磁電式傳感器課件

第5章磁電式傳感器5.1磁電感應(yīng)式傳感器5.2霍爾式傳感器1第5章磁電式傳感器5.1磁電感應(yīng)式傳感器15.1磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器。由于它輸出功率大，且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），所以得到普遍應(yīng)用。25.1磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器又5.1.1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，沿垂直磁場方向運動時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為(5-1)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)體相對磁場的運動速度。35.1.1磁電感應(yīng)式傳感器工作原理(5-1)式中:當(dāng)一個W匝線圈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φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢e與磁通變化率dφ/dt有如下關(guān)系：根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。變磁通式又稱為磁阻式，圖5-1是變磁通式磁電傳感器，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。(5-2)4當(dāng)一個W匝線圈相對靜止地處于隨時間變化的磁場圖5-1（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輪較危險而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。5圖5-1（a）為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵圖5-1(b)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(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)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，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(yīng)電動勢。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。6圖5-1(b)為閉磁路變磁通式傳感器，它由裝圖5-1變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖(a)開磁路；(b)閉磁路7圖5-1變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖7圖5-2恒定磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖（a）動圈式；(b)動鐵式8圖5-2恒定磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖8磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式），動圈式（圖5-2（a））和動鐵式（圖5-2(b)）的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，當(dāng)振動頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢為9磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙表5-1常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。幾種補(bǔ)償線路如圖5-13所示。2霍爾傳感器的應(yīng)用圖5-3磁電式傳感器測量電路這種傳感器結(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。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；當(dāng)溫度變化時，式（5-8）中右邊三項都不為零，對銅線而言每攝氏度變化量為dl/l≈0.圖5-1變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖式中：KH0——溫度T0時的KH值；根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。圖5-15霍爾式位移傳感器的工作原理圖為了滿足Rp0及β兩個條件，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，這樣雖然麻煩但效果很好。v——導(dǎo)體相對磁場的運動速度。在電路中，霍爾元件一般可用兩種符號表示，如圖5-10（b）所示。當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，當(dāng)振動頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢為其運動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式），動圈式（圖5-2（a））和動鐵式（圖5-2(b)）的工作原理是完全相同的。②兩個霍爾電極大小不對稱，則兩個電極點的熱容不同，散熱狀態(tài)不同而形成極間溫差電勢。它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。將式（5-20）、（5-21）、（5-24）代入上式，經(jīng)整理并略去αβ(ΔT)2高次項后得此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。式中：Rf——測量電路輸入電阻；根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。式中：B0——工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；(a)磁場強(qiáng)度相同傳感器；當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，當(dāng)振動頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢為當(dāng)線圈的運動速度與圖5-4所示方向相反時，感應(yīng)電勢e、線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn)生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。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。(b)簡單的位移傳感器；它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分?；魻栭_關(guān)傳感器SL3501具有較高靈敏度的集成霍爾元件，能感受到很小的磁場變化，因而可對黑色金屬零件進(jìn)行計數(shù)檢測。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,即這種非線性特性同時伴隨著傳感器輸出的諧波失真。表5-1為常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)。此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。(b)簡單的位移傳感器；它的特點是輸出電壓在一定范圍內(nèi)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性關(guān)系。β——分流電阻溫度系數(shù)。式中,UH為電位差。(5-3)式中：B0——工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；l——每匝線圈平均長度；W——線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù)；v——相對運動速度。10表5-1常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)它同時也是霍爾系數(shù)的溫度5.1.2磁電感應(yīng)式傳感器基本特性當(dāng)測量電路接入磁電傳感器電路時，如圖5-3所示，磁電傳感器的輸出電流Io為（5-4)式中：Rf——測量電路輸入電阻；

R——線圈等效電阻。傳感器的電流靈敏度為（5-5)115.1.2磁電感應(yīng)式傳感器基本特性（5-4)式中：而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為(5-6)(5-7)當(dāng)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(jī)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，其相對誤差為(5-8)12而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為(5-6)(5-7)根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。由式（5-16）可見，霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，其靈敏度與霍爾系數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。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移率。圖5-1變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四根引線：1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱激勵電極（控制電極）；R——線圈等效電阻。圖5-1(b)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(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。（a）外形結(jié)構(gòu)示意圖；式中：U0——不等位電勢；此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。圖5-1變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖在電路中，霍爾元件一般可用兩種符號表示，如圖5-10（b）所示。根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。而絕緣材料電阻率極高，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。當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，當(dāng)振動頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢為式中：Rf——測量電路輸入電阻；霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四根引線：1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱激勵電極（控制電極）；它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分。霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點，它不僅用于磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率及電能參數(shù)的測量，也在位移測量中得到廣泛應(yīng)用。3磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路不等位電勢也可用不等位電阻表示，即圖5-1(b)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(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。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)。

