電動(dòng)勢傳感器

電動(dòng)勢傳感器第一頁，共六十七頁，2022年，8月28日5.1磁電感應(yīng)式傳感器

磁電感應(yīng)式傳感器又稱感應(yīng)式傳感器或電動(dòng)式傳感器。它利用電磁感應(yīng)原理將被測量轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢，是一種機(jī)－電能量變換型傳感器。優(yōu)點(diǎn)：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(hào),是有源傳感器；由于它輸出功率大且性能穩(wěn)定,，輸出阻抗小，靈敏度較高，一般不需要高增益放大器，而且具有一定的工作帶寬（10～1000Hz）,所以得到普遍應(yīng)用。缺點(diǎn)：傳感器的尺寸和重量都較大。應(yīng)用：適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、位移、扭矩等測量。第二頁，共六十七頁，2022年，8月28日

5.1.1磁電感應(yīng)式傳感器工作原理根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,當(dāng)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體在磁場中切割磁力線時(shí)，閉合導(dǎo)體回路中的磁通量φ發(fā)生變化，在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢ｅ，當(dāng)導(dǎo)體形成閉合回路就會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流。導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢ｅ的大小與回路所包圍的磁通量的變化率成正比，那么N匝線圈在變化磁場中感應(yīng)電動(dòng)勢為：ｅ=－Ndφ/dt第三頁，共六十七頁，2022年，8月28日當(dāng)線圈垂直于磁場方向運(yùn)動(dòng)以速度v切割磁力線時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢為：ｅ=－NBlv

式中l(wèi)代表每匝線圈的平均長度；B為線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若線圈以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)，S為每匝線圈的平均截面積，則上式可寫成：ｅ=－NBSω

第四頁，共六十七頁，2022年，8月28日不同類型的磁電感應(yīng)式傳感器閉合線圈磁通量Ф變化的實(shí)現(xiàn)辦法：磁路中磁阻的變化；恒定磁場中磁鐵與線圈之間做相對運(yùn)動(dòng)；恒定磁場中線圈等效面積的變化。直接應(yīng)用：測定速度在信號(hào)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。第五頁，共六十七頁，2022年，8月28日

5.1.2磁電感應(yīng)式傳感器類型根據(jù)磁場方式,可以設(shè)計(jì)成兩種磁電傳感器結(jié)構(gòu):變磁通式和恒磁通式。1變磁通式（也稱變磁阻式）線圈和磁鐵部分都是固定的；與被測物體連接并運(yùn)動(dòng)的部分由導(dǎo)磁材料制成，在運(yùn)動(dòng)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(dòng)勢。用來測量角速度，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率作為輸出，而感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率取決于磁通變化的頻率。結(jié)構(gòu)：閉磁路、開磁路。第六頁，共六十七頁，2022年，8月28日（1）閉磁路變磁通式傳感器內(nèi)齒輪裝在轉(zhuǎn)軸上，外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈固定,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(shí)，內(nèi)齒輪隨被測軸轉(zhuǎn)動(dòng)，外齒輪不動(dòng),內(nèi)外齒輪的相對轉(zhuǎn)動(dòng)使氣隙磁阻產(chǎn)生周期變化,引起磁路中磁通的變化,使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期變化的感應(yīng)電動(dòng)勢。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。第七頁，共六十七頁，2022年，8月28日（2）開磁路變磁通式傳感器同樣，線圈磁鐵固定不動(dòng),測量齒輪（導(dǎo)磁材料）安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上,隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒,它與軟鐵之間構(gòu)成的磁路磁阻變化一次,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)速與測量齒輪齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單,但輸出信號(hào)較小,且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測量高轉(zhuǎn)速。4321NS第八頁，共六十七頁，2022年，8月28日2恒定磁通式

