ch7成都信息工程學(xué)院 傳感器技術(shù)

被測量感應(yīng)電動勢E主要內(nèi)容：一、磁電式傳感器二、霍爾傳感器第七章電動勢傳感器霍爾傳感器霍爾傳感器工作原理霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路霍爾元件的主要特性參數(shù)霍爾元件誤差及補償霍爾式傳感器的應(yīng)用7.2.1霍爾傳感器工作原理

半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時，半導(dǎo)體薄片上平行于電流和磁場方向的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生的電動勢稱霍爾電勢UH

半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件霍爾效應(yīng)演示

當(dāng)磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdab霍爾效應(yīng)原理每個電子受到的洛侖茲力為：所形成的霍爾電場的場強為：霍爾電場作用于電子的力：

平衡時：霍爾電勢：通過半導(dǎo)體薄片的電流I與載流子濃度n，電子運動速度v，薄片橫截面積b*d有關(guān)；則，霍爾電勢霍爾常數(shù)霍爾靈敏度霍爾常數(shù)霍爾常數(shù)大小取決于導(dǎo)體的載流子密度：金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢也小，所以金屬材料不宜制作霍爾元件?；魻栯妱菖c導(dǎo)體厚度d成反比：為了提高霍爾電勢值，霍爾元件制成薄片形狀?；魻栐`敏度（靈敏系數(shù)）半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運動平均速度）比空穴遷移率高，因此N型半導(dǎo)體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件，綜上：

任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不是都可以制造霍爾元件；絕緣材料電阻率很大，電子遷移率很小，不適用；金屬材料電子濃度很高，RH很小，UH很小。半導(dǎo)體電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體（多電子）。

由上式可見，厚度d越小，霍爾靈敏度KH越大，所以霍爾元件做的較薄，通常近似1微米。5.2.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路圖（b）是霍爾元件通用的圖形符號。圖（a）其中1-1電極用于加控制電流，稱控制電極。另一對2-2電極用于引出霍爾電勢，稱霍爾電勢輸出極。在基片外面用金屬或陶瓷、環(huán)氧樹脂等封裝作為外殼。圖（c）所示，霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對霍爾電勢數(shù)值影響很大。通常霍爾電極位于基片長度的中間，其寬度遠(yuǎn)小于基片的長度。圖（d）是基本測量電路?；魻栐慕Y(jié)構(gòu)和基本電路輸出Uo與I或B成正比關(guān)有四根引線，兩端加激勵，兩端為輸出；電源為E，控制電流I；負(fù)載RL；B磁場與元件垂直向里。實測中，可把I和B作為輸入，也可單獨輸入，通過霍爾電勢輸出測量結(jié)果。得到U0與I或B成正比關(guān)系?；魻栐闹饕匦詤?shù)當(dāng)磁場和環(huán)境溫度一定時:

霍爾電勢與控制電流I成正比當(dāng)控制電流和環(huán)境溫度一定時:

霍爾電勢與磁場的磁感應(yīng)強度B成正比當(dāng)環(huán)境溫度一定時:

輸出的霍爾電勢與I和B的乘積成正比測量以上電阻時，應(yīng)在沒有外磁場和室溫變化的條件下進行。

霍爾元件的主要特性參數(shù)：(1)輸入電阻和輸出電阻

輸入電阻：控制電極間的電阻

輸出電阻：霍爾電極之間的電阻(2)額定控制電流和最大允許控制電流

額定控制電流：當(dāng)霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產(chǎn)生10℃溫升時，對應(yīng)的控制電流值

最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對應(yīng)的控制電流值(3)不等位電勢Uo和不等位電阻ro

不等位電勢：當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時，若元件所處位置的磁感應(yīng)強度為零，則霍爾電勢應(yīng)該為零，實際不為零，測得的空載霍爾電勢。不等位電勢是由霍爾電極之間的電阻決定的，r

0稱不等位電阻，Ｉ流經(jīng)不等位電阻所產(chǎn)生的電勢。

(4)寄生直流電勢當(dāng)沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時，霍爾電極的輸出有一個直流電勢?？刂齐姌O和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時，會產(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個霍爾電極焊點的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢。(5)霍爾電勢溫度系數(shù)在一定磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度每變化1度時，霍爾電勢變化的百分率?；魻栐`差及補償1.不等位電勢誤差的補償2.溫度誤差及其補償不等位電勢當(dāng)霍爾元件通以電流I時，若磁場B＝0，理論上UH＝0。這是測得的電勢稱為U0。產(chǎn)生原因：霍爾引出電極安裝不對稱

