第七章電磁式傳感器演示

（優(yōu)選）第七章電磁式傳感器目前一頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)知識單元與知識點(diǎn)電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)的基本概念；磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理、分類（恒磁通式：動圈式和動鐵式結(jié)構(gòu)，變磁通式：開磁路和閉磁路結(jié)構(gòu)）、基本特性、測量電路與應(yīng)用；霍爾式傳感器的工作原理、測量電路與應(yīng)用；霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)、基本特性、誤差及其補(bǔ)償。能力點(diǎn)深入理解電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)的基本概念；理解磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理、分類、基本特性、測量電路；理解霍爾式傳感器的工作原理；了解霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)、基本特性、誤差及其補(bǔ)償；了解磁電感應(yīng)式傳感器、霍爾式傳感器的應(yīng)用。重難點(diǎn)重點(diǎn)：電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)的基本概念，磁敏式傳感器工作原理、分類、測量電路，霍爾式傳感器的工作原理。難點(diǎn)：磁敏式傳感器的基本特性。學(xué)習(xí)要求熟練掌握電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)的基本概念；掌握磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理、分類、基本特性、測量電路；掌握霍爾式傳感器的工作原理；了解霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)、基本特性、誤差及其補(bǔ)償；了解磁電感應(yīng)式傳感器、霍爾式傳感器的應(yīng)用。目前二頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)磁電式傳感器定義：通過磁電作用，將被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膫鞲衅?。分類：磁電感?yīng)式傳感器：利用法拉第電磁感應(yīng)定律，測量磁場和位置速度等霍爾式傳感器：利用霍爾效應(yīng)，測量磁場、位置、速度、電壓、電流等磁敏傳感器：利用磁阻效應(yīng)，測量轉(zhuǎn)速、磁通、電流、流量等目前三頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)7.1磁電感應(yīng)式傳感器

磁電感應(yīng)式傳感器簡稱感應(yīng)式傳感器，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運(yùn)動而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動勢即將運(yùn)動速度轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢輸出。是典型的無源傳感器。反向使用時可構(gòu)成力發(fā)生器或電磁激振器，稱為電動式傳感器。

優(yōu)點(diǎn)：一種機(jī)-電能量變換型傳感器，不需要供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍（一般為10～1000Hz），只適用于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等動態(tài)測量。缺點(diǎn)：尺寸和重量都較大。磁電式傳感器機(jī)械能電量目前四頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)電感式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換成電感量的變化，磁電式傳感器通過檢測磁場的變化測量被測量。磁電傳感器霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速目前五頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)7.1.1工作原理和結(jié)構(gòu)類型

磁電感應(yīng)式傳感器是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，N匝線圈在磁場中運(yùn)動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e的大小取決于穿過線圈的磁通Φ的變化率，即目前六頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈與磁場的相對運(yùn)動速度有關(guān)，故若改變其中一個因素，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。

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(yùn)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。目前七頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)1.恒磁通式

由永久磁鐵、線圈、彈簧和骨架組成，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，氣隙中的磁通也恒定不變，感應(yīng)電勢是由于線圈相對于永久磁鐵運(yùn)動時切割磁力線產(chǎn)生的，運(yùn)動部件可以是線圈也可以是磁鐵，結(jié)構(gòu)常分為動圈式和動磁式目前八頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)下圖所示為動圈式磁電感應(yīng)式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。當(dāng)線圈在垂直于磁場方向作直線運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，若以線圈相對磁場運(yùn)動的速度v或角速度ω表示，則所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e為式中l(wèi)——每匝線圈的平均長度；

B——線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；目前九頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)式中l(wèi)——每匝線圈的平均長度；

B——線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；

S——每匝線圈的平均截面積。目前十頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)

在傳感器中當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、l、N、S均為定值，感應(yīng)電動勢e與線圈相對磁場的運(yùn)動速度(v或ω)成正比，所以這類傳感器的基本形式是速度傳感器，能直接測量線速度或角速度。如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動態(tài)測量。目前十一頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)2變磁通式開磁路式閉磁路式變磁通式的線圈和永久磁鐵都是靜止的，感應(yīng)電勢由變化的磁通產(chǎn)生。目前十二頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)

