传感器原理与应用_6_磁敏传感器

线性 度高
适合
线性测量 型
3
B(kG) (高斯)
线性测量型集成霍尔传感器
线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。 其输出信号与磁感应强度成比例。通常由霍尔元件、差分放大、射极跟随 输出及稳压四部分组成。
第一级差分放大 稳压源 HG A 放大 放大 输出电路 GND 线性型霍尔器件示意图 Vout Vcc 第二级差分放大
变磁通式

非重点
对于变磁通式磁电传感器，线圈和磁铁都静止不动，感应 电动势是由变化的磁通产生的。由导磁材料组件构成的被 测体运动时，比如转动物体引起磁阻变化，使穿过线圈的 磁通量变化，从而在线圈中产生感应电动势，所以这种传 感器也成为变磁阻式。
磁电感应式传感器的基本特征

非重点
电动势磁电感应传感器的灵敏度特性曲线在理论上应该是 一条直线，而实际的灵敏度特性是非线性关系的。
当达到动平衡后，二力的代数和为零
EH vB
U H vBb

对于n型半导体，电流强度I可以表示为：
I j s n e v b d

进而得到：
I v nebd

j表示电流密度（A/m2） n表示单位体积内的电子数， 负号表示电子运动方向与电流方向相反。 s表示霍尔元件的截面积（m2） d表示霍尔元件的厚度（m）
非重点
5.1 磁电感应式传感器
Part.2 应用
磁电感应式传感器的应用

非重点
特点：





是一种典型的惯性传感器 不需要静止的基准参考信号，可直接安装在被测物 体上 是一种典型的发电型传感器，工作时可不加电压， 直接将机械能转化为电能输出 电动式磁电传感器从根本上讲是速度传感器 磁电传感器输出阻抗低，通常为几十~几千欧姆， 对后继电路要求低，干扰小 通常用来做机械振动测量
当运动速度v<va时，运动速度太小， 不足以克服构件内的静摩擦力，因 此没有感应电动势输出； 当运动速度v>va时，传感器才能克 服静摩擦力开始做相对运动； 当运动速度v>va时，惯性太大，超 过了传感器的弹性形变范围，输出 曲线开始弯曲。 传感器运动速度通常工作在(vb,vc) 范围之间，保证有足够的线性范围。
霍尔元件外形为矩形薄片，有四根引线，两端加激励电流， 称为激励电极。另外两端为输出引线，称为霍尔电极，外面 用陶瓷或环氧树脂封装。
霍尔元件的主要特性参数

非重点
输入电阻Ri和输出电阻Ro

定义霍尔元件激励电极之间的电阻称为输入电阻Ri。 霍尔元件的霍尔电极输出的是霍尔电势，对外它是一个 等效的电压源，这就需要知道霍尔电极之间的电阻，这 个电阻称为输出电阻Ro。
5.2 霍尔传感器
Part.3 集成霍尔传感器
集成霍尔传感器


将霍尔敏感元件、放大电路、校正电路、温度补偿电路以 及激励源（比如给霍尔敏感元件供电的恒流源）全部集成 在一片芯片上，构成集成霍尔传感器。 根据霍尔敏感材料的特性不同，可以分成两大类：

线性测量型 开关型
UH 0.3
开关型
GaAs（砷化镓） InSb（锑化铟）

霍尔灵敏系数KH


霍尔传感器的测量电路

基本测量电路



控制电流I由电压源E供给。 R是调节电阻，用以根据需求 调节I的大小。 霍尔电势输出的负载电阻RL， 可以是放大器的输入电阻或表 头的内阻等。 施加的外磁场B一般与霍尔元 件的平面垂直。 控制电流可以是交流。
由于建立霍尔效应所需的时间短， 所以控制电流的频率可高达109Hz

优点：


缺点：

霍尔效应

金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中（若磁场垂直于薄 片），当有电流I流经时（若I与B正交），在垂直于电流I和磁场B的方 向上将产生电动势UH，这种物理现象称为霍尔效应。
左手 定律