恒定磁通式磁電傳感器由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架和殼體等組成。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(yùn)動(dòng)部件可以是線圈或者磁鐵，因此又分為動(dòng)圈式（a）和動(dòng)鐵式(b)兩種結(jié)構(gòu)類型。第九頁，共六十七頁，2022年，8月28日動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式的工作原理完全相同。當(dāng)殼體隨被測振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí),由于彈簧較軟,運(yùn)動(dòng)部件（線圈或者磁鐵）質(zhì)量相對較大。當(dāng)振動(dòng)頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時(shí),運(yùn)動(dòng)部件慣性很大,來不及隨振動(dòng)體一起振動(dòng),幾乎靜止不動(dòng),振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收,永久磁鐵與線圈之間的相對運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體振動(dòng)速度,磁鐵與線圈的相對運(yùn)動(dòng)切割磁力線,從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢為e=-NBlv

動(dòng)圈式動(dòng)鐵式第十頁，共六十七頁，2022年，8月28日e=-NBlv式中:B——工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度;

l——每匝線圈平均長度;

N——線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù);

v——相對運(yùn)動(dòng)速度。

原理：殼體隨被測物體振動(dòng)；軟彈簧吸收能量；動(dòng)圈或動(dòng)鐵對地保持靜止,與殼體的相對速度近于振動(dòng)速度；線圈切割磁力線。第十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日

相對測量原理：當(dāng)被測體的振動(dòng)頻度ω比傳感器固有頻率ω0大很多時(shí)（ω≥ω0），磁鐵與線圈之間的相對運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體的振動(dòng)速度，可以用相對運(yùn)動(dòng)代替絕對運(yùn)動(dòng)。其中：

第十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日5.1.3磁電感應(yīng)式傳感器特性分析1.主要技術(shù)指標(biāo)

（1）輸出電流當(dāng)測量電路接入磁電傳感器電路中,磁電傳感器的輸出電流Io為式中:Rf——測量電路輸入電阻;

R——線圈等效電阻。第十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日（2）傳感器的電流靈敏度為（3）傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為

第十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日2.靜態(tài)誤差當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí),其靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測量誤差。根據(jù)誤差產(chǎn)生的原因，又分為非線性誤差和溫度誤差。（1）非線性誤差磁電感應(yīng)式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因:由于傳感器線圈內(nèi)有電流I0流過時(shí),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附圖所示。當(dāng)傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場的運(yùn)動(dòng)速度增大時(shí),將產(chǎn)生較大的感生電勢e和較大的電流I0,由此產(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。第十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日第十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日當(dāng)線圈的運(yùn)動(dòng)速度與附圖所示方向相反時(shí),感生電勢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(yùn)動(dòng)速度方向不同時(shí),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(shí)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。為補(bǔ)償上述附加磁場干擾,可在傳感器中加入補(bǔ)償線圈,如圖5.3所示。補(bǔ)償線圈通以經(jīng)放大K倍的電流,適當(dāng)選擇補(bǔ)償線圈參數(shù),可使其產(chǎn)生的交變磁通與傳感線圈本身所產(chǎn)生的交變磁通互相抵消,從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹５谑唔?，共六十七頁?022年，8月28日

（2）溫度誤差當(dāng)溫度變化時(shí),式（5.9）中右邊三項(xiàng)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每攝氏度的變化量取決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(5.9)可得近似值:δx≈(-4.5%)/10℃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(shí),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)。第十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日5.1.4磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用

1.磁電感應(yīng)式振動(dòng)速度傳感器圖5.8是動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。其結(jié)構(gòu)主要由鋼制圓形外殼制成,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。1-芯軸2-外殼3-圓形膜片4-鋁架5-永久磁鐵6-線圈7-阻尼環(huán)8-引線第十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日工作時(shí),傳感器與被測物體剛性連接。當(dāng)物體振動(dòng)時(shí),傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動(dòng),而架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動(dòng)，它們與磁鐵產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。因而,線圈切割磁力線而產(chǎn)生正比于振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)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(dòng)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?；竟ぷ髟淼诙?，共六十七頁，2022年，8月28日2.磁電式轉(zhuǎn)速傳感器圖5.9是磁電式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖。測速發(fā)電機(jī)磁電式車速傳感器第二十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日

