)不會(huì)偏移，此稱為霍爾效應(yīng)。而產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓。壓稱為霍爾電壓。 把一個(gè)導(dǎo)體（半導(dǎo)體薄片）兩端通以電流，在垂直方

14、向把一個(gè)導(dǎo)體（半導(dǎo)體薄片）兩端通以電流，在垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度施加磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 的磁場(chǎng)，在導(dǎo)體薄片的另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)的磁場(chǎng)，在導(dǎo)體薄片的另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與控制電流生一個(gè)與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積成比例的電動(dòng)的乘積成比例的電動(dòng)勢(shì)勢(shì)UH ，這種現(xiàn)象稱，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)。 霍爾電動(dòng)勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度霍爾電動(dòng)勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、 電流強(qiáng)度電流強(qiáng)度I 有關(guān)有關(guān)HUIB霍爾傳感器基于霍爾傳感器基于霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的方向改變的方向改變時(shí)霍爾電動(dòng)勢(shì)的電壓極性時(shí)霍爾電動(dòng)勢(shì)的電壓極性也隨之改變。也隨之改變。 在磁場(chǎng)作用下導(dǎo)體中的自由電子做定向運(yùn)動(dòng)時(shí)每個(gè)電子在磁場(chǎng)作

15、用下導(dǎo)體中的自由電子做定向運(yùn)動(dòng)時(shí)每個(gè)電子受受洛侖茲力洛侖茲力作用被推向?qū)w的另一側(cè)：作用被推向?qū)w的另一側(cè)： e-e-電子電荷量；電子電荷量；v-v-電子運(yùn)動(dòng)速度；電子運(yùn)動(dòng)速度；B-B-磁感應(yīng)強(qiáng)度；磁感應(yīng)強(qiáng)度； LFe BHHUEbHHFeE 電子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果使導(dǎo)體基片兩側(cè)積累電荷形成靜電場(chǎng)電子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果使導(dǎo)體基片兩側(cè)積累電荷形成靜電場(chǎng)E EH H，電子還受到靜電場(chǎng)力的作用。電子還受到靜電場(chǎng)力的作用。 當(dāng)兩作用力相等時(shí)電荷不再向兩邊積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡：當(dāng)兩作用力相等時(shí)電荷不再向兩邊積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡：HLFFHeEe BIne bd u 通過(guò)（半）導(dǎo)體薄片的通過(guò)（半）導(dǎo)體薄片的電流電流 I與下列因素

16、有關(guān)：與下列因素有關(guān)：HUBb 霍爾電勢(shì)為霍爾電勢(shì)為HHUEb n 載流子濃度載流子濃度，v 電子運(yùn)動(dòng)速度電子運(yùn)動(dòng)速度，b d導(dǎo)體薄片橫截面積導(dǎo)體薄片橫截面積，e 電子電荷量。電子電荷量。代入后：代入后：HHHIBIBUBbRK IBnedd 1HRne HHRKd與薄片尺寸有關(guān)與薄片尺寸有關(guān)與材料有關(guān)與材料有關(guān)霍爾靈敏霍爾靈敏度度霍爾常數(shù)霍爾常數(shù)式中：式中：n -電子濃度，電子濃度， -電阻率，電阻率，-電子遷移率。電子遷移率。 可見霍爾電勢(shì)與電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積成正比可見霍爾電勢(shì)與電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積成正比1ne 任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，但不是都可以制任何材料在一定條件下都能

17、產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，但不是都可以制造霍爾元件造霍爾元件;金屬材料金屬材料因電子濃度因電子濃度n很高，很高，RH 很小，靈敏度低，很小，靈敏度低，UH 很小很小;絕緣材料絕緣材料電阻率電阻率很大，但電子遷移率很大，但電子遷移率很小，不適用；很小，不適用； 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料電阻率電阻率較大，電子遷移率較大，電子遷移率適中，非常適于做霍適中，非常適于做霍爾元件；爾元件；半導(dǎo)體中半導(dǎo)體中電子電子遷移率一般大于遷移率一般大于空穴空穴的遷移率，所以霍爾元件的遷移率，所以霍爾元件多采用多采用N 型半導(dǎo)體（多電子）型半導(dǎo)體（多電子）;厚度厚度d越小霍爾靈敏度越小霍爾靈敏度KH越大，所以霍爾元件通常做的較薄，越大