圖為開磁路變磁通式：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n與測量齒輪上齒數(shù)z的乘積。由頻率計(jì)測得f，即可求得轉(zhuǎn)速n。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(xiǎn)而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。目前十三頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)圖為閉磁路變磁通式傳感器，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪5和外齒輪6、永久磁鐵1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。目前十四頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)7.1.4信號調(diào)理電路為便于各級阻抗匹配，將積分電路和微分電路置于兩極放大器之間。直接輸出電動勢測量速度；接入積分電路測量位移；接入微分電路測量加速度。目前十五頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)7.1.5磁電式傳感器的應(yīng)用舉例目前十六頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)

磁電式扭距傳感器：當(dāng)扭距作用在轉(zhuǎn)軸上時，兩個磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1、u2存在相位差，相差與扭距的扭轉(zhuǎn)角成正比，傳感器可以將扭距引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號。轉(zhuǎn)軸測量電路磁電傳感器1磁電傳感器2齒型轉(zhuǎn)盤u1u2u

電磁心音傳感器電磁血流量計(jì)目前十七頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)例子1：某磁電傳感器的總剛度為3200N/m，測得其固有頻率為20Hz。若欲使其固有頻率降低為為10Hz，則其剛度應(yīng)該為多大？解：固有頻率為：其中，c為彈簧剛度；m為質(zhì)量塊質(zhì)量；因此有：兩個式子相比：目前十八頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)1878年美國物理學(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?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃?yīng)?；魻杺鞲衅魇悄壳皣鴥?nèi)外應(yīng)用最廣的一種磁電式傳感器，利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換，可以檢測微位移、轉(zhuǎn)速、流量、角度，也可以制作高斯計(jì)、電流表、功率計(jì)、乘法器、接近開關(guān)和無刷直流電機(jī)等7.2霍爾傳感器

目前十九頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)1霍爾效應(yīng)半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時的情況cdab7.2.1霍爾效應(yīng)與霍爾元件

目前二十頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度B較大時的情況作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軺H可用下式表示：UH=KH（霍爾常數(shù)）

IB目前二十一頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)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，直至在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起穩(wěn)定的霍爾電勢。cdab目前二十二頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時的霍爾電勢為

UH=KHIBcos

結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。

目前二十三頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)工作原理

設(shè)霍爾片的長度為l，寬度為b，厚度為d。又設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它受到洛侖茲力q—電子電量(1.62×10-19C)；

v—電子運(yùn)動速度。同時，作用于電子的電場力

當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時目前二十四頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)霍耳電勢UH與I、B的乘積成正比，而與d成反比。電流密度j=nqvn—N型半導(dǎo)體中的電子濃度N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體—霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。ρ—材料電阻率p—P型半導(dǎo)體中的空穴濃度μ—載流子遷移率,μ=v/E,即單位電場強(qiáng)度作用下載流子的平均速度。目前二十五頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)定義KH=RH/d

KH—霍耳器件的靈敏度。它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時霍耳電勢的大小。若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍爾器件的平面法線夾角為θ時，霍爾電勢應(yīng)為：UH＝KH

IB

UH＝KHIBcosθ

注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出霍爾電勢的方向也改變。但當(dāng)磁場與電流同時改變方向時，霍爾電勢并不改變方向。目前二十六頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)討論：

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ρ很大，電子遷移率μ很小，不適用；金屬材料電子濃度n很高，RH很小，UH很小;半導(dǎo)體材料電阻率ρ較大RH大，非常適于做霍爾元件，半導(dǎo)體中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(d≈1μm)。目前二十七頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)