3.磁電式扭矩儀圖5.10是磁電式扭矩儀的工作原理圖。在驅(qū)動(dòng)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(gè)磁電傳感器。磁電傳感器的結(jié)構(gòu)見下圖所示。傳感器的檢測元件部分由永久磁場、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(shí),圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變化,磁通量也發(fā)生變化,在線圈中感應(yīng)出交流電壓,其頻率等于圓盤上齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)乘積。第二十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日當(dāng)扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時(shí),兩個(gè)磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2存在相位差。這個(gè)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(hào)。

相位差→扭轉(zhuǎn)角→扭矩第二十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日4.磁流量傳感器

電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu)交流磁場當(dāng)導(dǎo)電流體沿測量管在磁場中垂直流動(dòng)時(shí)，將切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。其大小第二十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日5.2霍爾式傳感器霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng),但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件,由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測量。5.2.1霍爾效應(yīng)原理

1.霍爾效應(yīng)置于磁場中的金屬或半導(dǎo)體薄片,當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢,這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢稱霍爾電勢。該薄片稱為霍爾元件。第二十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日第二十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日圖5.12所示,在垂直于外磁場B的方向上放置一導(dǎo)電薄片,薄片通以電流I,方向如圖所示。導(dǎo)電薄片中的電流是金屬中自由電子在電場作用下的定向運(yùn)動(dòng)。此時(shí),每個(gè)電子受洛侖磁力fL的作用，fL大小為fL=eBv式中:e——電子電荷;v——電子運(yùn)動(dòng)平均速度;B——磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。圖5.12霍爾效應(yīng)原理圖第二十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日fL的方向在圖中是向上的,此時(shí)電子除了沿電流反方向作定向運(yùn)動(dòng)外,還在fL的作用下向上漂移,結(jié)果使金屬導(dǎo)電板上底面積累電子,而下底面積累正電荷,從而形成了附加內(nèi)電場EH,稱霍爾電場,該電場強(qiáng)度為EH=式中UH為霍爾電勢。霍爾電場的出現(xiàn),使定向運(yùn)動(dòng)的電子除了受洛侖磁力作用外,還受到霍爾電場的作用力,其大小為eEH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著上、下底面積累電荷的增加,霍爾電場增加,電子受到的電場力也增加,當(dāng)電子所受霍爾電場力與洛侖磁力大小相等、方向相反時(shí),即eEH=evB，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。第二十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的霍爾電勢：式中RH稱之為霍爾系數(shù),其大小取決于導(dǎo)體的電阻率和載流子的遷移率。式中KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。由式可見,霍爾電勢正比于控制電流I及磁感應(yīng)強(qiáng)度B，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。利用霍爾效應(yīng)制成的傳感器稱霍爾傳感器，由于霍爾電勢僅與控制電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，常用來探測電流和磁場。為了提高靈敏度,霍爾元件常制成薄片形狀。第二十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日5.2.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)及特性分析1材料與結(jié)構(gòu)由于霍爾元件的靈敏度與霍爾系數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比，而霍爾系數(shù)大小取決于導(dǎo)體的電阻率和載流子的遷移率。一般金屬材料載流子遷移率很高,但電阻率很小;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)體材料適于制造霍爾片。第三十頁，共六十七頁，2022年，8月28日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型硅線性度最好,其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺相近。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(shí)其霍爾系數(shù)較大。砷化銦霍爾系數(shù)較小,溫度系數(shù)較小,輸出特性線性度好。下圖為常見國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)。第三十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日第三十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日第三十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單,它由霍爾片、引線和殼體組成,如圖所示?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)引線。1、1′兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極?；魻栐んw由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號(hào)表示，如圖(b)所示。第三十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日基本電路第三十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日2.主要技術(shù)參數(shù)1）靈敏度：單位B和單位I下的開路Hall電勢。2）輸入電阻和輸出電阻控制電流極間的電阻值稱為輸入電阻；霍爾電極輸出電勢對外電路來說相當(dāng)于一個(gè)電壓源,其電壓極間的電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在B為零且環(huán)境溫度在20℃±5℃時(shí)確定的。3）額定控制電流和最大允許控制電流當(dāng)霍爾元件自身溫升10℃時(shí)所流過的控制電流稱為額定控制電流；以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的控制電流稱為最大允許控制電流。因Hall電勢隨控制電流增加而增加,所以,使用中希望選用盡可能大的控制電流,因而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。第三十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日4）不等位電勢和不等位電阻霍爾元件在額定控制電流作用下,無外加磁場時(shí),其Hall電勢應(yīng)該為零,但實(shí)際不為零。這時(shí)測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。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(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。不等位電勢也可用不等位電阻表示第三十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日式中:U0——不等位電勢;R0——不等位電阻;IC——額定控制電流。由上式可以看出,不等位電勢就是控制電流流經(jīng)不等位電阻R0所產(chǎn)生的電壓。5）寄生直流電勢在外加磁場為零,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。其產(chǎn)生的原因有:第三十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日①控制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(gè)霍爾電極大小不對稱,則兩個(gè)電極點(diǎn)的熱容不同,散熱狀態(tài)不同形成極向溫差電勢。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。6）感應(yīng)零電勢無控制電流時(shí)，霍爾元件在交流或脈動(dòng)磁場中會(huì)有電勢輸出，這個(gè)輸出就是感應(yīng)零電勢。主要由霍爾電極引線布置不合理引起。第三十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日7）霍爾電勢溫度系數(shù)在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下,溫度每變化1℃時(shí),霍爾電勢變化的百分率。它同時(shí)也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。8）電阻溫度系數(shù)溫度每變化1℃時(shí),霍爾元件電阻變化的百分率。9）霍爾電勢溫度系數(shù)溫度每變化1℃時(shí),霍爾元件靈敏度變化的百分率。10）線性度磁感應(yīng)強(qiáng)度為1KG時(shí)相對于5KG時(shí)霍爾電壓的最大差值的百分比。第四十頁，共六十七頁，2022年，8月28日