18、，所以霍爾元件通常做的較薄，近似近似1微米微米(d1m)，工作電壓很低工作電壓很低。HHRKd1HRne HHUK IB 討論討論 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，由霍爾片、四根引線霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，由霍爾片、四根引線和殼體組成。和殼體組成。 霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)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(lì)電壓或電流，兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱激勵(lì)電極；稱激勵(lì)電極； 2 2、 22引線為霍爾輸出引線，引線為霍爾輸出引線， 稱霍爾稱霍爾電極。電極。 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(lì)，兩端

19、為輸出，兩端加激勵(lì)，兩端為輸出，RL為負(fù)載電阻為負(fù)載電阻 ；電源電源E通過(guò)通過(guò)R控制激勵(lì)電流控制激勵(lì)電流 I；B 磁場(chǎng)與元件面垂直（向里）磁場(chǎng)與元件面垂直（向里） 實(shí)測(cè)中可把實(shí)測(cè)中可把 IB 作輸入，作輸入， 也可把也可把 I 或或 B單獨(dú)做輸入；單獨(dú)做輸入； 通過(guò)霍爾電勢(shì)輸出測(cè)量結(jié)果。通過(guò)霍爾電勢(shì)輸出測(cè)量結(jié)果。 輸出輸出UH與與I或或B成正比關(guān)系，成正比關(guān)系， 或與或與 IB 成正比關(guān)系。成正比關(guān)系。 當(dāng)霍爾元件通以激勵(lì)電流當(dāng)霍爾元件通以激勵(lì)電流 I 時(shí)，若磁場(chǎng)時(shí)，若磁場(chǎng) B=0，理論，理論上霍爾電勢(shì)上霍爾電勢(shì) UH=0，但實(shí)際，但實(shí)際 UH0，這時(shí)測(cè)得的空載，這時(shí)測(cè)得的空載電勢(shì)稱電勢(shì)稱不等

20、位電勢(shì)不等位電勢(shì) 。 產(chǎn)生的原因：產(chǎn)生的原因：霍爾引出電極安裝不對(duì)稱，霍爾引出電極安裝不對(duì)稱，不在同一等位面上，或激勵(lì)不在同一等位面上，或激勵(lì)電極接觸不良。電極接觸不良。半導(dǎo)體材料不均勻，幾何尺寸半導(dǎo)體材料不均勻，幾何尺寸不均勻，造成電阻率不均勻。不均勻，造成電阻率不均勻。HHUK IB(1) (1) 不等位電勢(shì)不等位電勢(shì) 不等位電勢(shì)的補(bǔ)償不等位電勢(shì)的補(bǔ)償 分析不等位電勢(shì)時(shí)可把霍爾元件等效為一個(gè)電橋分析不等位電勢(shì)時(shí)可把霍爾元件等效為一個(gè)電橋不等位電壓相當(dāng)于橋路不等位電壓相當(dāng)于橋路初始有初始有不平衡輸出不平衡輸出，UH00，可在電阻大的，可在電阻大的橋臂上并聯(lián)電阻。橋臂上并聯(lián)電阻。不等位電勢(shì)可表

21、示為不等位電勢(shì)可表示為 UH0 = r0 IH，r0為不等為不等位電阻。位電阻。 霍爾元件與一般半導(dǎo)體器件一樣，對(duì)溫度的變化是很敏感的，這霍爾元件與一般半導(dǎo)體器件一樣，對(duì)溫度的變化是很敏感的，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的電阻率、載流子濃度等都隨溫度而變化。因此，是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的電阻率、載流子濃度等都隨溫度而變化。因此，霍爾元件的輸入電阻、輸出電阻、靈敏度等也將受到溫度變化的影響，霍爾元件的輸入電阻、輸出電阻、靈敏度等也將受到溫度變化的影響，從而給測(cè)量帶來(lái)較大的誤差。從而給測(cè)量帶來(lái)較大的誤差。 為了減小測(cè)量中的溫度誤差，除了選用溫度系數(shù)小的霍爾元件或?yàn)榱藴p小測(cè)量中的溫度誤差，除了選用溫度系數(shù)小的霍爾元

