磁電式傳感器

關(guān)于磁電式傳感器§5-1霍爾傳感器

霍爾傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量，如電流、磁場、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。一、霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)是導(dǎo)電材料中的電流與磁場相互作用而產(chǎn)生電動勢的物理效應(yīng)。置于磁場中的靜止載流體中，若電流方向與磁場方向不相同，則在載流體的垂直于電流與磁場方向所組成的兩個側(cè)面將產(chǎn)生電動勢。這一現(xiàn)象為美國物理學(xué)家愛德文·霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)，稱為霍爾效應(yīng)，相應(yīng)的電動勢稱為霍爾電勢。第五章磁電式傳感器第2頁,共43頁，2024年2月25日，星期天bdVHIlBvF′F－＋＋－稱為霍爾系數(shù)，它是由基片材料的物理性質(zhì)決定常數(shù)；靈敏度系數(shù)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時的霍爾電勢大小。當(dāng)磁場感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾片平面法線成角度θ時,霍爾電勢為：第五章磁電式傳感器設(shè)為N型半導(dǎo)體，載流子為電子。第3頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量，如電流、磁場、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，堅固，頻率響應(yīng)寬，動態(tài)范圍大,無觸點,使用壽命長,可靠性高,易微型化和集成電路化。

不足：溫度影響大，要求轉(zhuǎn)換精度較高時必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。第五章磁電式傳感器第4頁,共43頁，2024年2月25日，星期天霍爾元件砷化鈉霍爾器件

溫度系數(shù)小，靈敏度高，線性度好，溫漂小，穩(wěn)定性高，體積小

第五章磁電式傳感器第5頁,共43頁，2024年2月25日，星期天二、霍爾片主要技術(shù)指標(biāo)1、額定激勵電流IH

使霍爾片溫升10℃所施加的控制電流值。（限制額定激勵電流的主要因素是散熱條件）2、輸入電阻Ri

控制電極間的電阻值，規(guī)定在室溫（20±5℃）的環(huán)境溫度中測取。

指霍爾電極間的電阻值，規(guī)定在（20±5℃）條件下測取。3、輸出電阻RS第五章磁電式傳感器第6頁,共43頁，2024年2月25日，星期天4、不等位電勢V0及零位電阻r0

當(dāng)控制磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，控制電流為額定值IH時，霍爾電極間的空載電勢稱為不等位電勢（或零位電勢）。第五章磁電式傳感器不等位電勢也可用不等位電阻表示：—零位電阻第7頁,共43頁，2024年2月25日，星期天產(chǎn)生不等位電勢的原因主要是：①霍爾電極安裝位置不正確（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控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布等。（均是制造工藝造成的）第五章磁電式傳感器第8頁,共43頁，2024年2月25日，星期天三、霍爾片的電路1、不等位電勢的補(bǔ)償

由于不等位電勢與不等位電阻是一致的，因此可以用分析其電阻的方法來進(jìn)行補(bǔ)償。第五章磁電式傳感器第9頁,共43頁，2024年2月25日，星期天ABCDIR1R2R3R4

補(bǔ)償原理：將R1、R2、R3、R4其視為電橋的四個臂，即電橋不平衡，為使其平衡可在阻值較大的臂上并聯(lián)電阻，或在兩個臂上同時并聯(lián)電阻。

圖中A、B為控制電極，C、D為霍爾電極，在極間分布的電阻用R1、R2、R3、R4表示，理想情況是R1＝R2＝R3＝R4，即零位電勢為零（或零位電阻為零）。但實際上存在著零位電勢，則說明此四個電阻不等。第五章磁電式傳感器第10頁,共43頁，2024年2月25日，星期天第五章磁電式傳感器第11頁,共43頁，2024年2月25日，星期天2、溫度補(bǔ)償

