新編-25808-07-磁敏式傳感器-2-77-精品課件

1、7.2 霍爾傳感器的工作原理與特性7.2.1 霍爾效應(yīng) 在置于磁場中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電動(dòng)勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾傳感器。所產(chǎn)生的電動(dòng)勢稱為霍爾電勢。如圖，在長、寬、高分別為L 、 W 、 H的半導(dǎo)體薄片的相對兩側(cè)a、b通以控制電流，在薄片垂直方向加以磁場B。設(shè)圖中的材料是N型半導(dǎo)體，導(dǎo)電的載流子是電子。在圖示方向磁場的作用下，電子將受到一個(gè)由c側(cè)指向d側(cè)方向力的作用，這個(gè)力就是洛侖茲力。洛侖茲力用表示，大小為： 電子電荷量載流子的運(yùn)動(dòng)速度磁感應(yīng)強(qiáng)度1當(dāng)載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體處于與電流相垂直的磁場中時(shí)

2、，在其兩端將產(chǎn)生電位差，這一現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢被稱為霍爾電勢。霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。2在洛侖茲力的作用下，電子向d側(cè)偏轉(zhuǎn)，使該側(cè)形成負(fù)電荷的積累，c側(cè)則形成正電荷的積累。這樣，c、d兩端面因電荷積累而建立了一個(gè)電場 ,稱為霍爾電場。該電場對電子的作用力與洛侖茲力的方向相反，即阻止電荷的繼續(xù)積累。當(dāng)電場力（ ）與洛侖茲力大小相等時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)有 霍爾效應(yīng)與霍爾元件所以霍爾電場的強(qiáng)度為（7-2）在c與d兩側(cè)面間建立的電動(dòng)勢差稱為霍爾電勢，用表示當(dāng)材料中的電子濃度為n時(shí)（7-3）3設(shè) -霍爾系數(shù)，得 設(shè) -霍爾靈敏度，則（7-5）反映材

3、料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱，是由材料性質(zhì)所決定的一個(gè)常數(shù)大小 霍爾靈敏度，它表示霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電勢的大小 （7-7）霍爾片的厚度4霍耳電勢與材料的關(guān)系通過以上分析，可以看出 霍耳電壓UH大小與材料的性質(zhì)有關(guān)。一般來說，金屬材料n較大，導(dǎo)致RH和KH變小，故不宜做霍耳元件?；舳话悴捎肗型半導(dǎo)體材料。 RH=1/nq 霍耳電壓UH與元件的尺寸關(guān)系很大，生產(chǎn)元件時(shí)要考慮到以下幾點(diǎn)：1）根據(jù)式 ，H愈小，KH愈大，霍耳靈敏度愈高，所以霍耳元件的厚度都比較薄。但H太小，會(huì)使元件的輸入、輸出電阻增加，因此，也不宜太薄。2）元件的長寬比對UH也有影響。L/W加大時(shí)，控制電極對

4、霍耳電壓影響減小。但如果L/W過大，載流子在偏轉(zhuǎn)過程中的損失將加大，使UH下降，通常要對式（7-7）加以形狀效應(yīng)修正： (7-7） 式（7-7）中， 為形狀效應(yīng)系數(shù)，其修正值如下表所示。通常取L/W0.51.01.52.02.53.04.0f(L/W)0.3700.7750.8410.9230.9770.9840.9975霍耳電勢與材料的關(guān)系3） 霍耳電壓UH與控制電流及磁場強(qiáng)度有關(guān)。根據(jù)式 UH正比于I及B。當(dāng)控制電流恒定時(shí)，B愈大，UH愈大。當(dāng)磁場改變方向時(shí)，UH也改變方向。同樣，當(dāng)霍耳靈敏度KH及磁感應(yīng)強(qiáng)度B恒定時(shí)，增加控制I,也可以提高霍耳電壓的輸出。但電流不宜過大，否則，會(huì)燒壞霍耳元