1.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：由于傳感器線圈內(nèi)有電流I流過時，將產(chǎn)生一定的交變磁通φI，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,如圖5-4所示。當(dāng)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(yīng)電勢e和較大的電流I，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，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。當(dāng)線圈的運動速度與圖5-4所示方向相反時，感應(yīng)電勢e、線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn)生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，傳感器靈敏度越高，線圈中電流越大，這種非線性越嚴(yán)重。13根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁圖5-3磁電式傳感器測量電路14圖5-3磁電式傳感器測量電路14圖5-4傳感器電流的磁場效應(yīng)15圖5-4傳感器電流的磁場效應(yīng)15

2.溫度誤差當(dāng)溫度變化時，式（5-8）中右邊三項都不為零，對銅線而言每攝氏度變化量為dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2，dB/B每攝氏度的變化量決定于永久磁鐵的磁性材料。對鋁鎳鈷永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，這樣由式（5-8）可得近似值如下：162.溫度誤差16這一數(shù)值是很可觀的，所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償通常采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分。當(dāng)溫度升高時，熱磁分流器的磁導(dǎo)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)。17這一數(shù)值是很可觀的，所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償通常采用熱磁分5.1.3磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路圖5-5磁電式傳感器測量電路方框圖185.1.3磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路圖5-5磁電式傳5.1.4磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用1.動圈式振動速度傳感器圖5-6是動圈式振動速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其結(jié)構(gòu)主要特點是，鋼制圓形外殼，里面用鋁支架將圓柱形永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。195.1.4磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用19圖5-6動圈式振動速度傳感器20圖5-6動圈式振動速度傳感器202.磁電式扭矩傳感器圖5-7是磁電式扭矩傳感器的工作原理圖。在驅(qū)動源和負(fù)載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤。它們旁邊裝有相應(yīng)的兩個磁電傳感器。磁電傳感器的結(jié)構(gòu)見圖5-8所示。傳感器的檢測元件部分由永久磁鐵、感應(yīng)線圈和鐵芯組成。永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線與齒形圓盤交鏈。當(dāng)齒形圓盤旋轉(zhuǎn)時，圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變化，于是磁通量也發(fā)生變化，在線圈中感應(yīng)出交流電壓，其頻率在數(shù)值上等于圓盤上齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)的乘積。212.磁電式扭矩傳感器21圖5-7磁電式扭矩傳感器工作原理圖22圖5-7磁電式扭矩傳感器工作原理圖22圖5-8磁電式傳感器結(jié)構(gòu)圖23圖5-8磁電式傳感器結(jié)構(gòu)圖23當(dāng)扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時，兩個磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2存在相位差。這個相位差與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比。這樣，傳感器就可以把扭矩引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號。24當(dāng)扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時，兩個磁電傳感器輸出5.2霍爾式傳感器5.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件1.霍爾效應(yīng)置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢稱霍爾電勢。如圖5-9所示，在垂直于外磁場B的方向上放置一導(dǎo)電板，導(dǎo)電板通以電流I，方向如圖所示。導(dǎo)電板中的電流使金屬中自由電子在電場作用下做定向運動。此時，每個電子受洛倫茲力fl的作用，fl的大小為255.2霍爾式傳感器5.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件25fl=eBv（5-9）式中：e——電子電荷；v——電子運動平均速度；B——磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。26fl=eBv（5-9）式中：e——電子電荷；26圖5-9霍爾效應(yīng)原理圖27圖5-9霍爾效應(yīng)原理圖27

fl的方向在圖5-9中是向內(nèi)的，此時電子除了沿電流反方向作定向運動外，還在fl的作用下漂移，結(jié)果使金屬導(dǎo)電板內(nèi)側(cè)面積累電子，而外側(cè)面積累正電荷，從而形成了附加內(nèi)電場EH，稱霍爾電場，該電場強(qiáng)度為（5-10）式中,UH為電位差。28fl的方向在圖5-9中是向內(nèi)的，此時電子除霍爾電場的出現(xiàn)，使定向運動的電子除了受洛倫茲力作用外，還受到霍爾電場力的作用，其力的大小為eEH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著內(nèi)、外側(cè)面積累電荷的增加，霍爾電場增大，電子受到的霍爾電場力也增大，當(dāng)電子所受洛倫磁力與霍爾電場作用力大小相等方向相反，即eEH=eBv