當(dāng)RH

，d一定時，即載流材料和幾何尺寸一定時，霍爾電勢∝電流I（磁場B一定時）或∝磁場B（電流I一定時），所以霍爾傳感器可以用來測量磁場或檢測電流。

當(dāng)霍爾元件在一個線性梯度磁場中移動時，輸出霍爾電勢的大小反映了磁場變化，即可測量微小位移、壓力或者機(jī)械振動等目前二十八頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：霍爾元件使用壽命長、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單，外圍電路簡單、體積小、動態(tài)特性好、頻帶寬、易微型化集成化。因而在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率低，受溫度影響大。目前二十九頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)習(xí)題8：已知霍爾元件厚度1mm，沿長度方向通有1mA電流，在垂直方向加均勻磁場B=0.3T，靈敏度SH=22V/(AT)，試求輸出霍爾電勢及載流子濃度？解：目前三十頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)習(xí)題9：霍爾元件靈敏度SH=40V/(AT)，控制電流為3mA，將其置于B=1*10-4~5*10-4T的線性變化磁場中，其輸出霍爾電勢的范圍有多大？解：霍爾電勢變化范圍在12uV~60uV之間。目前三十一頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)霍爾元件材料材料電阻率（Ωm）載流子遷移率（cm2v-1s-1）霍爾系數(shù)（cm2c-1）鍺（Ge）10-23.6×1034.25×103硅（Si）（溫度系數(shù)小，線性好）1.5×10-22.25×103砷化銦（InAs）（溫度系數(shù)小，線性好）2.5×10-33×104350銻化銦（InAb）（溫度系數(shù)大）7×10-36×10410002霍爾元件目前三十二頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)霍爾元件構(gòu)造控制電極目前三十三頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)

國產(chǎn)霍爾元件別號的命名方法如下：常見的國產(chǎn)霍爾元件型號有HZ—1、HZ—2、HZ—3、HT—1、HT—2、HS—1等。目前三十四頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)控制電流I；霍爾電勢UH；控制電壓V；輸出電阻R0；輸入電阻Ri；霍爾負(fù)載電阻RL；霍爾電流IH。圖中控制電流I由電源E供給,R為調(diào)節(jié)電阻,保證器件內(nèi)所需控制電流I?；魻栞敵龆私迂?fù)載RL，RL可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場B垂直通過霍爾器件,在磁場與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。VHRLVBIEIH霍爾器件的基本電路R實(shí)際使用時,器件輸入信號可以是I或B，或者IB,而輸出可以正比于I或B,或者正比于其乘積IB。7.2.2信號調(diào)理電路霍爾元件的測量電路及符號目前三十五頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)霍耳輸出端的端子C、D相應(yīng)地稱為霍耳端或輸出端。若霍耳端子間連接負(fù)載,稱為霍耳負(fù)載電阻或霍耳負(fù)載。電流電極間的電阻，稱為輸入電阻，或者控制內(nèi)阻。霍耳端子間的電阻，稱為輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻。器件電流(控制電流或輸入電流):流入到器件內(nèi)的電流。電流端子A、B相應(yīng)地稱為器件電流端、控制電流端或輸入電流端。H霍耳器件符號AAABBBCCCDDD目前三十六頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)上兩式是霍爾器件中的基本公式。即：輸入電流或輸入電壓和霍爾輸出電勢完全呈線性關(guān)系。如果輸入電流或電壓中任一項(xiàng)固定時，磁感應(yīng)強(qiáng)度和輸出電勢之間也完全呈線性關(guān)系。同樣，若給出控制電壓U，由于U=R1I，可得控制電壓和霍爾電勢的關(guān)系式設(shè)霍爾片厚度d均勻，電流I和霍爾電場的方向分別平行于長、短邊界，則控制電流I和霍耳電勢UH的關(guān)系式目前三十七頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)

霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類。

線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系。廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電場等的測量和控制。輸出電壓為伏級，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UGN3501等。線性型三端霍爾集成電路霍爾集成傳感器目前三十八頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖單端輸出的傳感器是一個三端器件，它的輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線性響應(yīng)，通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。其典型產(chǎn)品是UGN3501T。

雙端輸出的傳感器是一個8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是UGN3501M。目前三十九頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)開關(guān)型霍爾集成電路

開關(guān)型霍爾集成電路將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。特點(diǎn)是輸出電壓為高低電平兩種狀態(tài)。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如CS系列和UGN3020等。可做成無觸點(diǎn)、無抖動、高可靠、長壽命的接近開關(guān)或按鍵開關(guān)，廣泛用于計(jì)數(shù)裝置以及汽車點(diǎn)火等系統(tǒng)。目前四十頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)溫度特性（a）RH與溫度的關(guān)系；（b）ρ與溫度的關(guān)系RH/cm2/℃﹒A-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/℃0246ρ/7×10-3Ω·cmLnAs20015010050LnSbT/℃07.2.3誤差分析及補(bǔ)償方法1、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。目前四十一頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)溫度誤差的補(bǔ)償溫度變化會引起霍爾元件輸入電阻變化，才用恒壓源供電時，控制電流將發(fā)生變化而帶來誤差。為了減小輸入電阻隨溫度變化而引起的誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外，采用恒流源供電是個有效措施，可以使霍爾電勢穩(wěn)定。目前四十二頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)