5、件。67.2.2 霍爾元件的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)霍爾元件是一種四端型器件，如圖7-2所示，它由霍爾片、4根引線和殼體組成。霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，尺寸一般為4mm 2mm 0.1 mm。通常為紅色的兩個(gè)引線A、B 為控制電流， C、D 兩個(gè)綠色引線為霍爾電勢輸出線。圖7-2 霍爾元件7霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾片、引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，四個(gè)引線?？刂疲?lì)）電極：兩根加激勵(lì)電壓或電流，霍爾電極：兩根霍爾輸出引線。封裝：殼體導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂電路符號8 霍耳元件符號及代號國產(chǎn)器件常用H代表霍耳元件，后面的字母代表元件的材料，數(shù)字代表產(chǎn)品的序號。如HZ-1元件，說明是用

6、鍺材料制成的霍耳元件；HT-1元件，說明是用銻化銦（InSb）材料制成的元件。 9霍爾元件基本特性 線性特性與開關(guān)特性負(fù)載特性 溫度特性 10主要特征參數(shù)（1）額定控制電流I ：使霍爾片溫升10所施加的控制電流值。（2）輸入電阻Ri：指控制電極間的電阻值。（3）輸出電阻Ro：指霍爾電勢輸出極之間的電阻值。相當(dāng)于一個(gè)電壓源，其電源內(nèi)阻（4）最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM：磁感應(yīng)強(qiáng)度超過BM時(shí)，霍爾電勢的非線性誤差明顯增大，數(shù)值一般小于零點(diǎn)幾特斯拉。11關(guān)于電流的說明額定激勵(lì)電流：當(dāng)霍爾元件自身溫升10時(shí)所流過的激勵(lì)電流。最大允許激勵(lì)電流：以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵(lì)電流。激勵(lì)電流增加霍爾電勢線性增加

7、，所以，使用中希望選用盡可能大的激勵(lì)電流，需要知道元件的最大允許激勵(lì)電流，改善霍爾元件的散熱條件，可以使激勵(lì)電流增加。12（5）不等位電勢：在額定控制電流下，當(dāng)外加磁場為零時(shí)，霍爾輸出端之間的開路電壓稱為不等位電勢。它是由于四個(gè)電極的幾何尺寸不對稱引起的，如圖7-3所示。使用時(shí)多采用電橋法來補(bǔ)償不等位電勢引起的誤差。圖7-3 霍爾元件的不等位電勢13（7）霍爾電勢溫度系數(shù)：在磁感應(yīng)強(qiáng)度及控制電流一定情況下，溫度變化l 相應(yīng)霍爾電勢變化的百分?jǐn)?shù)。它與霍爾元件的材料有關(guān)，一般為0.1/左右。在要求較高場合，應(yīng)選擇低溫漂的霍爾元件。它同時(shí)也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。14（8）寄生直流電勢在外加磁場為零、

8、霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí)，霍爾電極輸出除了交流不等位電勢外，還有一直流電勢，稱寄生直流電勢。是影響霍爾片溫漂的原因之一 。15寄生直流電動(dòng)勢的補(bǔ)償元件在制作安裝時(shí)，盡量做到使電極歐姆接觸，并做到均勻散熱。歐姆接觸：金屬與半導(dǎo)體的接觸，其接觸面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻。16霍爾元件溫度補(bǔ)償霍爾元件的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí)，霍爾電勢會(huì)發(fā)生變化?；魻栐a(chǎn)生溫度誤差?；魻栐妮d流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化，17霍爾元件的溫度誤差及其補(bǔ)償18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。由下式可計(jì)算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)值

9、。為了滿足R0及兩個(gè)條件，分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合。19常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)207.2.2 測量電路217.2.3 集成霍爾傳感器將霍爾敏感元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源等集成于一個(gè)芯片上構(gòu)成霍爾集成傳感器。有些霍爾傳感器的外形與DIP 封裝的集成電路相同，故也稱集成霍爾傳感器。類型：分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器。1、霍爾線性集成傳感器這種線性型傳感器的輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量、控制。這種傳感器有單端輸出和雙端輸出（差動(dòng)輸出）兩種電路，如圖7-4 所示。圖7-4 線形霍爾集