22、件或采取一些恒溫措施外，也可采用以下的一些溫度補(bǔ)償方法；采取一些恒溫措施外，也可采用以下的一些溫度補(bǔ)償方法；采用恒流源提供控制電流和輸入回路并聯(lián)電阻；采用恒流源提供控制電流和輸入回路并聯(lián)電阻；采用熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償；采用熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償；合理選擇負(fù)載電阻；合理選擇負(fù)載電阻；采用溫度補(bǔ)償和不等位電勢(shì)補(bǔ)償?shù)母呔妊a(bǔ)償電路。采用溫度補(bǔ)償和不等位電勢(shì)補(bǔ)償?shù)母呔妊a(bǔ)償電路?；魻栯妱?dòng)勢(shì)溫度系數(shù)，霍爾電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)， 電阻溫度系數(shù)。電阻溫度系數(shù)。 采用恒流源提供控制電流和輸入回路并聯(lián)電阻采用恒流源提供控制電流和輸入回路并聯(lián)電阻 溫度變化引起霍爾元件輸入電阻溫度變化引起霍爾元件輸入電阻R Ri i變化，

23、在穩(wěn)壓源供電時(shí)，使控制變化，在穩(wěn)壓源供電時(shí)，使控制電流變化，帶來(lái)誤差。為了減小這種誤差，最好采用恒流源提供控制電流變化，帶來(lái)誤差。為了減小這種誤差，最好采用恒流源提供控制電流。但靈敏度系數(shù)電流。但靈敏度系數(shù)K KH H也是溫度的函數(shù)，采用恒流源后仍有溫度誤差。也是溫度的函數(shù)，采用恒流源后仍有溫度誤差。為了進(jìn)一步提高為了進(jìn)一步提高U UH H的溫度穩(wěn)定性，對(duì)于具有正溫度系數(shù)的霍爾元件，可的溫度穩(wěn)定性，對(duì)于具有正溫度系數(shù)的霍爾元件，可在其輸入回路并聯(lián)電阻在其輸入回路并聯(lián)電阻R R，如圖所示。，如圖所示。在溫度在溫度t t0 0和和t t時(shí)時(shí) H H0 0i i0 0= =+ +R RI II IR

24、 RR RttR RI II IR RR RH Hi i= =+ +tKKKKt-tt-tHH00HH00=1+ ()=1+ ()iitRRRRtttt0000=1+ ( -)=1+ ( -)當(dāng)溫度影響完全補(bǔ)償時(shí)，當(dāng)溫度影響完全補(bǔ)償時(shí)，U UH0H0= =U UH Ht t，則，則 ttK I BK I BK I BK I BH0 H0HHH0 H0HH= =i0 R RR R( (- - ) )= = 采用熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償采用熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償 這是一種常用的溫度誤差補(bǔ)償方法，尤其對(duì)銻化銦材料的霍爾元這是一種常用的溫度誤差補(bǔ)償方法，尤其對(duì)銻化銦材料的霍爾元件適用。下圖給出了幾種常用的采

25、用熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)睦印＜m用。下圖給出了幾種常用的采用熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)睦?。其中圖其中圖( (a)(b)(ca)(b)(c) )為電壓源激勵(lì)時(shí)的補(bǔ)償電路，圖為電壓源激勵(lì)時(shí)的補(bǔ)償電路，圖(d)(d)為電流源激勵(lì)時(shí)為電流源激勵(lì)時(shí)的補(bǔ)償電路。的補(bǔ)償電路。R Ri i為激勵(lì)源內(nèi)阻，為激勵(lì)源內(nèi)阻，r r( (t t) )、R R( (t t) )為熱敏電阻。為熱敏電阻。 tKKKKt-tt-tHH00HH00=1+ ()=1+ () 合理選擇負(fù)載電阻合理選擇負(fù)載電阻 霍爾元件的輸出電阻霍爾元件的輸出電阻R R0 0和霍爾電動(dòng)勢(shì)都是溫度的函數(shù)和霍爾電動(dòng)勢(shì)都是溫度的函數(shù)( (設(shè)設(shè)為正溫度系數(shù)為