半導(dǎo)體材料不均勻

1.不等位電勢誤差的補償可以把霍爾元件視為一個四臂電阻電橋，不等位電勢就相當(dāng)于電橋的初始不平衡輸出電壓。電勢的補償電路對稱電路

當(dāng)溫度變化時，補償?shù)姆€(wěn)定性要好些2.溫度誤差及其補償溫度誤差產(chǎn)生原因： 霍爾元件的基片是半導(dǎo)體材料，因而對溫度的變化很敏感。其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數(shù)都是溫度的函數(shù)。 當(dāng)溫度變化時，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電勢、輸入電阻和輸出電阻等都要發(fā)生變化，從而使霍爾式傳感器產(chǎn)生溫度誤差。減小霍爾元件的溫度誤差選用溫度系數(shù)小的元件采用恒溫措施采用恒流源供電恒流源溫度補償霍爾元件的靈敏系數(shù)也是溫度的函數(shù)，它隨溫度的變化引起霍爾電勢的變化，霍爾元件的靈敏系數(shù)與溫度的關(guān)系KH0

為溫度T0時的KH值；溫度變化量；霍爾電勢的溫度系數(shù)。大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值時，它們的霍爾電勢隨溫度的升高而增加（1+α△t）倍。同時，讓控制電流I相應(yīng)地減小，能保持KHI不變就抵消了靈敏系數(shù)值增加的影響。恒流源溫度補償電路當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻自動地加強分流，減少了霍爾元件的控制電流具體補償方法:具體補償方法：霍爾元件上并聯(lián)一Rp分流，當(dāng)T增大時—Ri增大—UH增大—IH減小—Ip增大—UH下降。Rp

自動加強分流，使Ip

增大—IH下降—UH下降,補償電阻Rp可選擇負(fù)溫度系數(shù)?；魻柺絺鞲衅鞯膽?yīng)用優(yōu)點:

結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，頻帶寬，動態(tài)特性好和壽命長應(yīng)用：電磁測量：測量恒定的或交變的磁感應(yīng)強度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數(shù)；自動檢測系統(tǒng)：多用于位移、壓力的測量。1.微位移和壓力的測量測量原理： 霍爾電勢與磁感應(yīng)強度成正比，若磁感應(yīng)強度是位置的函數(shù)，則霍爾電勢的大小就可以用來反映霍爾元件的位置。應(yīng)用： 位移測量、力、壓力、應(yīng)變、機械振動、加速度產(chǎn)生梯度磁場的示意圖位移量較小，適于測量微位移和機械振動2.磁場的測量 在控制電流恒定條件下，霍爾電勢大小與磁感應(yīng)強度成正比，由于霍爾元件的結(jié)構(gòu)特點，它特別適用于微小氣隙中的磁感應(yīng)強度、高梯度磁場參數(shù)的測量?；魻栯妱菔谴艌龇较蚺c霍爾基片法線方向之間夾角的函數(shù)。應(yīng)用：霍爾式磁羅盤、霍爾式方位傳感器、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對準(zhǔn)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，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時，輸出為低電平?；魻柛咚褂嫞ㄌ厮估嫞┑氖褂?/p>

霍爾元件磁鐵將霍爾元件垂直置于磁場B中，輸入恒定的控制電流I，則霍爾輸出電壓UH正比于磁感應(yīng)強度B，此方法可以測量恒定或交變磁場的高斯數(shù)?；魻杺鞲衅饔糜跍y量磁場強度

霍爾元件測量鐵心氣隙的B值霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾IC霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

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)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾7.1磁電式傳感器 通過磁電作用將被測量（如振動、轉(zhuǎn)速、扭矩）轉(zhuǎn)換電勢信號的傳感器。它是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動勢；屬于機-電能量變換型傳感器

優(yōu)點:

不需要供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小7.1.1磁電式傳感器的工作原理

法拉第電磁感應(yīng)定律：k為比例系數(shù)，E為感應(yīng)電勢，φ為磁通。當(dāng)E的單位為伏特（V），φ的單位為韋伯（Wb），t的單位為秒（s）時，k＝1，這時感應(yīng)電勢為：

線圈在磁場中運動切割磁力線，線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E。如果線圈是N匝，磁感應(yīng)強度是B，每匝線圈的平均長度la（磁場中的有效長度），線圈相對磁場運動的速度為υ=dx/dt，則整個線圈中所產(chǎn)生的電動勢為：（υ垂直B，又垂直la)不同類型的磁電式傳感器磁通量Ф的變化實現(xiàn)辦法:

磁鐵與線圈之間做相對運動；磁路中磁阻的變化；恒定磁場中線圈面積的變化.直接應(yīng)用：測定速度在信號調(diào)節(jié)電路中接積分電路，或微分電路，磁電式傳感器就可以用來測量位移或加速度。根據(jù)以上原理有兩種磁電感應(yīng)式傳感器：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。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。磁阻式動圈式結(jié)構(gòu)動圈式磁電傳感器

1.動圈式磁電傳感器原理2.動圈式磁電傳感器結(jié)構(gòu)1.動圈式磁電傳感器原理動圈式磁電傳感器原理圖傳感器原理如果在線圈運動部分的磁感應(yīng)強度B是均勻的，則當(dāng)線圈與磁場的相對速度為υ時，線圈的感應(yīng)電動勢：α為運動方向與磁場方向間夾角，當(dāng)α＝90°，線圈的感應(yīng)電動勢為：當(dāng)N、B和la恒定不變時，E與υ=dx/dt成正比，根據(jù)感應(yīng)電動勢E的大小就可以知道被測速度的大小。E∝V2.動圈式磁電傳感器結(jié)構(gòu)磁電式傳感器構(gòu)成：

1、磁路系統(tǒng)由它產(chǎn)生恒定直流磁場。為了減小傳感器的體積，一般都采用永久磁鐵；

2、線圈由它運動切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。作為一個完整的磁電式傳感器，除了磁路系統(tǒng)和線圈外，還有一些其它元件，如殼體、支承、阻尼器、接線裝置等。磁電式振動傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖5.1.2磁電式振動傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖1-彈簧片2-永久磁鐵3-阻尼器4-引線5-芯桿6-外殼7-線圈8-彈簧片基本工作原理：該傳感器在使用時，把它與被測物體緊固在一起，當(dāng)物體振動時，傳感器外殼隨之振動，此時線圈、阻尼環(huán)和芯桿的整體由于慣性而不隨之振動，因此它們與殼體產(chǎn)生相對運動，位于磁路氣隙間的線圈就切割磁力線，于是線圈就產(chǎn)生正比于振動速度的感應(yīng)電動勢。該電動勢與速度成一一對應(yīng)關(guān)系，可直接測量速度，經(jīng)過積分或微分電路便可測量位移或加速度。

磁阻式磁電傳感器線圈和磁鐵部分都是靜止的，與被測物連接而運動的部分是用導(dǎo)磁材料制成的，在運動中，它們改變磁路的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁通量，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。 用來測量轉(zhuǎn)速，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的頻率作為輸出，而感應(yīng)電動勢的頻率取決于磁通變化的頻率。

結(jié)構(gòu)：開磁路、閉磁路開磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器1－永久磁鐵3－感應(yīng)線圈2－軟鐵4－齒輪結(jié)構(gòu)比較簡單，但輸出信號較小，當(dāng)被測軸振動較大時，傳感器輸出波形失真較大。閉磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器閉磁路磁組式轉(zhuǎn)速傳感器5－永久磁鐵4－感應(yīng)線圈2－內(nèi)齒輪3－外齒輪1-轉(zhuǎn)軸特點：

傳感器的輸出電勢取決于線圈中磁場變化速度，因而它是與被測速度成一定比例關(guān)系的。當(dāng)轉(zhuǎn)速太低時，輸出電勢很小，以致無法測量。所以這種傳感器有一個下限工作頻率，一般為50Hz左右，閉磁路轉(zhuǎn)速傳感器的下限頻率可降低到30Hz左右。其上限工作頻率可達100Hz。

原理：磁阻變化→線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢→周期感應(yīng)脈沖信號。

開磁通

f=Zn/60

式中，Z—齒輪的齒數(shù)；n—轉(zhuǎn)速(r/min)；f—感應(yīng)脈沖信號頻率。原理：橢圓輪旋轉(zhuǎn)→空氣隙磁阻周期性變化→輸出感應(yīng)電動勢（e=Emsint→周期脈沖頻率。閉磁通轉(zhuǎn)速（）低→e小→存在下限頻率（一般為50Hz左右），上限頻率可達100kHz轉(zhuǎn)速特點：磁電式傳感器的應(yīng)用線速度型磁電式傳感器的應(yīng)用測速電機角速度型1、磁電式傳感器測量電路中引入積分電路是為了測量（）。A．位移