10、成傳感器結(jié)構(gòu)222. 開關(guān)型霍爾集成傳感器開關(guān)型霍爾集成傳感器由霍爾元件、放大器、施密特整形電路和開關(guān)輸出等部分組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖7-5所示。當(dāng)有磁場作用在霍爾開關(guān)集成傳感器上時(shí)，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，霍爾元件輸出霍爾電勢，該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特整形電路。當(dāng)放大后的霍爾電勢大于“開啟” 閾值時(shí)，施密特電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使晶體管導(dǎo)通，整個(gè)電路處于開狀態(tài)。當(dāng)磁場減弱時(shí)，霍爾元件輸出的電壓很小，經(jīng)放大器放大后其值仍小于施密特的“關(guān)閉”閾值時(shí)，施密特整形器又翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，使晶體管截止，電路處于關(guān)狀態(tài)。這樣，一次磁場強(qiáng)度的變化，就使傳感器完成一次開關(guān)動(dòng)作。圖7-5 霍爾開關(guān)集成傳感器

11、內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23247.3磁敏傳感器7.3.1 磁敏電阻1. 磁阻效應(yīng)磁敏電阻是利用磁阻效應(yīng)制成的一種磁敏元件。將一載流導(dǎo)體置于外磁場中，除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外，其電阻也會(huì)隨磁場變化，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。在沒有外加磁場時(shí)，磁阻元件的電流密度矢量，如圖7-8a所示。當(dāng)磁場垂直作用在磁阻元件表面上時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，使得電流密度矢量偏移電場方向某個(gè)霍爾角 ，如圖7-8b所示。這使電流流通的途徑變長，導(dǎo)致元件兩端金屬電極間的電阻值增大。電極間的距離越長，電阻的增長比例就越大，所以在磁阻元件的結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)是把基片切成薄片，然后用光刻的方法插入金屬電極和金屬邊界。圖7-8 磁阻元件工作原理示意圖25磁阻效

12、應(yīng)的表達(dá)式當(dāng)溫度恒定，在弱磁場范圍內(nèi)，磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比。對于只有電子參與導(dǎo)電的最簡單情況，理論推出磁阻效應(yīng)的表達(dá)式為磁感應(yīng)強(qiáng)度電子遷移率磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻率（7-8） 設(shè)電阻率的變化為則電阻率的相對變化為 （7-9） 由上式可知，磁場一定，遷移率高的材料磁阻效應(yīng)明顯。InSb（銻化銦）和InAs（砷化銦）等半導(dǎo)體的載流子遷移率都很高，更適合于制作磁敏電阻。26磁敏電阻的形狀磁阻效應(yīng)除與材料有關(guān)外，還與磁阻器件的幾何形狀及尺寸密切相關(guān)在恒定磁感應(yīng)強(qiáng)度下，磁敏電阻的長與寬的比越小，電阻率的相對變化越大。考慮到形狀影響時(shí)，電阻率的相對變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度和遷移率的關(guān)系可用下式近似表示 式

13、中 形狀效應(yīng)系數(shù)，L,b分別為磁阻器件的長度和寬度。除長方形磁阻器件外，還有圓盤形磁阻器件，其中心和邊緣各有一個(gè)電極，如圖7-9 所示。這種圓盤形磁阻器件稱為科爾比諾圓盤。這時(shí)的效應(yīng)稱科爾比諾效應(yīng)。因?yàn)閳A盤的磁阻最大，故大多磁阻器件做成圓盤結(jié)構(gòu)。圖7-9 磁敏電阻的形狀27磁阻元件283. 磁敏電阻的基本特性(1)B-R特性。它由無磁場時(shí)的電阻和磁感應(yīng)強(qiáng)度B時(shí)的電阻來表示。隨元件形狀不同而異，約為數(shù)十歐至數(shù)千歐，隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化而變化。圖7-10為磁敏電阻的特性曲線。在0.1T以下的弱磁場中，曲線呈現(xiàn)平方特性，而超過0.1T后呈現(xiàn)線性變化。圖7-10 磁敏電阻的B-R特性29（2）靈敏度K 磁