3.電磁特性（1）UH-I特性在磁場和環(huán)境溫度一定時(shí)，Hall電勢UH與控制電流I之間呈線性關(guān)系，直線的斜率稱為控制電流靈敏度KI。KI=UH/I=KHIB/I=KHB（2）UH-B特性當(dāng)控制電流一定時(shí)，Hall電勢UH與隨B的增加并不是完全成線性關(guān)系，只有當(dāng)B小于0.5T時(shí)，線性度才較好。（3）R-B特性Hall輸入（或輸出）電阻與磁場之間的關(guān)系，Hall元件的內(nèi)阻隨磁場的絕對值增加而增大，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。第四十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日

4.常用技術(shù)指標(biāo)（1）低不等位電勢（2）線性度好（3）穩(wěn)定性好（4）分辨率高第四十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日5.2.3霍爾元件的驅(qū)動(dòng)電路霍爾元件的基本驅(qū)動(dòng)電路如圖所示，電路比較簡單，其中R用來調(diào)節(jié)控制電流，RL為負(fù)載電阻。

第四十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日霍爾元件可采用兩種方式：恒流驅(qū)動(dòng)或恒壓驅(qū)動(dòng)（a）恒流驅(qū)動(dòng)（b）恒壓驅(qū)動(dòng)其中恒壓驅(qū)動(dòng)電路簡單，但性能較差，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，線性變壞，僅用于精度要求不太高的場合；恒流驅(qū)動(dòng)線性度高，精度高，受溫度影響小。

第四十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日5.2.4霍爾元件的誤差分析及補(bǔ)償霍爾元件的基本驅(qū)動(dòng)電路如圖所示，電路比較簡單，其中R用來調(diào)節(jié)控制電流，RL為負(fù)載電阻。

第四十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日5.2.4霍爾元件的誤差分析及補(bǔ)償1.霍爾元件的零位誤差及其補(bǔ)償

霍爾元件的零位誤差包括不等位電勢、寄生直流電勢和感應(yīng)零電勢等，其中不等位電勢是最主要的零位誤差。要降低除了在工藝上采取措施以外，還需采用補(bǔ)償電路加以補(bǔ)償。第四十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日（1）不等位電勢及其補(bǔ)償。

