磁电感应式传感器测量电路
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磁敏二极管反向偏置时，则在 r区仅流过很 微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极 管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。
三、磁敏三极管 1、结构
c
H-
H+
c b
N+
i
b
e
P+ N+
r
e
2、工作原理
（1）当不受磁场作用时
由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度， 因而注入的载流子除少部分输入到集电极c外，大部分 通过e—i—b而形成基极电流。显而易见，基极电流大于 集电极电流。 所以，电流放大系数 =Ic／Ib＜1。
6、 额定激励电流和最大允许激励电流：当霍尔元件 自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。 以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最 大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而线性 增加，所以使用中希望选用尽可能大的激励电流，因 而需要知道元件的最大允许激励电流。改善霍尔元件 的散热条件，可以使激励电流增加。
+15V
Rf
R1
H
+
R2 －
R3 R4
-15V
1 VCC 稳压
霍耳元件
放大
H
+
－
集成线性传感器的电路结构框图
输出 3
地 2
四、霍尔元件的测量误差补偿方法 1、零位误差及补偿方法
零位误差：霍尔元件在加控制电流但不加外磁场 时出现的霍尔电势。主要为不等位电势。
A
I
C
D
B
分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥， 用分析电桥平衡来补偿不等位电势。
((bd)) (a )
N
2
1—输 入 轴
2—转 盘 ；
3—小 磁 铁
1—输
4入—轴霍1 ；尔 1
传
2—转 盘 ；
3—小 磁 铁 ；
4—霍 尔 传 感 器
1—输 入 轴 ；4
2—转 盘 ； 3—小 磁 铁 ；
4、 霍尔计数装置
钢球
绝缘 板
N
霍尔 开关 传感器
磁铁
S
(a )
SL 3051 ＋ 12 V
下，由负载上获得电
压。
实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出 可以正比于I或B, 或者正比于其乘积IB。
2、霍尔电势输出电路
（1） 开关应用
+15V
R1
H
+
R2
－
R3 R4
-15V
1 VCC 稳压
霍耳元件
放大
整形
输出 3
H
+
BT
－
地
2
霍尔开关集成传感器内部结构框图
（2）线性应用
P
N
I
H+
（3）当磁敏二极管受到外界磁场H-作用时 电子、空穴受到洛仑兹力作用而向I区偏移，由于电子、 空穴复合率明显变小，则电流变大。
P
N
I
H-
结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正 负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用 下，可获得较大输出电压。若r区和r区之外的复 合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就 越高。
设 KH=RH / d
UH＝ KH I B
讨论：为什么只能用半导体材料作霍尔元件。
N型材料电阻率 1 ne
P型材料电阻率
1
pe
UH
IB
d
霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率μ 的乘积。 若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数 RH，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁 移率。 一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很 小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低， 故只有半导体材料才适于制造霍尔片。
y
c
运输 基区
N+
N+ e
复合基区 r
P+ b
x
（2）当受到H＋磁场作用如图，由于洛仑兹力 作用，载流子向发射结一侧偏转，从而使集电 极电流明显下降。
y c
N+
P+
b
N+
r
x
e
Uo
IoR f
B o lWvR f R Rf
SU
Uo v
BolWRf RRf
相对误差为
dSI dBdldR
SI B l R
三、磁电感应式传感器的测量电路
磁电式 传感器
量程选择
微分电路 前置放大 积分电路
显示 主放大器 或
记录
SW
四、磁电感应式传感器的应用 动圈式振动速度传感器
8 76 5 4 3 3
常 用 国 产 霍 尔 元 件 的 技 术 参 数
三、霍尔元件测量电路和输出电路
1、基本测量电路
IH
I
B
RL
R E
图中控制电流I由电源E
供给,R为调节电阻,保
证器件内所需控制电
流I。霍尔输出端接负
载 UH或
RL,RL可是一般电阻 放大器的输入电阻、
或表头内阻等。磁场B
垂直通过霍尔器件,在
磁场与控制电流作用
磁电感应式传感器测量电路
第一节 磁电感应式传感器
一、 磁电感应式传感器工作原理
导体在稳恒均匀磁场中运动 e d BldxBlv
dt dt
式中: B——稳恒均匀磁场的磁感应强度； l—— v——导体相对磁场的运动速度。
N匝线圈处于变化的磁场中 e N d
dt
