傳感器與檢測(cè)技術(shù)第二版胡向東著第七章 磁電式傳感器

第7章磁敏式傳感器7.1磁電感應(yīng)式傳感器7.2霍爾式傳感器本章要點(diǎn)下頁(yè)返回

磁電式傳感器是通過磁→電作用將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。7.1磁電感應(yīng)式傳感器下頁(yè)上頁(yè)返回一、

類型及工作原理磁電感應(yīng)式傳感器也稱為電動(dòng)式傳感器（感應(yīng)式傳感器），它是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原理工作的。（發(fā)電機(jī)原理）特點(diǎn)：不需要電源，可直接從被測(cè)物體吸取機(jī)械能量并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，輸出電壓靈敏度高，頻率響應(yīng)（10～1000Hz），但體積、重量較大，一般適于測(cè)量振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：W匝線圈在恒定磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)并切割磁力線時(shí)，線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：下頁(yè)上頁(yè)返回線圈相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)速度為v或下頁(yè)上頁(yè)返回（一）恒定磁通式

分動(dòng)圈式（a）和動(dòng)鐵式（b）兩種結(jié)構(gòu)（相對(duì)于殼體）圖7-1恒定磁通路電感應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖圖7-2變磁通式磁電感應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

（a)開磁路(b)閉磁路下頁(yè)上頁(yè)返回（二）變磁通式二、測(cè)量電路圖7-5磁電感應(yīng)式傳感器測(cè)量電路方框圖下頁(yè)上頁(yè)返回三、磁電感應(yīng)式傳感器應(yīng)用舉例下頁(yè)上頁(yè)返回圖7-6動(dòng)圈式恒磁通振動(dòng)速度傳感器下頁(yè)上頁(yè)返回圖7-7磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器（變磁通式）1——轉(zhuǎn)軸2——轉(zhuǎn)子3——永久磁鐵4——線圈5——定子上頁(yè)返回下頁(yè)圖7-9電磁流量計(jì)（恒磁通式）7.2霍爾式傳感器霍爾效應(yīng)和霍爾元件材料霍爾元件構(gòu)造及測(cè)量電路霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)霍爾元件的補(bǔ)償電路霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量、如電流、磁場(chǎng)、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。上頁(yè)返回下頁(yè)

1.霍爾效應(yīng)：一塊長(zhǎng)為l、寬為b、厚為d的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)(磁場(chǎng)方向垂直于薄片)中，當(dāng)有電流I流過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻柺絺鞲衅魇怯苫魻栐M成。上頁(yè)返回下頁(yè)圖7-10霍爾效應(yīng)原理圖7.2.1工作原理電場(chǎng)力:洛倫茲力:平衡時(shí):上頁(yè)返回下頁(yè)RH—霍爾系數(shù)KH—靈敏度2.霍爾元件外形、結(jié)構(gòu)和符號(hào)下頁(yè)上頁(yè)返回霍爾元件的命名下頁(yè)上頁(yè)返回圖7-12霍爾元件的線性特性和開關(guān)特性上頁(yè)返回下頁(yè)特性線性器件：輸出模擬量開關(guān)器件：輸出數(shù)字量負(fù)載特性：當(dāng)霍爾電極間接有負(fù)載時(shí)（阻抗非無窮大），有電流流過內(nèi)阻產(chǎn)生壓降，實(shí)際的霍爾電動(dòng)勢(shì)將比理論值略小。溫度特性：半導(dǎo)體材料受溫度影響大，將影響霍爾系數(shù)、電阻率、靈敏度等。1．鍺(Ge)

輸出小，但溫度性能和線性度較好；2．硅(Si)

線性度最好，但帶負(fù)載能力較差，通常不作單個(gè)霍爾元件；3．砷化銦(InAs)

輸出較大，受溫度影響小，線性度較好，應(yīng)用較多；4．銻化銦(InSb)

輸出大，但受溫度影響大（尤其是低溫）上頁(yè)返回下頁(yè)材料額定激勵(lì)電流IH

使霍爾元件溫升10℃所施加的控制電流值稱為額定激勵(lì)電流。通常用IH表示。

輸入電阻Ri

它是指控制電流極間的電阻值。它規(guī)定要在室溫(20±5℃)的環(huán)境溫度中測(cè)取。輸出電阻Rs

它是指霍爾電極間的電阻值。規(guī)定中要求在(20±5℃)的條件下測(cè)取。

熱阻RQ

它表示在霍爾電極開路情況下，在霍爾元件上輸入lmW的電功率時(shí)產(chǎn)生的溫升，單位為C／mW。主要技術(shù)指標(biāo)下頁(yè)上頁(yè)返回上頁(yè)返回下頁(yè)7.2.2測(cè)量電路霍爾元件的基本測(cè)量電路如圖所示。激勵(lì)電流由電源E供給，可變電阻RP用來調(diào)節(jié)激勵(lì)電流I的大小。RL為輸出霍爾電勢(shì)UH的負(fù)載電阻。圖7-15基本測(cè)量電路上頁(yè)返回下頁(yè)（a）線性型（b）開關(guān)型精確跟蹤磁密度的變化單極性靠近單磁極→低電平（關(guān)）雙極性全極性

不等位電勢(shì)

當(dāng)霍爾元件通以控制電流IH而不加外磁場(chǎng)時(shí)，它的霍爾輸出端之間仍有空載電勢(shì)存在，該電勢(shì)就稱為不等位電勢(shì)(或零位電勢(shì))。上頁(yè)返回下頁(yè)產(chǎn)生原因：霍爾電極不在同一等位面上；半導(dǎo)體材料（電阻率、幾何尺寸等）不均勻；控制電極接觸不良。測(cè)量誤差及補(bǔ)償圖7-13不等位電勢(shì)的補(bǔ)償電路上頁(yè)返回下頁(yè)寄生直流電勢(shì)

產(chǎn)生原因：控制電極和霍爾電極接觸不良→接觸電阻；兩霍爾電極大小不對(duì)稱→熱容量不同。與工作電流有關(guān)，隨工作電流減小而減小。溫度誤差及其補(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)生化，從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。

為了減小溫度誤差，除了選擇溫度系數(shù)小的霍爾元件(如InAs)或采取恒溫措施外，由

可看出：采用恒流源供電是個(gè)有效措施，減小元件內(nèi)阻隨溫度變化而引起的控制電流的變化，但是還不能完全解決霍爾電動(dòng)勢(shì)的穩(wěn)定問題。上頁(yè)返回下頁(yè)并聯(lián)分流電阻RP，當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí)，RP會(huì)自動(dòng)加強(qiáng)分流，減小了霍爾元件的控制電流IH，從而達(dá)到補(bǔ)償目的。圖7-14溫度補(bǔ)償電路下頁(yè)上頁(yè)返回→上頁(yè)返回下頁(yè)圖7-25橋路補(bǔ)償法的溫度補(bǔ)償電路橋路補(bǔ)償法元件補(bǔ)償上頁(yè)返回下頁(yè)要求熱敏元件盡量靠近霍爾元件

7.2.3霍爾式傳感器的應(yīng)用上頁(yè)返回下頁(yè)圖7-16霍爾式位移傳感器原理示意圖上頁(yè)返回下頁(yè)圖7-19霍爾式壓力傳感器結(jié)鉤原理圖及磁鋼外形

霍爾汽車點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意圖上頁(yè)返回下頁(yè)轉(zhuǎn)速計(jì)上頁(yè)返回下頁(yè)上頁(yè)返回下頁(yè)

磁轉(zhuǎn)子M旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)磁極旋轉(zhuǎn)，霍爾元件H感受到磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化，產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)經(jīng)