14、敏電阻的靈敏度可由下式表示： （7-11）式中 磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.3T時(shí)的值； 無磁場時(shí)的電阻值。一般情況下，磁敏電阻的靈敏度K2.7。（3）溫度系數(shù) 磁敏電阻的溫度系數(shù)約為-2/，這個(gè)值較大。為補(bǔ)償磁敏電阻的溫度特性，可采用兩個(gè)元件串聯(lián)成對使用，用差動(dòng)方式工作。307.3.2 磁敏二極管 磁敏二極管是一種磁電轉(zhuǎn)換的元件，可以將 磁信息轉(zhuǎn)換成電信號.特點(diǎn)：具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)快、無 觸點(diǎn)、輸出功率大及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。應(yīng)用：它可廣泛應(yīng)用于磁場的檢測、磁力探 傷、轉(zhuǎn)速測量、位移測量、電流測量、無觸 點(diǎn)開關(guān)和無刷直電流電機(jī)等許多領(lǐng)域。 311. 磁敏二極管的結(jié)構(gòu)磁敏二極管是PN 結(jié)型的磁電轉(zhuǎn)換元

15、件，有硅磁敏二極管和鍺磁敏二極管兩種，結(jié)構(gòu)如圖7-11所示。在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的P型和N型兩個(gè)區(qū)域，在P、N 之間有一個(gè)較長的本征區(qū)I ，本征區(qū)I 的一面磨成光滑的復(fù)合表面（為I 區(qū)），另一面打毛，成為高復(fù)合區(qū)（r 區(qū)），因?yàn)殡娮?空穴對易于在粗糙表面復(fù)合而消失。當(dāng)通以正向電流后就會(huì)在P、I、N 結(jié)之間形成電流。由此可知，磁敏二極管是PIN 型的。與普通二極管區(qū)別：普通二極管PN結(jié)的基區(qū)很短，以避免載流子在基區(qū)復(fù)合，磁敏二極管的PN結(jié)卻有很長的基區(qū)，大于載流子的擴(kuò)散長度，但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成。磁敏二極管結(jié)構(gòu)示意圖322. 工作原理磁敏二極管在磁場強(qiáng)度的變

16、化下，其電流發(fā)生變化，于是就實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。且I區(qū)和r區(qū)的復(fù)合能力之差越大，磁敏二極管的靈敏度就越高。 圖7-12 磁敏二極管工作原理示意圖333. 磁敏二極管的主要特性（1）磁電特性：在給定條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場間的變化關(guān)系。圖7-13給出磁敏二極管單個(gè)使用和互補(bǔ)使用時(shí)的磁電特性曲線。圖7-13 磁敏二極管磁電特性曲線正向磁靈敏度大于反向互補(bǔ)使用時(shí)，正、反向磁靈敏度曲線對稱，且在弱磁場下有較好的線性34（2）伏安特性在給定磁場情況下，磁敏二極管兩端正向偏壓和通過它的電流的關(guān)系曲線。如圖7-14所示。不同種類的磁敏二極管伏安特性也不同。圖7-14 磁敏二極管伏安特性曲線35

17、（3）溫度特性一般情況下，磁敏二極管受溫度的影響較大。反映磁敏二極管的溫度特性好壞，也可用溫度系數(shù)來表示。硅磁敏二極管在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下 的溫度系數(shù)小于20mV， 的溫度系數(shù)小于0.7%/。而鍺磁敏二極管 的溫度系數(shù)小于-70mV， 的溫度系數(shù)小于1.5%/。所以，規(guī)定硅管的使用溫度為-4085，而鍺管則現(xiàn)定為-4075。 指在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，輸出電壓變化量（或無磁場作用時(shí)輸出電壓）隨溫度變化的規(guī)律，如圖7-15所示。圖7-15 磁敏二極管溫度特性36（ 4）頻率特性硅磁敏二極管的響應(yīng)時(shí)間，幾乎等于注入載流子漂移過程中被復(fù)合并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的時(shí)間。所以，頻率響應(yīng)時(shí)間與載流子的有效壽命相當(dāng)。硅管的響