電路中Is為恒流源，分流電阻RT與霍爾元件的激勵電極相并聯(lián)。為了使霍爾電勢在溫度升高前后保持不變，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RT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?。T目前四十三頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)2不等位電勢和不等位電阻當(dāng)霍爾元件的控制電流為I時，不加外磁場時，則它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢。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；

目前四十四頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)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電極與霍爾元件接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。目前四十五頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)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(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?。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。目前四十六頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)不等位電勢的補(bǔ)償：分析不等位電勢時可把霍爾元件等效為一個電橋，不等位電壓相當(dāng)于橋路四個電阻不相等，初始有不平衡輸出U0≠0，可在電阻大的橋臂上并聯(lián)電阻。或在相鄰橋臂上同時并聯(lián)電阻，仔細(xì)調(diào)節(jié)并聯(lián)電阻的阻值，就可以補(bǔ)償霍爾元件的不等位電勢。目前四十七頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)7.2.4霍爾式傳感器的應(yīng)用1、霍爾式位移傳感器2、霍爾式壓力傳感器目前四十八頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)7.2.4霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾元件測量鐵心氣隙的B值霍爾傳感器用于測量磁場強(qiáng)度目前四十九頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動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、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵目前五十頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)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。目前五十一頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)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(xiǎn)。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)霍爾目前五十二頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置

采用霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置能較好地克服汽車合金觸點(diǎn)點(diǎn)火時間不準(zhǔn)確、觸點(diǎn)易燒壞、高速時動力不足等缺點(diǎn)。

汽車點(diǎn)火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭目前五十三頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置使用的

點(diǎn)火控制器、霍爾傳感器及點(diǎn)火總成磁鐵點(diǎn)火總成目前五十四頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)霍爾式無刷電動機(jī)

霍爾式無刷電動機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無刷電動機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。普通直流電動機(jī)使用的電刷和換向器目前五十五頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用

電動自行車可充電電池組無刷電動機(jī)目前五十六頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用

無刷直流電動機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高性能位置傳感器產(chǎn)生六個狀態(tài)編碼信號，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無火花、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。目前五十七頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)電動自行車的無刷電動機(jī)及控制電路去速度控制器利用PWM調(diào)速目前五十八頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)光驅(qū)用的無刷電動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)目前五十九頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)霍爾式接近開關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。目前六十頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)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ICT目前六十一頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)霍爾電流傳感器

將被測電流的導(dǎo)線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。目前六十二頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)霍爾電流傳感器演示鐵心線性霍爾IC

EH=KHIB

所實(shí)現(xiàn)的多媒體界面：目前六十三頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)其他霍爾電流傳感器目前六十四頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)其他霍爾電流傳感器（續(xù)）目前六十五頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口目前六十六頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)霍爾鉗形電流表演示直流200A量程被測電流的導(dǎo)線未放入鐵心時示值為零70.9A目前六十七頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開，導(dǎo)線由此穿過霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示70.9A目前六十八頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)霍爾鉗形電流表的使用被測電流的導(dǎo)線從此處穿入鉗形表的環(huán)形鐵心手指按下此處，將鉗形表的鐵心張開將被測電流導(dǎo)線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中目前六十九頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)霍爾鉗形電流表的使用（續(xù)）叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便用鉗形表測量電動機(jī)的相電流目前七十頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)霍爾式電流諧波分析儀

被測電流的諧波頻譜鐵心的開合縫隙

鐵心的杠桿壓舌目前七十一頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)霍爾元件在無損損傷中的應(yīng)用鐵磁材料具有高磁導(dǎo)特性，外加磁場作用下無缺陷時，磁力線絕大部分通過鐵磁材料且材料內(nèi)部磁力線均勻分布。有缺陷時，缺陷處磁導(dǎo)率遠(yuǎn)比鐵磁材料本身小，則磁力線發(fā)生彎曲，且有一部分磁力線泄漏出材料表面，采用霍爾元件檢測出該泄漏磁場強(qiáng)度的變化，即可有效檢測出缺陷的存在。目前七十二頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)7.4.1磁敏電阻7.4磁敏傳感器