霍爾片是采用半導(dǎo)體材料制造的，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。如半導(dǎo)體材料的電阻率，遷移率和載流子濃度等都隨溫度而變化。霍爾片的性能參數(shù)如輸入和輸出電阻，霍爾系數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電勢變化，產(chǎn)生溫度誤差，為了減小溫度差：①除選用溫度系數(shù)較小的材料（如砷化銦）；②采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路。第五章磁電式傳感器第12頁,共43頁，2024年2月25日，星期天（1）采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻

溫度變化引起霍爾元件輸入電阻變化，在穩(wěn)壓源供電時，會使控制電流發(fā)生變化，帶來誤差。

為了減小這種誤差，最好采用恒流源，但霍爾片的靈敏度系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，為進(jìn)一步提高VH的溫度穩(wěn)定性，對于具有正溫度系數(shù)的霍爾元件，可在其輸入回路中并聯(lián)電阻RP。（推導(dǎo)過程見黑板）第五章磁電式傳感器第13頁,共43頁，2024年2月25日，星期天（2）采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻

當(dāng)霍爾元件采用穩(wěn)壓電源供電，且霍爾輸出開路狀態(tài)工作時，可在輸入回路串入適當(dāng)電阻來補(bǔ)償溫度誤差。（分析過程見黑板）第五章磁電式傳感器第14頁,共43頁，2024年2月25日，星期天四、霍爾開關(guān)集成傳感器

霍爾開關(guān)集成傳感器是利用霍爾效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號形式輸出。－＋×穩(wěn)壓整形VCC輸出地123霍爾元件放大

由穩(wěn)壓電路、霍爾元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作，開始輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。第五章磁電式傳感器第15頁,共43頁，2024年2月25日，星期天－＋×穩(wěn)壓整形VCC輸出地123霍爾元件放大

當(dāng)有磁場作用在傳感器上時，霍爾元件輸出霍爾電壓VH，該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特整形電路，當(dāng)放大后的VH電壓大于“開啟”閾值時，施密特整形電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使半導(dǎo)體管導(dǎo)通——“開狀態(tài)”；當(dāng)磁場減弱時，霍爾元件輸出的VH很小，經(jīng)放入器放大后其值也小于施密特整形電路的“關(guān)閉”閾值，施密特整形電路再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，使半導(dǎo)體管截止，這種狀態(tài)為——“關(guān)狀態(tài)”。一次磁場強(qiáng)度的變化，就使傳感器完成了一次開關(guān)動作。工作原理：霍爾開關(guān)傳感器的用途：霍爾開關(guān)集成傳感器基本用途有：汽車點火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、里程測定、機(jī)械設(shè)備的限位開關(guān)、按鈕開關(guān)、電流的檢測與控制、位置及角度的檢測，等等。第五章磁電式傳感器第16頁,共43頁，2024年2月25日，星期天幾種接口電路形式第五章磁電式傳感器第17頁,共43頁，2024年2月25日，星期天幾種不同尺寸外形的霍爾開關(guān)第五章磁電式傳感器第18頁,共43頁，2024年2月25日，星期天五、霍爾線性集成傳感器

霍爾線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場呈線性比例關(guān)系。－＋×穩(wěn)壓VCC輸出地123霍爾元件放大－＋×穩(wěn)壓VCC輸出地341霍爾元件放大8單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)雙端輸出的電路結(jié)構(gòu)第五章磁電式傳感器第19頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

霍爾線性集成傳感器一般由霍爾元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場時，霍爾元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍爾電壓，經(jīng)放大器放大后輸出?；魻柧€性傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制。第五章磁電式傳感器第20頁,共43頁，2024年2月25日，星期天六、霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾元件可以測量磁物理量及電量、還可以通過轉(zhuǎn)換測量其它非電量。由于霍爾元件的輸出量是比例于兩個輸入量的乘積，因此可以方便而準(zhǔn)確地實現(xiàn)乘法運(yùn)算，可構(gòu)成各種非線性運(yùn)算部件。霍爾元件工作從直流到數(shù)百千赫茲的頻率范圍內(nèi)。