18、應(yīng)時(shí)間小于 ，即響應(yīng)頻率高達(dá)1MHz。鍺磁敏二極管的響應(yīng)頻率小于10kHz,如圖7-17所示。圖7-17 鍺磁敏二極管頻率特性37在實(shí)際使用必須對其進(jìn)行溫度補(bǔ)償。常用的溫度補(bǔ)償電路互補(bǔ)式差分式全橋式熱敏電阻38（1）互補(bǔ)式溫度補(bǔ)償電路39差分式、全橋、熱敏電阻補(bǔ)償電路407.3.3 磁敏晶體管1. 磁敏晶體管的結(jié)構(gòu)工作原理磁敏晶體管的結(jié)構(gòu)和符號如圖7-17所示。NPN型磁敏晶體管是在弱P型近本征半導(dǎo)體上，用合金法或擴(kuò)散法形成三個(gè)結(jié)即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)所形成的半導(dǎo)體元件。其最大特點(diǎn)是基區(qū)較長，在長基區(qū)的側(cè)面制成一個(gè)復(fù)合率很高的高復(fù)合區(qū) 。在 區(qū)的對面保持光滑的無復(fù)合的鏡面，長基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)

19、和復(fù)合基區(qū)兩部分。圖7-17 磁敏晶體管結(jié)構(gòu)與符號41 2. 工作原理磁敏晶體管的基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長度，因而注入的載流子除少部分輸入到集電極外，大部分通過e-I-b 而形成基極電流當(dāng)受到正向磁場作用時(shí)，由于洛侖茲力作用，載流子向發(fā)射結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而使集電極電流明顯下降當(dāng)受反向磁場作用時(shí)，載流子在洛侖茲力作用下，向集電結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大由此可以看出，磁敏晶體管工作原理與磁敏二極管完全相同。在正向或反向磁場作用下，會(huì)引起集電極電流的減少或增加。因此，可以用磁場方向控制集電極電流的增加或減少，用磁場的強(qiáng)弱控制集電極電流的增加或減少的變化量。圖7-18 磁敏晶體管工作原理示意圖42

20、3. 磁敏晶體管的主要特性（1）磁電特性: 磁電特性是磁敏晶體管最重要的工作特性之一。例如，國產(chǎn)NPN型3BCM鍺磁敏晶體管的磁電特性曲線如圖7-19所示。在弱磁場作用下，曲線接近一條直線。圖7-19 3BCM的磁電特性43（2）伏安特性磁敏晶體管的伏安特性類似普通晶體管的伏安特性曲線。圖7-20a為不受磁場作用時(shí)磁敏晶體管的伏安特性曲線圖7-20b給出了磁敏晶體管在基極恒流條件下（ ）集電極電流的變化 的特性曲線。圖7-20 磁敏晶體管伏安特性曲線44（3）溫度特性磁敏晶體管對溫度也是敏感的。3ACM、3BCM磁敏晶體管的溫度系數(shù)為0.8/；3CCM磁敏晶體管的溫度系數(shù)為-0 .7/。3BC

21、M的溫度特性曲線如圖7-21所示。 圖7-21 3BCM磁敏晶體管的溫度特性457.4 磁電式傳感器的應(yīng)用7.4.1 霍爾傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)：霍爾傳感器結(jié)構(gòu)簡單、工藝成熟、體積小、壽命長、線性度好、頻帶寬。應(yīng)用：用于測量磁感應(yīng)強(qiáng)度、電功率、電能、大電流、微氣隙中的磁場；用以制成磁讀頭、磁羅盤、無刷電機(jī)；用于無觸點(diǎn)發(fā)信，做接近開關(guān)、霍爾電鍵；用于制成乘、除、平方、開方等計(jì)算元件；用于制作微波電路中的環(huán)行器、隔離器等等。至于再經(jīng)過二次轉(zhuǎn)換或多次轉(zhuǎn)換、用于非磁量的檢測和控制，霍爾元件的應(yīng)用領(lǐng)域就更廣泛了，如測量微位移、轉(zhuǎn)速、加速度、振動(dòng)、壓力、流量、液位等等。46把探頭放在待測磁場中，探頭的磁敏感面要