（5-11）時，則EH=vB（5-12）此時電荷不再向兩側(cè)面積累，達(dá)到平衡狀態(tài)。29霍爾電場的出現(xiàn)，使定向運動的電子除了受洛倫一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很?。皇街校篣0——不等位電勢；①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；它不需要輔助電源，就能把被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器?；魻栐遣捎冒雽?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)。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；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，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(bǔ)償?shù)姆椒?。v——電子運動平均速度；當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)δ及霍爾電勢溫度系數(shù)α是確定值。它由霍爾元件、放大器、電壓調(diào)整電路、電流放大輸出電路、失調(diào)調(diào)整及線性度調(diào)整電路等幾部分組成，有三端T形單端輸出和八腳雙列直插型雙端輸出兩種結(jié)構(gòu)。此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。實際上，由于A、B電極不在同一等位面上，此四個電阻阻值不相等，電橋不平衡，不等位電勢不等于零。幾種補(bǔ)償線路如圖5-13所示。(4）寄生直流電勢補(bǔ)償通常采用熱磁分流器。①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；霍爾電場的出現(xiàn)，使定向運動的電子除了受洛倫茲力作用外，還受到霍爾電場力的作用，其力的大小為eEH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。若金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n，電子定向運動平均速度為v，則激勵電流I=nevbd，即（5-13）將式（5-13）代入式（5-12）得（5-14）將上式代入式（5-10）得（5-15）30一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很??；式中令RH=1/ne，稱之為霍爾常數(shù)，其大小取決于導(dǎo)體載流子密度,則（5-16）式中,KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。由式（5-16）可見，霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，其靈敏度與霍爾系數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。31式中令RH=1/ne，稱之為霍爾常數(shù)，其大小霍爾元件激勵極間電阻R=ρl/(bd)，同時R=U/I=El/I=vl/(μnevbd)（因為μ=v/E,μ為電子遷移率），則(5-17)解得RH=μρ

(5-18)32霍爾元件激勵極間電阻R=ρl/(bd)，同從式（5-18）可知，霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率μ的乘積。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移率。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，故只有半導(dǎo)體材料才適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有：鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。其中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺。銻化銦對溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度好。表5-1為常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)。33從式（5-18）可知，霍爾常數(shù)等于霍爾片材料表5-1常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)34表5-1常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)342.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、四根引線和殼體組成的，如圖5-10（a）所示?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四根引線：1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱激勵電極（控制電極）；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱霍爾電極?；魻栐臍んw是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。在電路中，霍爾元件一般可用兩種符號表示，如圖5-10（b）所示。352.霍爾元件基本結(jié)構(gòu)35圖5-10霍爾元件（a）外形結(jié)構(gòu)示意圖；（b）圖形符號36圖5-10霍爾元件36

3.霍爾元件基本特性(1)額定激勵電流和最大允許激勵電流當(dāng)霍爾元件自身溫升10℃時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)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。改善霍爾元件的散熱條件，可以使激勵電流增加。373.霍爾元件基本特性37(2）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輸出電勢對電路外部來說相當(dāng)于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，且環(huán)境溫度在20℃±5℃時所確定的。38(2）輸入電阻和輸出電阻38(3）不等位電勢和不等位電阻當(dāng)霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，則它的霍爾電勢應(yīng)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，如圖5-11所示。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有：①霍爾電極安裝位置不對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激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。39(3）不等位電勢和不等位電阻39②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；磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。實際上，由于A、B電極不在同一等位面上，此四個電阻阻值不相等，電橋不平衡，不等位電勢不等于零。當(dāng)溫度升高時，熱磁分流器的磁導(dǎo)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)。此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。將式（5-20）、（5-21）、（5-24）代入上式，經(jīng)整理并略去αβ(ΔT)2高次項后得磁電傳感器的結(jié)構(gòu)見圖5-8所示。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。永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線與齒形圓盤交鏈。式中：KH0——溫度T0時的KH值；它們旁邊裝有相應(yīng)的兩個磁電傳感器?；魻柤稍菍⒒魻栐头糯笃鞯燃稍谝粔K芯片上。圖5-5磁電式傳感器測量電路方框圖轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速。霍爾開關(guān)傳感器SL3501具有較高靈敏度的集成霍爾元件，能感受到很小的磁場變化，因而可對黑色金屬零件進(jìn)行計數(shù)檢測。大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值，它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加αΔT倍?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；圖5-11不等位電勢示意圖40②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；圖不等位電勢也可用不等位電阻表示，即（5-19）式中：U0——不等位電勢；

r0——不等位電阻；

I——激勵電流。由式（5-19）可以看出，不等位電勢就是激勵電流流經(jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓，如圖5-11所示。41不等位電勢也可用不等位電阻表示，即（5-19）式中：(4）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。其產(chǎn)生的原因有：①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；②兩個霍爾電極大小不對稱，則兩個電極點的熱容不同，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。42(4）寄生直流電勢42(5）霍爾電勢溫度系數(shù)在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵電流下，溫度每變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數(shù)。它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。43(5）霍爾電勢溫度系數(shù)43