霍爾元件在工程技術(shù)上的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，具體產(chǎn)品有高斯計、霍爾羅盤、大電流計、功率計、位移傳感器、乘法器、調(diào)制器等。第五章磁電式傳感器第21頁,共43頁，2024年2月25日，星期天1、轉(zhuǎn)速測量NS霍爾元件ωα（轉(zhuǎn)角）VH0π2πNS霍爾元件ωα（轉(zhuǎn)角）VH0永磁體裝在軸端的轉(zhuǎn)速測量方法永磁體裝在軸側(cè)的轉(zhuǎn)速測量方法第五章磁電式傳感器第22頁,共43頁，2024年2月25日，星期天第五章磁電式傳感器工作原理及用途：

被測體上貼一磁鋼，非接觸式測量，高可靠，適用于低轉(zhuǎn)速，體積小、安裝方便，對環(huán)境無要求，適合各種惡劣環(huán)境、污濁環(huán)境、功耗低，適宜長期工作?；魻柺睫D(zhuǎn)速計第23頁,共43頁，2024年2月25日，星期天2、利用霍爾線性集成傳感器進(jìn)行磁法覆蓋層厚度測量

磁法覆蓋厚度測量是指對鐵磁性物質(zhì)表面非磁性涂層的厚度測量。例如對鋼鐵表面的鍍膜、油漆、塑料、搪瓷等覆蓋層的厚度等便可使用磁法厚度測量的方法。第五章磁電式傳感器第24頁,共43頁，2024年2月25日，星期天U型鐵心永磁體鐵磁基體磁回路SL3501M覆蓋層

測量時將U形鐵芯的兩極放到被測物體表面上，這時永磁體產(chǎn)生的磁通便通過U形鐵芯和被測物體構(gòu)成磁回路。當(dāng)被測物體表面覆蓋層厚度不同時，磁回路的磁阻和磁通量將會發(fā)生變化，磁回路中的霍爾集成傳感器將會檢測出磁場強(qiáng)度的不同，從而使霍爾集成傳感器產(chǎn)生的輸出電壓隨覆蓋層厚度的不同而變化，完成覆蓋層非電量到電量的轉(zhuǎn)換。

將U型硅鋼片鐵芯中間斷開，然后將SL3501M霍爾線性集成傳感器和一片釹鐵硼永磁體夾在中間，用502膠粘牢。第五章磁電式傳感器第25頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

霍爾集成傳感器內(nèi)部雖然設(shè)有差分放大器，但其輸出的電壓仍然滿足不了使用電路的要求，為此，將信號加一級放大，便可得到足夠大的信號幅度。－5VIC1IC2＋5VUOUT第五章磁電式傳感器第26頁,共43頁，2024年2月25日，星期天3、霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用

用霍爾元件測量電流，都是通過霍爾元件檢測通電導(dǎo)線周圍的磁場來實現(xiàn)的。第五章磁電式傳感器

在現(xiàn)代工程技術(shù)中，往往要測量大直流電流，有時直流電流值高達(dá)10KA以上。過去，多采用電阻器分流的方法來測量這樣大的電流。這種方法有許多缺點，如分流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、耗電、耗銅等。利用霍爾效應(yīng)原理測量大電流可以克服上述的一些缺點。霍爾效應(yīng)大電流計結(jié)構(gòu)簡單、成本低、準(zhǔn)確度高，在很大程度上與頻率無關(guān)，便于遠(yuǎn)距離測量，測量時不需要斷開回路。第27頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

（1）導(dǎo)線旁測法這種方法是一種最簡單的方法，將霍爾元件放在通電導(dǎo)線的附近，給霍爾元件通以恒定電流，用霍爾元件測量被測電流產(chǎn)生的磁場，就可以從元件輸出的霍爾電壓中確定被測電流值。這種方法雖然結(jié)構(gòu)簡單，但測量精度較差，受外界干擾也大，只適用一些不重要的場合。BICI通電電流VH第五章磁電式傳感器第28頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