22、與磁場方向垂直。控制電流由恒流源（或恒壓源）供給，用電表或電位差計(jì)來測量霍爾電動(dòng)勢。根據(jù) ，若控制電流不變，則霍爾輸出電動(dòng)勢正比于磁場.1.磁場測量（微磁場測量）47482. 電流測量（電流計(jì)）由霍爾元件構(gòu)成的電流傳感器具有測量為非接觸式、測量精度高、不必切斷電路電流、測量的頻率范圍廣（從零到幾千赫茲）、本身幾乎不消耗電路功率等特點(diǎn)。根據(jù)安培定律，在載流導(dǎo)體周圍將產(chǎn)生一正比于該電流的磁場。用霍爾元件來測量這一磁場，可得到一正比于該磁場的霍爾電動(dòng)勢。通過測量霍爾電動(dòng)勢的大小來間接測量電流的大小，這就是霍爾鉗形電流表的基本測量原理。如圖7-22。圖7-22 霍爾元件測量電流495051523. 霍

23、爾轉(zhuǎn)速表在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性形霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jīng)隔直、放大、整形后就可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。如圖7-23所示。轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：圖7-23 霍爾轉(zhuǎn)速表齒盤的齒數(shù)輸出脈沖數(shù)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）53545556微位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長，用于磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率及電能參數(shù)的測量，也應(yīng)用在位移測量。574. 角位移測量儀當(dāng) 不同時(shí)，霍爾電勢 也不同?；魻柦俏灰茰y量儀結(jié)構(gòu)如圖7-24所示。霍爾器件與被測物連動(dòng)，而霍爾器件又在一個(gè)恒定的磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)，于是霍爾電

24、勢就反映了轉(zhuǎn)角 的變化。不過，這個(gè)變化是非線性的（ 正比于 ) ，若要求 與 成線性關(guān)系，必須采用特定形狀的磁極。當(dāng)霍爾元件與磁場方向不垂直，而是與其法線成某一角度時(shí)，這時(shí)霍爾電勢（7-13）圖7-24 角位移測量儀58將霍耳元件置于永久磁鐵的磁場中。其霍耳元件的輸出與成正比，即 霍耳傳感器用于角度檢測595. 接近開關(guān)當(dāng)霍爾元件通以恒定的控制電流，且有磁體近距離接近霍爾元件然后再離開時(shí)，元件的霍爾輸出將發(fā)生顯著變化，輸出一個(gè)脈沖霍爾電勢。利用這種特性可進(jìn)行無觸點(diǎn)發(fā)信。這種情況下，對霍爾元件本身的線性和溫度穩(wěn)定性等要求不高，只要有足夠大的輸出即可。另外，作用于霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化值，僅與磁

25、體和元件的相對位置有關(guān)，與相對運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，這就使發(fā)信裝置的結(jié)構(gòu)既簡單又可靠?；魻枱o觸點(diǎn)發(fā)信可廣泛用于精確定位、導(dǎo)磁產(chǎn)品計(jì)數(shù)、轉(zhuǎn)速測量、接近開關(guān)和其他周期性信號的發(fā)信。60霍爾計(jì)數(shù)裝置工作示意圖及電路圖61627. 功率測量因此，可利用霍爾元件進(jìn)行直流功率測量。該電路適用于直流大功率的測量， 為負(fù)載電阻，指示儀表一般采用功率刻度的伏特表，霍爾元件采用 N 型鍺材料元件較為有利。其測量誤差一般小于1。這種功率測量方法有下列優(yōu)點(diǎn)：由于霍爾電勢正比于被測功率，因此可以做成直讀式功率計(jì)；功率測量范圍可從微瓦到數(shù)百瓦；裝置中設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)部分，輸出和輸入之間相互隔離，穩(wěn)定性好，精度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，壽命長

26、，成本低廉。圖7-25 直流功率計(jì)電路圖7-25是直流功率計(jì)電路。若外加磁場正比于外加電壓，表示為則霍爾電勢為（7-14）外加電壓與器件及器件材料、結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)常數(shù)功率637.4.2 磁敏電阻的應(yīng)用利用磁敏電阻的電氣特性可以在外磁場的作用下改變的特點(diǎn)，可以用來作為電流傳感器、磁敏接近開關(guān)、角速度/角位移傳感器、磁場傳感器等。磁阻元件阻值與通過電流量的大小組合起來，能夠?qū)崿F(xiàn)乘法運(yùn)算的功能，可以制作出電流計(jì)、磁通計(jì)、功率計(jì)、模擬運(yùn)算器、可變電阻等。此外磁敏電阻可用于開關(guān)電源、UPS、變頻器、伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、電度表、電子儀器儀表、家用電器等，應(yīng)用非常廣泛。64656667磁敏電位器（無觸點(diǎn)開關(guān)）圖