4.霍爾元件不等位電勢補(bǔ)償不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超過霍爾電勢，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(bǔ)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，用分析電橋平衡來補(bǔ)償不等位電勢。444.霍爾元件不等位電勢補(bǔ)償44熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。為了滿足Rp0及β兩個條件，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，這樣雖然麻煩但效果很好。式中：e——電子電荷；目前常用的霍爾元件材料有：鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。圖5-17是對鋼球進(jìn)行計數(shù)的工作示意圖和電路圖。當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)δ及霍爾電勢溫度系數(shù)α是確定值。將式（5-13）代入式（5-12）得根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；4.圖5-6動圈式振動速度傳感器銻化銦對溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時其霍爾系數(shù)較大。實際上，由于A、B電極不在同一等位面上，此四個電阻阻值不相等，電橋不平衡，不等位電勢不等于零。圖5-4傳感器電流的磁場效應(yīng)由式（5-16）可見，霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，其靈敏度與霍爾系數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。變磁通式又稱為磁阻式，圖5-1是變磁通式磁電傳感器，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。2霍爾傳感器的應(yīng)用①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；導(dǎo)電板中的電流使金屬中自由電子在電場作用下做定向運動。(b)簡單的位移傳感器；v——電子運動平均速度；根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目多少就可確定傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。圖5-12為霍爾元件的等效電路，其中A、B為霍爾電極，C、D為激勵電極，電極分布電阻分別用r1、r2、r3、r4表示，把它們看作電橋的四個橋臂。理想情況下，電極A、B處于同一等位面上，r1=r2=r3=r4，電橋平衡，不等位電勢U0為0。實際上，由于A、B電極不在同一等位面上，此四個電阻阻值不相等，電橋不平衡，不等位電勢不等于零。此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。幾種補(bǔ)償線路如圖5-13所示。圖（a）、（b）為常見的補(bǔ)償電路，圖（b）、（c）相當(dāng)于在等效電橋的兩個橋臂上同時并聯(lián)電阻，圖（d）用于交流供電的情況。45熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。圖5-12霍爾元件的等效電路46圖5-12霍爾元件的等效電路46圖5-13不等位電勢補(bǔ)償電路47圖5-13不等位電勢補(bǔ)償電路475.霍爾元件溫度補(bǔ)償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。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=KHIB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。485.霍爾元件溫度補(bǔ)償48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?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成KH=KH0(1+αΔT)

（5-20）式中：KH0——溫度T0時的KH值；ΔT=T-T0——溫度變化量；

α——霍爾電勢溫度系數(shù)。49霍爾元件的靈敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，它隨溫大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值，它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加αΔT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。圖5-14就是按此思路設(shè)計的一個既簡單，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?0大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值，它們的霍爾圖5-15給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖。式中：U0——不等位電勢；2霍爾傳感器的應(yīng)用理想情況下，電極A、B處于同一等位面上，r1=r2=r3=r4，電橋平衡，不等位電勢U0為0。當(dāng)測量電路接入磁電傳感器電路時，如圖5-3所示，磁電傳感器的輸出電流Io為隨著內(nèi)、外側(cè)面積累電荷的增加，霍爾電場增大，電子受到的霍爾電場力也增大，當(dāng)電子所受洛倫磁力與霍爾電場作用力大小相等方向相反，即2.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)。此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。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，稱為寄生直流電勢?；魻栐哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點，它不僅用于磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率及電能參數(shù)的測量，也在位移測量中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。4磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用圖5-17霍爾計數(shù)裝置的工作示意圖及電路圖這種傳感器結(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。式中：Rf——測量電路輸入電阻；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。一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很?。划?dāng)溫度升至T時，電路中各參數(shù)變?yōu)椋╝）外形結(jié)構(gòu)示意圖；它由霍爾元件、放大器、電壓調(diào)整電路、電流放大輸出電路、失調(diào)調(diào)整及線性度調(diào)整電路等幾部分組成，有三端T形單端輸出和八腳雙列直插型雙端輸出兩種結(jié)構(gòu)。圖5-14恒流溫度補(bǔ)償電路51圖5-15給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖。圖5-14在圖5-14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（5-21）當(dāng)溫度升至T時，電路中各參數(shù)變?yōu)椋?-22）（5-23）式中：δ——霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)；

β——分流電阻溫度系數(shù)。52在圖5-14所示的溫度補(bǔ)償電路中，設(shè)初始溫度則（5-24）雖然溫度升高了ΔT，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