两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。
FL eB
FE
eEH
eUH b
eUH eB
b
UH bB
I dQbdne
dt
UH
IB ned
及灵敏度
N型霍尔系数
RH
1 ne
P型霍尔系数
RH
1 pe
UH
RH
IB d
霍尔系数由半导体材料性质决定，且决定霍尔电势的强弱。
霍尔元件灵敏度（KH）：单位磁感应强度和单位控制 电流作用时，所能输出的霍尔电势的大小。
r区
P
I
N
+
-
2、工作原理
（1）当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏 压，则有大量的空穴从P区通过I区进入N区，同时也有 大量的电子注入P区。形成电流。只有少量电子和空穴 在I区复合。
复合区
空穴
电子
P
N
→→→ I ←←←
H=0
（2）当磁敏二极管受到外界磁场H+作用时 电子、空穴受到洛仑兹力作用而向r区偏移，由于r区的 电子、空穴复合率比光滑面I区快，因此形成的电流因 复合速度而减小。
7、寄生直流电势 ：在外加磁场为零、霍尔元件用交 流激励时，霍尔电极输出除了交流不平衡电势外，还 有一直流电势，称为寄生直流电势。
其产生的原因有： ① 激励电极与霍尔电极接触不良， 形成非欧姆接 触， 造成整流效果； ② 两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热 容不同， 散热状态不同而形成极间温差电势。 寄生直流电势一般在1mV以下，它是影响霍尔片 温漂的原因之一。
B 01 0 .27 2 B 2 3
B0 0
0 0.273 2B2
Ｂ——为磁感应强度； ρB——材料在磁感应强度为Ｂ时的电阻率； ρ0 ——材料在磁感应强度为0时的电阻率； μ——载流子的迁移率。
二、磁敏二极管
1、结构
简写为SMD。磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料 制成，在P、N之间有一个较长的本征区I，本征区I的 一面磨成光滑的复合表面（为I区），另一面打毛，设 置成高复合区（为r区），其目的是因为电子-空穴对 易于在粗糙表面符合尔消失。当通以正向电流后就会 在P、I、N结之间形成电流。磁敏二极管是PIN型。
(a )
S
R4
Vcc
470 k
计
C1 22
R3 1k
A A 74 1
R5 470 k
数 器 V 2N5812
R1 10 k
R2
11 k
(b )
5、汽车霍尔点火器
第三节 磁敏传感器
一、磁敏电阻器
磁阻效应: 若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加
以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。
称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。
霍尔器件符号
C A
D
B
C
C
A
BA
B
H
D
D
二、霍尔元件的主要技术参数
1、额定功耗P0: 霍尔元件在环境温度T=250C时，允许 通过霍尔元件的电流和电压的乘积。 2、 输入电阻和输出电阻
Ri：激励电极间的电阻值。 Ro：霍尔元件电极间的电阻。 3、不等位电势U0：在额定控制电流I下，不加磁场时， 霍尔电极间的空载霍尔电势。
1、芯轴
2、外壳
2
3、弹簧片 4、铝支架
5、永久磁铁
6、线圈
7、阻尼环
1 8、引线
第二节 霍尔传感器
一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理
1、霍尔效应 在半导体薄片中通以电流I,在与薄片垂直方向加磁
场B，则在半导体薄片的另外两端，产生一个大小与控制 电流I和B乘积成正比的电动势，这种现象称为霍尔效应。
2、霍尔元件的工作原理
弹 簧弹 簧
(a )
恒定磁通动圈(a )式磁电传感器
(b )
恒定磁通动铁(b式) 磁电传感器
二、 磁电感应式传感器基本特性
Io 传
E
Io
E RRf
BolNv RRf
感 器R
Rf
式中： Rf——测量电路输入电阻； R——线圈等效电阻。
传感器的电流灵敏度为
SI
Io v
BolN RRf
而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为
NS
开磁路变磁通式：这种传感器结构简单，但输出信号 较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转 速的场合。
A A
闭磁路变磁通式：感应电势的频率与被测转速成正比。
弹簧
簧
v 极掌 线圈
v 极掌 线圈
磁轭 磁轭
补 偿 线 圈补 偿 线 圈
N
N
S
S
v
v
N
N
壳体
壳体
线 圈线 圈
永 久 永磁 久铁
S
S
（a）RH与温度的关系
（b）ρ与温度的关系
（1）、利用输出回路并联电阻进行补偿
（2）、利用输入回路串联电阻进行补偿
基本电路
等效电路
实际补偿电路
五、霍尔传感器应用 1、测量磁场的大小和方向
S
mA R
E
电位差计
N
霍耳磁敏传感器测磁原理示意图
2、 霍尔式微位移传感器
霍尔元件
SN
NS
x
－x
x
UH量值大小反映出(霍a尔)元件与磁铁之间相对位置的变 化量。这种结构的传感器， 其动态范围可达5 mm，分
辨率为。
霍尔霍元尔件元件
xN N
xx
SS
(b) (b)
霍尔元件
霍尔元件
SS
NN
N N
S Sx
－ －xx xx (c)(c)
43
(a )
3、 霍尔式转速传感(器b )
41 3 111
2
N S
SN
22 2
(b )
S N SN
SNSN S
2
3
N
N SN
S N SN S
SNSN S
1
4
3
4
43
3
4
(c) 3
r1 A
r3
C
r2
r4
D
B
RP