27、7-27是將 InSb-NiSb 材料制成具有中心抽頭的三端環(huán)形磁阻元件的無觸點(diǎn)電位器。將半圓形磁鋼（一種稀土永磁體）同心固定于磁阻元件上，并與兩個(gè)軸承固定的轉(zhuǎn)軸連接。隨著轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，不斷地改變磁鋼在圓形磁阻元件上面的位置。這種無觸點(diǎn)電位器實(shí)際上是一種中間抽頭的兩臂磁阻元件的互補(bǔ)電路。旋轉(zhuǎn)磁鋼改變作用于兩臂磁阻元件的磁鋼面積比，可產(chǎn)生磁阻比的變化。圖7-27 無觸點(diǎn)電位器 68圖7-27表示電源電壓 時(shí)，輸出電壓與磁鋼旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系。從圖可見，旋轉(zhuǎn)角輸出特性是以 370為周期、以 180為界對稱出現(xiàn)的。若以輸出電壓的一半處于中心點(diǎn)，在25范圍內(nèi)，其線性度達(dá) 0.5 % ；在45范圍內(nèi)，線性度

28、達(dá)1.5。這種無觸點(diǎn)電位器是通過磁鋼與磁阻器件的相對位置變化來改變輸出電壓的，它的分辨率比觸點(diǎn)式電位器高兩個(gè)數(shù)量級，而且不發(fā)生因觸點(diǎn)移動(dòng)而引起的摩擦噪聲。但這種無觸點(diǎn)電位器的成本比較高，不可能完全代替觸點(diǎn)式電位器。圖7-27無觸點(diǎn)電位器旋轉(zhuǎn)的輸出特性69非接觸式交流電流監(jiān)視器電路如圖所示。交流電流檢測傳感器采用半導(dǎo)體磁敏電阻MS-F06，放大器A1的增益可以在100至1000倍之間調(diào)整，輸出可接萬用表2V/20A交流檔。只要把傳感器靠近被測的交流電源線，則傳感器就會(huì)輸出與其電流大小成比例的電壓。70非接觸式交流電流監(jiān)視器電路71電機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路采用磁敏電阻測量電機(jī)轉(zhuǎn)速電路的實(shí)例。電路中a點(diǎn)電壓

29、隨轉(zhuǎn)速而改變，用運(yùn)放放大a點(diǎn)的變化電壓（這時(shí)采用交流放大器），目的是減小放大器的零點(diǎn)漂移。另外，因磁敏電阻工作時(shí)加有偏磁，可獲得與轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化趨勢相同的信號。在運(yùn)放的輸出端接入示波器或計(jì)數(shù)器，就可測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。727.4.3 磁敏二極管和晶體管應(yīng)用磁敏二極管比較適合于應(yīng)用在絕對精度要求不高、希望盡可能簡單地檢測磁場的有無、磁場方向及強(qiáng)弱等，而又能獲得較大電壓輸出的場合。磁敏晶體管的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域與磁敏二極管相似。主要在磁場測量、大電流測量、磁力探傷、接近開關(guān)、程序控制、位置控制、轉(zhuǎn)速測量、直流無刷馬達(dá)和各種工業(yè)過程自動(dòng)控制等技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用。731. 流量測量圖7-28為磁敏二極管渦流流量計(jì)示意圖，磁敏二極管用環(huán)氧樹脂封裝在導(dǎo)流頭內(nèi)，由導(dǎo)磁體同渦輪上的針形磁鐵構(gòu)成磁回路。磁敏二極管是不動(dòng)的，當(dāng)裝在渦輪上的磁鐵隨渦輪旋轉(zhuǎn)到一定位置時(shí)，磁敏二極