（5-25）有KH0IH0=KHIH

（5-26）53則（5-24）雖然溫度升高了ΔT，為使霍將式（5-20）、（5-21）、（5-24）代入上式，經(jīng)整理并略去αβ(ΔT)2高次項后得（5-27）當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)δ及霍爾電勢溫度系數(shù)α是確定值。由式（5-27）即可計算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)β值。為了滿足Rp0及β兩個條件，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，這樣雖然麻煩但效果很好。54將式（5-20）、（5-21）、（5-24）5.2.2霍爾傳感器的應(yīng)用1.霍爾式微位移傳感器霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點，它不僅用于磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率及電能參數(shù)的測量，也在位移測量中得到廣泛應(yīng)用。圖5-15給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖。圖5-15（a）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，因此霍爾元件輸出的霍爾電勢UH也等于零，此時位移Δx=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對位移，霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之改變，這時UH不為零，其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量。這種結(jié)構(gòu)的傳感器，其動態(tài)范圍可達(dá)5mm，分辨率為0.001mm。555.2.2霍爾傳感器的應(yīng)用55圖5-15霍爾式位移傳感器的工作原理圖(a)磁場強(qiáng)度相同傳感器；(b)簡單的位移傳感器；(c)結(jié)構(gòu)相同的位移傳感器56圖5-15霍爾式位移傳感器的工作原理圖56圖5-15（b）是一種結(jié)構(gòu)簡單的霍爾位移傳感器，是由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器，在霍爾元件處于初始位置Δx=0時，霍爾電勢UH不等于零。圖5-15（c）是一個由兩個結(jié)構(gòu)相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器，為了獲得較好的線性分布，在磁極端面裝有極靴，霍爾元件調(diào)整好初始位置時，可以使霍爾電勢UH=0。這種傳感器靈敏度很高，但它所能檢測的位移量較小，適合于微位移量及振動的測量。57圖5-15（b）是一種結(jié)構(gòu)簡單的霍爾位移傳感式中：e——電子電荷；實際上，由于A、B電極不在同一等位面上，此四個電阻阻值不相等，電橋不平衡，不等位電勢不等于零。此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度升至T時，電路中各參數(shù)變?yōu)閳D5-15（b）是一種結(jié)構(gòu)簡單的霍爾位移傳感器，是由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器，在霍爾元件處于初始位置Δx=0時，霍爾電勢UH不等于零。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。圖5-15（c）是一個由兩個結(jié)構(gòu)相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器，為了獲得較好的線性分布，在磁極端面裝有極靴，霍爾元件調(diào)整好初始位置時，可以使霍爾電勢UH=0。2磁電感應(yīng)式傳感器基本特性2磁電感應(yīng)式傳感器基本特性（a）外形結(jié)構(gòu)示意圖；圖5-2恒定磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖圖5-6動圈式振動速度傳感器這種傳感器結(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。當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，當(dāng)振動頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢為由式（5-27）即可計算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)β值。為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。這一數(shù)值是很可觀的，所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。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)。將式（5-13）代入式（5-12）得將式（5-20）、（5-21）、（5-24）代入上式，經(jīng)整理并略去αβ(ΔT)2高次項后得2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器圖5-16是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目多少就可確定傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。58式中：e——電子電荷；2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感圖5-16幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)59圖5-16幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)59圖5-4傳感器電流的磁場效應(yīng)根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為圖5-17是對鋼球進(jìn)行計數(shù)的工作示意圖和電路圖。圖5-15（c）是一個由兩個結(jié)構(gòu)相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器，為了獲得較好的線性分布，在磁極端面裝有極靴，霍爾元件調(diào)整好初始位置時，可以使霍爾電勢UH=0。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。而絕緣材料電阻率極高，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。雖然溫度升高了ΔT，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，則霍爾元件激勵極間電阻R=ρl/(bd)，同時R=U/I=El/I=vl/(μnevbd)（因為μ=v/E,μ為電子遷移率），則KH=KH0(1+αΔT)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移率。圖5-5磁電式傳感器測量電路方框圖根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。當(dāng)一個W匝線圈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φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢e與磁通變化率dφ/dt有如下關(guān)系：(a)磁場強(qiáng)度相同傳感器；此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。圖5-1(b)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(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。導(dǎo)電板中的電流使金屬中自由電子在電場作用下做定向運動。3.霍爾計數(shù)裝置霍爾集成元件是將霍爾元件和放大器等集成在一塊芯片上。它由霍爾元件、放大器、電壓調(diào)整電路、電流放大輸出電路、失調(diào)調(diào)整及線性度調(diào)整電路等幾部分組成，有三端T形單端輸出和八腳雙列直插型雙端輸出兩種結(jié)構(gòu)。它的特點是輸出電壓在一定范圍內(nèi)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性關(guān)系。霍爾開關(guān)傳感器SL3501具有較高靈敏度的集成霍爾元件，能感受到很小的磁場變化，因而可對黑色金屬零件進(jìn)行計數(shù)檢測。圖5-17是對鋼球進(jìn)行計數(shù)的工作示意圖和電路圖。當(dāng)鋼球通過霍爾開關(guān)傳感器時，傳感器可輸出峰值20mV的脈沖電壓，該電壓經(jīng)運算放大器(μA741)放大后，驅(qū)動半導(dǎo)體三極管V(2N5812)工作，V輸出端便可接計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，并由顯示器顯示檢測數(shù)值。