把一个长度为L，宽度为b，厚度为d的导体或半导体薄片两端通以控 制电流I，在薄片的垂直方向上施加磁感强度为B的磁场，在薄片的另 外两侧将会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的感应电 动势UH。

一个矩形霍尔片有两个电极，各 个电极之间有4个电阻R1，R2， R3，R4，因而可以把霍尔元件视 为一个4臂电阻电桥。
非重点

这样不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。 理想状况下，不等位电势为0，即电桥平衡。
非重点

所有能够使电桥达到平衡的方法均可以用作补偿不等位电 势，使不等位电势为0。
CD-1型振动速度传感器
非重点
磁电式扭矩传感器
非重点
5.2 霍尔传感器
Part.1 原理
霍尔传感器


百度文库
霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器，是把磁学物理量 转换成电信号的磁敏传感器。 发展历程


1879年，美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由 于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。 随着半导体技术的发展，开始使用半导体材料制成霍尔元件，由于它 的霍尔效应显著而得到广泛应用和发展。 结构简单，体积小，坚固， 频率响应宽（从直流到微波），动态范围大（输出电动势变化）, 非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化。 转换率较低、温度影响大、要求转换精度较高时需要进行温度补偿。
关于灵敏度的理解


由于金属的电子浓度很高，所以它的霍尔系数或灵敏度都很小，因 此不适于制作霍尔元件。 元件的厚度d越小，灵敏度越高，因此制作霍尔片时可以采用减小d 的方法来增加灵敏度，但是不能认为d越小越好，因为这会导致元 件的输入和输出电阻增加。
磁场与霍尔元件平面呈现夹角

当磁感应强度B和霍尔片平面法线n成角度θ时，此时实际作 用于霍尔片的有效磁场使其法线方向的分量，即B•cosθ，其 霍尔电势为：
达 林 顿 管
HL1.1型线性集成霍尔传感器
霍尔元件在空气中产生10℃的温升时，所施加的控制电 流称为额定控制电流IN。 以元件允许的最大温升为限制，所对应的控制电流称为 最大允许控制电流Imax。

额定控制电流IN和最大允许控制电流Imax


霍尔元件的主要特性参数 -- 续

非重点
不等位电势U0和不等位电阻r0

霍尔电势温度系数α

在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1℃时， 霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数α。 在单位控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输 出端的开路电压，称为霍尔灵敏系数KH，霍尔灵敏系数 KH的单位为V/(A· T)。 它反映了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希 望他越大越好。
ρ表示材料的电阻率（Ω•m） μ表示载流子的迁移率（m2/s•V） 即单位电场作用下载流子的运动速度
一般情况下，电子的迁移率要大于空穴的迁移率， 因此制成霍尔元件时多采用N型半导体材料。
灵敏度
R KH H d

1 ned
U H K H IB
KH称为元件的灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单 位控制电流作用下霍尔电势的大小，单位是（mV/mA•T）
传感器原理与应用
第六章 磁敏传感器
分类

利用磁电感应原理的磁电感应式传感器 。

将运动速度、位移转换成线圈中的感应电动势输出。

利用某些材料的磁电效应做成的对磁场敏感的传感器（磁 敏传感器）

磁电效应主要有霍尔效应和磁阻效应 其中霍尔效应是磁电效应的基础。

磁敏二极管(SMD)
非重点
5.1 磁电感应式传感器




电流灵敏度：

非重点
I0 v
电流灵敏度是单位速度引起的输出电流变化，为：
SI
电压灵敏度：

电压灵敏度是单位速度引起的输出电压变化 ，为： U0 SV v
提高灵敏度的方法 ：

可以增大磁场强度B、每匝线圈的长度l和线圈匝数N。 同时需要综合考虑传感器的材料、体积、重量、内阻和工作频率。
工作原理

非重点

磁电感应式传感器利用导体和磁场发生相对运动时会在导 体两端输出感应电动势。 根据法拉第电磁感应定律可知：“导体在磁场中切割磁力 线”or“闭合线圈的磁通发生变化”时，在导体两端或线圈 内将产生感应电动势，电动势的大小与穿过线圈的磁通变 化率有关。 当导体在均匀磁场中，沿垂直 磁场方向运动时，导体内产生 的感应电动势为：
U H K H IB cos
分析交变的电场
使用控制电压代替控制电流