26、正溫度系數(shù)) )，霍爾元件應(yīng)用時(shí)，其輸出總要接負(fù)載，霍爾元件應(yīng)用時(shí)，其輸出總要接負(fù)載R RL L( (如電如電壓表內(nèi)阻或放大器的輸入阻抗等壓表內(nèi)阻或放大器的輸入阻抗等) )。當(dāng)工作溫度為。當(dāng)工作溫度為T T時(shí)，時(shí)，R RL L上的上的電壓為電壓為L(zhǎng) LL LH HL L0 0= =+ +R RU UU UR RR R當(dāng)溫度由當(dāng)溫度由T T變?yōu)樽優(yōu)門 T+ +T T時(shí)，則時(shí)，則R RL L上的電壓變?yōu)樯系碾妷鹤優(yōu)長(zhǎng) LL LL LH HL L0 0+ += =( (1 1+ +) )+ +( (1 1+ +) )R RU UU UU UT TR RR RT T對(duì)上面式子聯(lián)立，其中電壓變化量設(shè)為對(duì)

27、上面式子聯(lián)立，其中電壓變化量設(shè)為0 0，得，得L L0 0= =- -R RR R 具有溫度補(bǔ)償及不等位電勢(shì)補(bǔ)償?shù)母呔妊a(bǔ)償電路具有溫度補(bǔ)償及不等位電勢(shì)補(bǔ)償?shù)母呔妊a(bǔ)償電路 抵消不等位電動(dòng)勢(shì)抵消不等位電動(dòng)勢(shì) 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B B為零時(shí)，調(diào)節(jié)為零時(shí)，調(diào)節(jié)RPRP1 1和和RPRP2 2，使，使B B0 0時(shí)的總輸出電壓為零。時(shí)的總輸出電壓為零。 恒定補(bǔ)償電壓恒定補(bǔ)償電壓 在霍爾元件的工作溫度下限在霍爾元件的工作溫度下限T T1 1時(shí)，電位器時(shí)，電位器RP2RP2保持不變，調(diào)節(jié)保持不變，調(diào)節(jié)RPRP1 1補(bǔ)償電橋工作電壓，補(bǔ)償電橋工作電壓，使補(bǔ)償電壓抵消此時(shí)的不等位電動(dòng)勢(shì)使補(bǔ)償電壓抵消此

28、時(shí)的不等位電動(dòng)勢(shì)U U1 1。變化補(bǔ)償電壓變化補(bǔ)償電壓 當(dāng)溫度升高到當(dāng)溫度升高到T T1 1+ +T T 時(shí)，時(shí)，RPRP1 1保持不變，調(diào)節(jié)保持不變，調(diào)節(jié)RPRP2 2，使補(bǔ)償電壓，使補(bǔ)償電壓抵消此時(shí)的不等位電動(dòng)勢(shì)抵消此時(shí)的不等位電動(dòng)勢(shì)U U1 1+ +U U。此時(shí)的補(bǔ)償電壓實(shí)際上包含了兩。此時(shí)的補(bǔ)償電壓實(shí)際上包含了兩個(gè)分量，一個(gè)是個(gè)分量，一個(gè)是恒定補(bǔ)償電壓分量恒定補(bǔ)償電壓分量，另一個(gè)是抵消工作溫度升高，另一個(gè)是抵消工作溫度升高T T 時(shí)不等位電動(dòng)勢(shì)變化量的時(shí)不等位電動(dòng)勢(shì)變化量的變化補(bǔ)償電壓分量變化補(bǔ)償電壓分量。R R3 3R Rt tR R1 1R R2 2 霍爾集成霍爾集成IC IC 電