60圖5-4傳感器電流的磁場效應(yīng)3.霍爾計圖5-17霍爾計數(shù)裝置的工作示意圖及電路圖61圖5-17霍爾計數(shù)裝置的工作示意圖及電路圖61習(xí)題第五章5、8題（p151）62習(xí)題第五章5、8題（p151）62第5章磁電式傳感器5.1磁電感應(yīng)式傳感器5.2霍爾式傳感器63第5章磁電式傳感器5.1磁電感應(yīng)式傳感器15.1磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器。由于它輸出功率大，且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），所以得到普遍應(yīng)用。645.1磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器又5.1.1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，沿垂直磁場方向運動時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為(5-1)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)體相對磁場的運動速度。655.1.1磁電感應(yīng)式傳感器工作原理(5-1)式中:當(dāng)一個W匝線圈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φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢e與磁通變化率dφ/dt有如下關(guān)系：根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。變磁通式又稱為磁阻式，圖5-1是變磁通式磁電傳感器，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。(5-2)66當(dāng)一個W匝線圈相對靜止地處于隨時間變化的磁場圖5-1（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輪較危險而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。67圖5-1（a）為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵圖5-1(b)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(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)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，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(yīng)電動勢。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。68圖5-1(b)為閉磁路變磁通式傳感器，它由裝圖5-1變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖(a)開磁路；(b)閉磁路69圖5-1變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖7圖5-2恒定磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖（a）動圈式；(b)動鐵式70圖5-2恒定磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖8磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式），動圈式（圖5-2（a））和動鐵式（圖5-2(b)）的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，當(dāng)振動頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢為71磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙表5-1常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。幾種補(bǔ)償線路如圖5-13所示。2霍爾傳感器的應(yīng)用圖5-3磁電式傳感器測量電路這種傳感器結(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。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；當(dāng)溫度變化時，式（5-8）中右邊三項都不為零，對銅線而言每攝氏度變化量為dl/l≈0.圖5-1變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖式中：KH0——溫度T0時的KH值；根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。圖5-15霍爾式位移傳感器的工作原理圖為了滿足Rp0及β兩個條件，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，這樣雖然麻煩但效果很好。v——導(dǎo)體相對磁場的運動速度。在電路中，霍爾元件一般可用兩種符號表示，如圖5-10（b）所示。當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，當(dāng)振動頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢為其運動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式），動圈式（圖5-2（a））和動鐵式（圖5-2(b)）的工作原理是完全相同的。②兩個霍爾電極大小不對稱，則兩個電極點的熱容不同，散熱狀態(tài)不同而形成極間溫差電勢。它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。將式（5-20）、（5-21）、（5-24）代入上式，經(jīng)整理并略去αβ(ΔT)2高次項后得此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。式中：Rf——測量電路輸入電阻；根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。式中：B0——工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；(a)磁場強(qiáng)度相同傳感器；當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，當(dāng)振動頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢為當(dāng)線圈的運動速度與圖5-4所示方向相反時，感應(yīng)電勢e、線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn)生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。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。(b)簡單的位移傳感器；它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分?；魻栭_關(guān)傳感器SL3501具有較高靈敏度的集成霍爾元件，能感受到很小的磁場變化，因而可對黑色金屬零件進(jìn)行計數(shù)檢測。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,即這種非線性特性同時伴隨著傳感器輸出的諧波失真。表5-1為常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)。此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。(b)簡單的位移傳感器；它的特點是輸出電壓在一定范圍內(nèi)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性關(guān)系。β——分流電阻溫度系數(shù)。式中,UH為電位差。(5-3)式中：B0——工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；l——每匝線圈平均長度；W——線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù)；v——相對運動速度。72表5-1常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)它同時也是霍爾系數(shù)的溫度5.1.2磁電感應(yīng)式傳感器基本特性當(dāng)測量電路接入磁電傳感器電路時，如圖5-3所示，磁電傳感器的輸出電流Io為（5-4)式中：Rf——測量電路輸入電阻；