1 ne
电阻率公式
R UH H d IB
RH
L R S
I
UH RH
b U H EB L
5.2 霍尔传感器
Part.2 霍尔敏感元件
霍尔元件的结构

可以推出：
IB UH ned
霍尔电动势UH与 控制电流I和磁场强度B的乘积成比例
霍尔系数

1 设 RH ，将相应公式改写为： ne RH UH IB d
RH称为霍尔系数，其大小反映出霍尔效应的强弱。
1 考虑电阻率的表达式为： ，可以得到： ne

RH
Part.1 原理
磁电感应式传感器

非重点


磁电感应式传感器是一种电动式传感器，也是一种典型的有 源传感器。 特点： 输出功率大 稳定可靠、结构简单、可简化二次仪表 工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换 为电量输出 工作频率为10~500Hz，适合做机械振动测量和转速测量。 缺点： 尺寸较大、较重 频率响应低
d e N dt
右手定律
发电机
恒磁通式

非重点
磁路系统产生恒定的磁场，工作间隙中的磁通也保持恒定 不变，感应电动势是由线圈相对永久磁铁运动时切割磁力 线而产生的。
永磁铁与传感器壳体固定，线圈相对于传感器壳体运动，称为动圈式。 线圈组件与传感器壳体固定，永磁铁相对于传感器壳体运动，称为动铁式。
磁电感应式传感器的测量电路

非重点
磁电感应式传感器可直接输出感应电势，而且具有较高的 灵敏度，对测量电路无特殊要求。


磁电感应式传感器的输出信号直接经主放大器输出，该信号与速度成 正比； 前置放大器分别接积分电路和微分电路 接积分电路时，感应电动势的输出正比于位移信号； 接微分电路时，感应电动势的输出正比于加速度信号。

为了减少测量中的温度误差，选用温度系数较小的霍尔元件 或采用一些恒温措施外，还可以使用一些电路温度补偿方法。
非重点

采用热敏元件 对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，采用 温度补偿电路，图中Rt是热敏元件（热电阻or热敏电阻）


左图在输入回路中进行温度补偿的电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵 消霍尔元件的乘积灵敏度KH和输入电阻Ri变化对霍尔输出电势UH的影响。 右图在输出回路进行温度补偿的电路，当温度变化时，用RL的变化来抵消 霍尔输出电势UH和输出电阻Ro变化对负载电阻RL上的电压UL的影响。
工作原理

非重点
动圈式和动铁式的工作原理相同。 若线圈和磁铁有相对运动，则线圈中产生的感应电动势与 磁场强度、线圈导体长度、线圈匝数以及线圈切割磁力线 的速度成比例关系，具体为：
d dx e N NBl BlNv dt dt
线圈 匝数 磁感应 强度 每匝线圈 长度
线圈 运动速度
不等位电势的补偿

非重点
不等位电势

当霍尔元件的激励电流为额定值IN时，若元件所处位置的磁感应强 度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零，这时测得的空 载霍尔电势称为不等位电势。 不等位电势是由于两个霍尔电极安装时不在同一个电位面上所致。

产生原因


不等位电阻：不等位电势是由于霍尔电极2和2之间的电阻为不等位电阻。

并设其正电荷所受洛伦茨力方向为正，则电子所受的洛伦 兹力可表示为：
f L evB

e: 电子电量 v: 运动速度 B: 磁场强度
霍尔电场作用于电子的力fE可表示为：
UH f E (e)( EH ) e b

-EH表示电场方向与规定正方向相反 （单位V/m）

输出电路


在直流激励电流情况下，为了获得较大的霍尔电压，可将 几块霍尔元件的输出电压串联，如左图所示。 在交流激励电流情况下，几块霍尔元件的输出可通过变压 器接成如右图的形式，以增加霍尔电压或输出功率。
由温度造成的误差

非重点
霍尔元件对温度的变化很敏感，因此，霍尔元件的输入电 阻、输出电阻、乘积灵敏度等将受到温度变化的影响，从 而给测量带来较大误差。