（a）

兩電極點(diǎn)不在同一等位面上（b）等位面歪斜霍爾元件不等位電勢示意圖不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級(jí),有時(shí)甚至超過霍爾電勢,而實(shí)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ā５谒氖唔?，共六十七頁?022年，8月28日霍爾元件不等位電勢補(bǔ)償由于不等位電勢與不等位電阻是一致的,可以采用分析電阻的方法來找到不等位電勢的補(bǔ)償方法。如附圖所示,其中A、B為控制電極,C、D為霍爾電極,極分布電阻分別用R1、R2、R3、R4表示。理想情況下,R1=R2=R3=R4,即可取得零位電勢為零（或零位電阻為零）。實(shí)際上,由于不等位電阻的存在,說明此四個(gè)電阻值不相等,可將其視為電橋的四個(gè)橋臂,則電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻（如圖5.17（a）所示）,或在兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻（如圖5.17(b)所示）。第四十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日（2）寄生直流電動(dòng)勢

當(dāng)霍爾元件通以交流控制電流而不加外磁場時(shí)，霍爾輸出除了交流不等位電動(dòng)勢外，還有直流電動(dòng)勢分量，稱為寄生直流電動(dòng)勢。該電動(dòng)勢是由于元件的兩對電極不是完全歐姆接觸而形成整流效應(yīng)，以及兩個(gè)霍爾電極的焊點(diǎn)大小不等、熱容量不同引起溫差所產(chǎn)生的。它隨時(shí)間而變化，導(dǎo)致輸出漂移。因此在元件制作和安裝時(shí)，應(yīng)盡量使電極歐姆接觸，并做到散熱均勻，有良好的散熱條件。第四十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日2.溫度誤差及補(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(shí),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(gè)有效措施,可以使霍爾電勢穩(wěn)定。但也只能減小由于輸入電阻隨溫度變化而引起的控制電流I變化所帶來的影響?；魻栐撵`敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù),它隨溫度的變化引起霍爾電勢的變化?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成第五十頁，共六十七頁，2022年，8月28日KH=KH0（1+αΔT）式中:KH0——溫度T0時(shí)的KH值;ΔT=T-T0——溫度變化量;α——霍爾電勢溫度系數(shù)。并且大多數(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（1+αΔT）倍。如果,與此同時(shí)讓控制電流I相應(yīng)地減小,并能保持KHI乘積不變,也就抵消了靈敏系數(shù)KH增加的影響。圖5.18就是按此思路設(shè)計(jì)的一個(gè)既簡單、補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償電路。第五十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日電路中用一個(gè)分流電阻RP與霍爾元件的控制電極相并聯(lián)。當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí),旁路分流電阻RP自動(dòng)地加強(qiáng)分流,減少了霍爾元件的激勵(lì)電流I,從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。在圖示的溫度補(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KH1,分流電阻為Rp0,根據(jù)分流概念得當(dāng)溫度升至T時(shí),電路中各參數(shù)變?yōu)榈谖迨?，共六十七頁?022年，8月28日Ri=Ri0（1+δΔT）Rp=Rp0（1+βΔT）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)。則雖然溫度升高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,即第五十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日UH0=UHKH0IH0B=KHIHB則KH0IH0=KHIH經(jīng)整理并略去α、β、(ΔT)2高次項(xiàng)后得

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。由式即可計(jì)算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)β值。為了滿足R0及β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,這樣雖然麻煩但效果很好。第五十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日附圖給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖。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(shí)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(shí)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(dòng)態(tài)范圍可達(dá)5mm,分辨率為0.001mm?；魻柺絺鞲衅鞯膽?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(dòng)態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點(diǎn),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。第五十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器下圖是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連,當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng),固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖,檢測出單位時(shí)間的脈沖數(shù),便可知被測轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少?zèng)Q定了傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。第五十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日第五十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日

3.霍爾計(jì)數(shù)裝置霍爾開關(guān)傳感器SL3501是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(jì)數(shù)檢測。附圖是對鋼球進(jìn)行計(jì)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(shí),傳感器可輸出峰值20mV的脈沖電壓,該電壓經(jīng)運(yùn)算放大器A（μA741）放大后,驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體三極管VT（2N5812）工作,VT輸出端便可接計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù),并由顯示器顯