磁敏電阻是一種電阻值隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。1、磁阻效應(yīng)

將通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片置于與電流相垂直的磁場中，除產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外，由于運(yùn)動的載流子收到磁場力的作用會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，使載流子經(jīng)過的路程增加，遷移率減小，電阻率增加，電阻值就增加。此種現(xiàn)象稱為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻效應(yīng)。選擇合適的磁敏電阻形狀，可以使霍爾效應(yīng)減弱或消除，磁阻效應(yīng)增強(qiáng)。目前七十三頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)

在磁場中，電流的流動路徑會因磁場的作用而加長，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導(dǎo)體材料的兩種載流子(電子和空穴)的遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化,它可表示為：Ｂ——為磁感應(yīng)強(qiáng)度；N,P:電子和空穴的數(shù)量；ρ——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為Ｂ時的電阻率；ρ0——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時的電阻率；μ——載流子的遷移率。

電阻率變化主要由遷移率較大的一種載流子引起，它可表示為：當(dāng)材料中僅存在一種載流子時磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略，此時霍耳效應(yīng)更為強(qiáng)烈。若在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應(yīng)很強(qiáng)。

目前七十四頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)磁阻效應(yīng)還與樣品的形狀、尺寸密切相關(guān)。這種與樣品形狀、尺寸有關(guān)的磁阻效應(yīng)稱為幾何磁阻效應(yīng)。

長方形磁阻器件只有在L(長度)<W（寬度）的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。把L<W的扁平器件串聯(lián)起來，就會形成零磁場電阻值較大、靈敏度較高的磁阻器件。L幾何磁阻效應(yīng)WBIa)BIb)目前七十五頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)a）是沒有柵格的情況，電流只在電極附近偏轉(zhuǎn)，電阻增加很小。在L>W長方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬條（即短路柵格），以短路霍耳電勢，這種柵格磁阻器件,如圖b）所示，就相當(dāng)于許多L<W扁條狀磁阻串聯(lián)。所以柵格磁阻器件既增加了零磁場電阻值、又提高了磁阻器件的靈敏度。L幾何磁阻效應(yīng)WBIa)BIb)

常用的磁阻元件有半導(dǎo)體磁阻元件和強(qiáng)磁磁阻元件。其內(nèi)部有制作成半橋或全橋等多種形式。目前七十六頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)1）靈敏度特性磁阻元件的靈敏度特性是在我國某些廠家是用在一定磁場強(qiáng)度下的電阻變化率來表示，即磁場——電阻特性的斜率。國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)是用RB/R0求得，R0表示無磁場情況下，磁阻元件的電阻值，RB為在施加0.3T磁感應(yīng)強(qiáng)度時磁阻元件表現(xiàn)出來的電阻值，這種情況下，一般磁阻元件的靈敏度大于2.7。2、磁阻元件的主要特性目前七十七頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)2）磁場—電阻特性15RBR0105溫度(25℃)弱磁場下呈平方特性變化強(qiáng)場下呈直線特性變化0(b)電阻變化率特性0.20.40.60.81.01.21.4B/T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)線性變化當(dāng)輸入電流I，在垂直方向外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B時，由于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用會使電流方向發(fā)生傾斜而導(dǎo)致電阻值增大，其電阻值與磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化曲線如圖a0.30.20.100.10.20.3R/Ω1000500S級(a)S、N級之間電阻特性B/TN級磁阻元件的電阻值與磁場的極性無關(guān)，它只隨磁場強(qiáng)度的增加而增加目前七十八頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)3）電阻——溫度特性

半導(dǎo)體磁阻元件的溫度特性不好。電阻值在35℃的變化范圍內(nèi)減小了1/2。因此，在應(yīng)用時，一般都要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。10384210242106-4002060100溫度/℃電阻變化率%半導(dǎo)體元件電阻-溫度特性曲線目前七十九頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)

7.4.2磁敏二極管和磁敏三極管

霍爾元件和磁敏電阻是用N型半導(dǎo)體材料制成的體型元件。磁敏二極管、三極管是繼霍爾元件和磁敏電阻之后迅速發(fā)展起來的PN結(jié)型的新型磁電轉(zhuǎn)換元件。它們具有磁靈敏度高（磁靈敏度比霍爾元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍）；輸出信號大；能識別磁場的極性；體積小、電路簡單等特點(diǎn)，因而正日益得到重視，并在檢測、控制等方面得到普遍應(yīng)用。