R——線圈等效電阻。傳感器的電流靈敏度為（5-5)735.1.2磁電感應(yīng)式傳感器基本特性（5-4)式中：而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為(5-6)(5-7)當(dāng)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(jī)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，其相對誤差為(5-8)74而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為(5-6)(5-7)根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。由式（5-16）可見，霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，其靈敏度與霍爾系數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。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移率。圖5-1變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四根引線：1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱激勵電極（控制電極）；R——線圈等效電阻。圖5-1(b)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(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。（a）外形結(jié)構(gòu)示意圖；式中：U0——不等位電勢；此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。圖5-1變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖在電路中，霍爾元件一般可用兩種符號表示，如圖5-10（b）所示。根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。而絕緣材料電阻率極高，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。當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，當(dāng)振動頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢為式中：Rf——測量電路輸入電阻；霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四根引線：1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱激勵電極（控制電極）；它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分?；魻栐哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點，它不僅用于磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率及電能參數(shù)的測量，也在位移測量中得到廣泛應(yīng)用。3磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路不等位電勢也可用不等位電阻表示，即圖5-1(b)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(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。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)。

1.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：由于傳感器線圈內(nèi)有電流I流過時，將產(chǎn)生一定的交變磁通φI，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,如圖5-4所示。當(dāng)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(yīng)電勢e和較大的電流I，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，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。當(dāng)線圈的運動速度與圖5-4所示方向相反時，感應(yīng)電勢e、線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn)生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，傳感器靈敏度越高，線圈中電流越大，這種非線性越嚴(yán)重。75根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁圖5-3磁電式傳感器測量電路76圖5-3磁電式傳感器測量電路14圖5-4傳感器電流的磁場效應(yīng)77圖5-4傳感器電流的磁場效應(yīng)15

2.溫度誤差當(dāng)溫度變化時，式（5-8）中右邊三項都不為零，對銅線而言每攝氏度變化量為dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2，dB/B每攝氏度的變化量決定于永久磁鐵的磁性材料。對鋁鎳鈷永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，這樣由式（5-8）可得近似值如下：782.溫度誤差16這一數(shù)值是很可觀的，所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償通常采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分。當(dāng)溫度升高時，熱磁分流器的磁導(dǎo)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)。79這一數(shù)值是很可觀的，所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償通常采用熱磁分5.1.3磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路圖5-5磁電式傳感器測量電路方框圖805.1.3磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路圖5-5磁電式傳5.1.4磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用1.動圈式振動速度傳感器圖5-6是動圈式振動速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其結(jié)構(gòu)主要特點是，鋼制圓形外殼，里面用鋁支架將圓柱形永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。815.1.4磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用19圖5-6動圈式振動速度傳感器82圖5-6動圈式振動速度傳感器202.磁電式扭矩傳感器圖5-7是磁電式扭矩傳感器的工作原理圖。在驅(qū)動源和負(fù)載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤。它們旁邊裝有相應(yīng)的兩個磁電傳感器。磁電傳感器的結(jié)構(gòu)見圖5-8所示。傳感器的檢測元件部分由永久磁鐵、感應(yīng)線圈和鐵芯組成。永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線與齒形圓盤交鏈。當(dāng)齒形圓盤旋轉(zhuǎn)時，圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變化，于是磁通量也發(fā)生變化，在線圈中感應(yīng)出交流電壓，其頻率在數(shù)值上等于圓盤上齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)的乘積。832.磁電式扭矩傳感器21圖5-7磁電式扭矩傳感器工作原理圖84圖5-7磁電式扭矩傳感器工作原理圖22圖5-8磁電式傳感器結(jié)構(gòu)圖85圖5-8磁電式傳感器結(jié)構(gòu)圖23當(dāng)扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時，兩個磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2存在相位差。這個相位差與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比。這樣，傳感器就可以把扭矩引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號。86當(dāng)扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時，兩個磁電傳感器輸出5.2霍爾式傳感器5.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件1.霍爾效應(yīng)置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢稱霍爾電勢。如圖5-9所示，在垂直于外磁場B的方向上放置一導(dǎo)電板，導(dǎo)電板通以電流I，方向如圖所示。導(dǎo)電板中的電流使金屬中自由電子在電場作用下做定向運動。此時，每個電子受洛倫茲力fl的作用，fl的大小為875.2霍爾式傳感器5.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件25fl=eBv（5-9）式中：e——電子電荷；v——電子運動平均速度；B——磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。88fl=eBv（5-9）式中：e——電子電荷；26圖5-9霍爾效應(yīng)原理圖89圖5-9霍爾效應(yīng)原理圖27