當(dāng)導(dǎo)線中有電流流通時，導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，使導(dǎo)磁體鐵芯磁化成暫時性磁鐵，在環(huán)形氣隙中就會形成一個磁場，導(dǎo)體中的電流越大，氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越大，霍爾元器件輸出的霍爾電壓VH就越大?？梢酝ㄟ^霍爾電壓檢測到導(dǎo)線中的電流。這種方法可以提高電流測量的精度。導(dǎo)磁鐵心霍爾元器件通電導(dǎo)線I（2）導(dǎo)線貫串磁芯法如果用鐵磁材料做成磁導(dǎo)體的鐵芯，使被測通電導(dǎo)線貫串它的中央，將霍爾元件或霍爾集成傳感器放在磁導(dǎo)體的氣隙中，這樣，可以通過環(huán)形鐵芯集中磁力線，如下圖所示。第五章磁電式傳感器測量原理第29頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

在實際應(yīng)用中，為了測量的方便，還可以把導(dǎo)磁鐵芯做成鉗式形狀，或非閉合磁路的形狀，如下圖所示。I霍爾元器件通電導(dǎo)線導(dǎo)磁鐵心霍爾元器件通電導(dǎo)線導(dǎo)磁鐵心I鉗式非閉合磁路式第五章磁電式傳感器第30頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

（3）磁芯繞線法

這種方法如下圖所示。它由標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形導(dǎo)磁鐵芯和SL3501M霍爾線性集成傳感器組合而成。SL3501M通電導(dǎo)線導(dǎo)磁鐵心I

被測通電導(dǎo)線繞在導(dǎo)磁鐵芯上，每1安1匝在氣隙處可產(chǎn)生0.0056T的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若測量范圍是0~20A時，則導(dǎo)線繞制9匝便可產(chǎn)生約0.1T的磁感應(yīng)強(qiáng)度，SL3501M會有1.4V的電壓輸出。第五章磁電式傳感器第31頁,共43頁，2024年2月25日，星期天第五章磁電式傳感器數(shù)字鉗型表用途：

主要用于大電流測量，可用于機(jī)械加工車間，工廠，及各種耗電量較大的任何場合。第32頁,共43頁，2024年2月25日，星期天4、霍爾元件在磁性材料研究上的應(yīng)用被測磁性物質(zhì)交流信號源霍爾元件示波器電流表磁化繞組

在磁性材料特性研究中，往往需要復(fù)雜的過程才能得到B-H曲線或磁場分布圖。因為霍爾電壓同鐵芯磁化繞組的電流的關(guān)系VH=f(IM）同樣反映了磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系B=f(H)，所以可以直接用示波器來觀察這個關(guān)系。第五章磁電式傳感器第33頁,共43頁，2024年2月25日，星期天5、霍爾線性位移傳感器霍爾線性位移傳感器第五章磁電式傳感器第34頁,共43頁，2024年2月25日，星期天第五章磁電式傳感器若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個均勻梯度磁場中移動，它輸出的霍爾電壓VH值只由它在該磁場中的位移量Z來決定。圖中3種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位移傳感器的輸出特性曲線，將它們固定在被測系統(tǒng)上，可構(gòu)成霍爾微位移傳感器。從曲線可見，結(jié)構(gòu)（b）在Z<2mm時，VH與Z有良好的線性關(guān)系，且分辨力可達(dá)1μm，結(jié)構(gòu)（C）的靈敏度高，但工作距離較小。

幾種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)和幾種霍爾位移傳感器的靜態(tài)特性霍爾線性位移傳感器原理第35頁,共43頁，2024年2月25日，星期天第五章磁電式傳感器6、霍爾壓力傳感器

霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成，如圖所示。(a)的彈性元件為膜盒，(b)為彈簧片，(c)為波紋管。磁系統(tǒng)最好用能構(gòu)成均勻梯度磁場的復(fù)合系統(tǒng)，如圖中的(a)、(b)，也可采用單一磁體，如