29、路可分為電路可分為 ：1.1. 線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，比直接使用霍爾元件方便得在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，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多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501UGN3501等。等。線性型霍爾特性線性型霍爾特性 右圖示出了具有雙端差右圖示出了具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件輸出特性曲線。當(dāng)磁場(chǎng)為零輸出特性曲線。當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)，它的輸出電壓等于零；時(shí)，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場(chǎng)為正向時(shí)，當(dāng)感受的磁場(chǎng)為正向時(shí)，

30、輸輸出為正；磁場(chǎng)反向時(shí)，輸出出為正；磁場(chǎng)反向時(shí)，輸出為負(fù)。為負(fù)。UGN3501M2. 開關(guān)型霍爾集成傳感器是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大開關(guān)型霍爾集成傳感器是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、器、施密特觸發(fā)器、OC門等電路做在同一芯片上。例：門等電路做在同一芯片上。例：開關(guān)型霍爾集成電路開關(guān)型霍爾集成電路UGN3019，其外型與內(nèi)部電路框圖，其外型與內(nèi)部電路框圖如圖所示。如圖所示?；夭钤酱?，抗干擾能力就越強(qiáng)?；夭钤酱螅垢蓴_能力就越強(qiáng)。工作點(diǎn)工作點(diǎn)釋放點(diǎn)釋放點(diǎn)檢缺口檢缺口 檢齒檢齒霍爾元件霍爾元件磁鐵磁鐵F只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場(chǎng)只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在

31、缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的脈動(dòng)，從而引起霍爾電勢(shì)的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)。強(qiáng)度的脈動(dòng)，從而引起霍爾電勢(shì)的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)。 1 1 測(cè)轉(zhuǎn)速測(cè)轉(zhuǎn)速2 2 測(cè)量位移測(cè)量位移 在結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)在結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)位移位移測(cè)量線性好測(cè)量線性好F由一對(duì)極性相反的磁鐵共同作用，形成一個(gè)梯度磁場(chǎng)。特別由一對(duì)極性相反的磁鐵共同作用，形成一個(gè)梯度磁場(chǎng)。特別適合測(cè)量適合測(cè)量0.5mm0.5mm小位移的機(jī)械振動(dòng)，分辨力可達(dá)到小位移的機(jī)械振動(dòng)，分辨力可達(dá)到1010-6-6m m。 3 3 霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器 將被測(cè)電流的導(dǎo)線穿過(guò)霍爾將被測(cè)電流的導(dǎo)線穿過(guò)霍爾電流傳感器的檢測(cè)孔。電流傳感器的檢測(cè)孔。 當(dāng)有電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，

32、在導(dǎo)當(dāng)有電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁力線線周圍將產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過(guò)霍爾元件，從而缺口處穿過(guò)霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。壓?；魻栐魻栐偶鞔偶鲗?dǎo)線電流導(dǎo)線電流 IX鉗口鉗口鐵心鐵心 霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度與導(dǎo)線電流霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度與導(dǎo)線電流 成正比，成正比，B IX，可求出測(cè)量電路的霍可求出測(cè)量電路的霍爾輸出電勢(shì)，輸出電勢(shì)與導(dǎo)線電流成爾輸出電勢(shì)，輸出電勢(shì)與導(dǎo)線電流成正比。正比。H = KHICB = KHICKBIX 霍爾元件靈敏度；霍爾元件靈敏度；KB 為比例系數(shù)；為比例系數(shù)； C 控制電流控制電流, X為導(dǎo)線電流；為導(dǎo)線電流； KHc KB 為一定值；為一定值； 環(huán)形環(huán)形磁集束器磁集束器作用是將載流導(dǎo)體中作用是將載流導(dǎo)體中被測(cè)電流產(chǎn)生的磁力線集中到霍爾被測(cè)電流產(chǎn)生的磁力線集中到霍爾元件上，以提高靈敏度。元件上，以提高靈敏度?；魻栐魻栐偶鞔偶鲗?dǎo)線電流導(dǎo)線電流 IX鉗口鉗口4