fl的方向在圖5-9中是向內(nèi)的，此時電子除了沿電流反方向作定向運動外，還在fl的作用下漂移，結(jié)果使金屬導(dǎo)電板內(nèi)側(cè)面積累電子，而外側(cè)面積累正電荷，從而形成了附加內(nèi)電場EH，稱霍爾電場，該電場強(qiáng)度為（5-10）式中,UH為電位差。90fl的方向在圖5-9中是向內(nèi)的，此時電子除霍爾電場的出現(xiàn)，使定向運動的電子除了受洛倫茲力作用外，還受到霍爾電場力的作用，其力的大小為eEH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著內(nèi)、外側(cè)面積累電荷的增加，霍爾電場增大，電子受到的霍爾電場力也增大，當(dāng)電子所受洛倫磁力與霍爾電場作用力大小相等方向相反，即eEH=eBv

（5-11）時，則EH=vB（5-12）此時電荷不再向兩側(cè)面積累，達(dá)到平衡狀態(tài)。91霍爾電場的出現(xiàn)，使定向運動的電子除了受洛倫一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很??；式中：U0——不等位電勢；①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；它不需要輔助電源，就能把被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器?；魻栐遣捎冒雽?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)。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；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，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(bǔ)償?shù)姆椒?。v——電子運動平均速度；當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)δ及霍爾電勢溫度系數(shù)α是確定值。它由霍爾元件、放大器、電壓調(diào)整電路、電流放大輸出電路、失調(diào)調(diào)整及線性度調(diào)整電路等幾部分組成，有三端T形單端輸出和八腳雙列直插型雙端輸出兩種結(jié)構(gòu)。此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。實際上，由于A、B電極不在同一等位面上，此四個電阻阻值不相等，電橋不平衡，不等位電勢不等于零。幾種補(bǔ)償線路如圖5-13所示。(4）寄生直流電勢補(bǔ)償通常采用熱磁分流器。①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；霍爾電場的出現(xiàn)，使定向運動的電子除了受洛倫茲力作用外，還受到霍爾電場力的作用，其力的大小為eEH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。若金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n，電子定向運動平均速度為v，則激勵電流I=nevbd，即（5-13）將式（5-13）代入式（5-12）得（5-14）將上式代入式（5-10）得（5-15）92一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很??；式中令RH=1/ne，稱之為霍爾常數(shù)，其大小取決于導(dǎo)體載流子密度,則（5-16）式中,KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。由式（5-16）可見，霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，其靈敏度與霍爾系數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。93式中令RH=1/ne，稱之為霍爾常數(shù)，其大小霍爾元件激勵極間電阻R=ρl/(bd)，同時R=U/I=El/I=vl/(μnevbd)（因為μ=v/E,μ為電子遷移率），則(5-17)解得RH=μρ

(5-18)94霍爾元件激勵極間電阻R=ρl/(bd)，同從式（5-18）可知，霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率μ的乘積。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移率。一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很??；而絕緣材料電阻率極高，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。目前常用的霍爾元件材料有：鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。其中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺。銻化銦對溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度好。表5-1為常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)。95從式（5-18）可知，霍爾常數(shù)等于霍爾片材料表5-1常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)96表5-1常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)342.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、四根引線和殼體組成的，如圖5-10（a）所示。霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四根引線：1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱激勵電極（控制電極）；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱霍爾電極?；魻栐臍んw是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。在電路中，霍爾元件一般可用兩種符號表示，如圖5-10（b）所示。972.霍爾元件基本結(jié)構(gòu)35圖5-10霍爾元件（a）外形結(jié)構(gòu)示意圖；（b）圖形符號98圖5-10霍爾元件36

3.霍爾元件基本特性(1)額定激勵電流和最大允許激勵電流當(dāng)霍爾元件自身溫升10℃時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)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。改善霍爾元件的散熱條件，可以使激勵電流增加。993.霍爾元件基本特性37(2）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輸出電勢對電路外部來說相當(dāng)于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，且環(huán)境溫度在20℃±5℃時所確定的。100(2）輸入電阻和輸出電阻38(3）不等位電勢和不等位電阻當(dāng)霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，則它的霍爾電勢應(yīng)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，如圖5-11所示。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有：①霍爾電極安裝位置不對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激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。101(3）不等位電勢和不等位電阻39②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；磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。實際上，由于A、B電極不在同一等位面上，此四個電阻阻值不相等，電橋不平衡，不等位電勢不等于零。當(dāng)溫度升高時，熱磁分流器的磁導(dǎo)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)。此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。將式（5-20）、（