目前八十頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)（一）磁敏二極管

1．磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理

（1）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)

有硅磁敏二級管和鍺磁敏二級管兩種。磁敏二級管的結(jié)構(gòu)是P+—i—N+型。與普通二極管區(qū)別：普通二極管PN結(jié)的基區(qū)i很短，以避免載流子在基區(qū)里復(fù)合，磁敏二級管的PN結(jié)卻有很長的基區(qū)i，大于載流子的擴(kuò)散長度。H+H-N+區(qū)p+區(qū)i區(qū)r區(qū)電流（a）目前八十一頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(a)結(jié)構(gòu);(b)電路符號+（b）H+H-N+區(qū)p+區(qū)i區(qū)r區(qū)電流（a）以2ACM—1A磁敏二級管為例，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型兩個區(qū)域，并在本征區(qū)（i）區(qū)的一個側(cè)面上，設(shè)置表面粗糙的高復(fù)合區(qū)(r區(qū))，而與r區(qū)相對的另一側(cè)面，保持為光滑無復(fù)合表面。這就構(gòu)成了磁敏二極管的管芯，其結(jié)構(gòu)如圖。目前八十二頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)圖a）當(dāng)磁敏二極管的P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極,即外加正偏壓時，P+向I區(qū)注入大量空穴，N+區(qū)向I區(qū)注入大量電子，只有少數(shù)電子和空穴在I區(qū)復(fù)合掉，大部分的電子和空穴通過I區(qū)分別到達(dá)P+和N+區(qū)，從而產(chǎn)生電流。2）磁敏二極管的工作原理

PNPNPNB=0B+B-→→→←←←電流電流電流（a）（b）（c）磁敏二極管的工作原理示意圖iii電子空穴復(fù)合區(qū)目前八十三頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)圖b）當(dāng)磁敏二極管受到正向磁感應(yīng)強(qiáng)度B+作用時，電子和空穴受到洛倫茲力向r區(qū)偏移，由于r區(qū)電子和空穴復(fù)合速度很快，進(jìn)入r區(qū)的電子和空穴很快被復(fù)合掉，因此電流迅速減小。2）磁敏二極管的工作原理

PNPNPNB=0B+B-→→→←←←電流電流電流（a）（b）（c）磁敏二極管的工作原理示意圖iii電子空穴復(fù)合區(qū)圖c）當(dāng)磁敏二極管受到反向磁感應(yīng)強(qiáng)度B-作用時，電子和空穴受到洛倫茲力偏離r區(qū)，電流明顯增大。目前八十四頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)結(jié)論：磁敏二極管不僅能實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換，而且隨著磁場大小和方向的變化，可產(chǎn)生正負(fù)輸出電壓的變化、也能判斷磁場的方向。特別是在較弱的磁場作用下，可獲得較大輸出電壓。若r區(qū)和r區(qū)之外的復(fù)合能力之差越大，那么磁敏二極管的靈敏度就越高。磁敏二極管反向偏置時，則在r區(qū)僅流過很微小的電流，顯得幾乎與磁場無關(guān)。磁敏二極管的工作原理示意圖PNPNPNB=0B+B-→→→←←←電流電流電流（a）（b）（c）iii電子空穴復(fù)合區(qū)目前八十五頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)1．磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理

1）磁敏三極管的結(jié)構(gòu)有NPN和PNP型兩種結(jié)構(gòu)。NPN型磁敏三極管是在弱P型近本征半導(dǎo)體上，用合金法或擴(kuò)散法形成發(fā)射極、基極、集電極所形成的半導(dǎo)體元件。在長基區(qū)i區(qū)的側(cè)面制成一個復(fù)合速率很高的高復(fù)合區(qū)r。長基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部。發(fā)射區(qū)和集電區(qū)分別設(shè)置在它的上、下面。a)NPN型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)b)NPN型磁敏三極管的符號bcerN+N+ceH-H+P+bi（三）磁敏三極管目前八十六頁\總數(shù)九十二頁\編于二十二點(diǎn)（三）磁敏三極管的工作原理N+cyerxP+bN+（b）B=B-;