RP
RP
RP
R RP
(b)
(a) (d()c)
R (d
2、温度误差及补偿方法
RH/cm2/℃﹒A-1
ρ/7×10-3Ω·cm
6 250
200
LnAs
4
150
100
LnSb
2
50
0
0
40 80 120 160 200
T/℃
LnAs
LnSb
50
100 150 200 T/℃
① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； ② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀； ③ 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。
4、霍尔电势温度系数：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。
5、内阻温度系数：霍尔元件在无磁场及工作温度范围 内，温度每变化1℃时，输入电阻与输出电阻变化的百 分率。
三、磁敏三极管 1、结构
c
H-
H+
c b
N+
i
b
e
P+ N+
r
e
2、工作原理
（1）当不受磁场作用时
由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度， 因而注入的载流子除少部分输入到集电极c外，大部分 通过e—i—b而形成基极电流。显而易见，基极电流大于 集电极电流。 所以，电流放大系数 =Ic／Ib＜1。
6、 额定激励电流和最大允许激励电流：当霍尔元件 自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。 以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最 大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而线性 增加，所以使用中希望选用尽可能大的激励电流，因 而需要知道元件的最大允许激励电流。改善霍尔元件 的散热条件，可以使激励电流增加。
+15V
Rf
R1
H
+
R2 －
R3 R4
-15V
1 VCC 稳压
霍耳元件
放大
H
+
－
集成线性传感器的电路结构框图
输出 3
地 2
四、霍尔元件的测量误差补偿方法 1、零位误差及补偿方法
零位误差：霍尔元件在加控制电流但不加外磁场 时出现的霍尔电势。主要为不等位电势。
A
I
C
D
B
分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥， 用分析电桥平衡来补偿不等位电势。
((bd)) (a )
N
2
1—输 入 轴
2—转 盘 ；
3—小 磁 铁
1—输
4入—轴霍1 ；尔 1
传
2—转 盘 ；
3—小 磁 铁 ；
4—霍 尔 传 感 器
1—输 入 轴 ；4
2—转 盘 ； 3—小 磁 铁 ；
4、 霍尔计数装置
钢球
绝缘 板
N
霍尔 开关 传感器
磁铁
S
(a )
SL 3051 ＋ 12 V
下，由负载上获得电
压。
实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出 可以正比于I或B, 或者正比于其乘积IB。
2、霍尔电势输出电路
（1） 开关应用
+15V
R1
H
+
R2
－
R3 R4
-15V
1 VCC 稳压
霍耳元件
放大
整形
输出 3
H
+
BT
－
地
2
霍尔开关集成传感器内部结构框图
（2）线性应用
P
N
I
H+
（3）当磁敏二极管受到外界磁场H-作用时 电子、空穴受到洛仑兹力作用而向I区偏移，由于电子、 空穴复合率明显变小，则电流变大。
P
N
I
H-
结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正 负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用 下，可获得较大输出电压。若r区和r区之外的复 合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就 越高。
设 KH=RH / d
UH＝ KH I B
讨论：为什么只能用半导体材料作霍尔元件。
N型材料电阻率 1 ne
P型材料电阻率
1
pe
UH
IB
d
霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率μ 的乘积。 若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数 RH，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁 移率。 一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很 小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低， 故只有半导体材料才适于制造霍尔片。
y
c
运输 基区
N+
N+ e
复合基区 r
P+ b
x
（2）当受到H＋磁场作用如图，由于洛仑兹力 作用，载流子向发射结一侧偏转，从而使集电 极电流明显下降。
y c
N+
P+
b
N+
r
x
e
Uo
IoR f
B o lWvR f R Rf
SU
Uo v
BolWRf RRf
相对误差为
dSI dBdldR
SI B l R
三、磁电感应式传感器的测量电路
磁电式 传感器
量程选择
微分电路 前置放大 积分电路
显示 主放大器 或
记录
SW
四、磁电感应式传感器的应用 动圈式振动速度传感器
8 76 5 4 3 3
常 用 国 产 霍 尔 元 件 的 技 术 参 数
三、霍尔元件测量电路和输出电路
1、基本测量电路
IH
I
B
RL
R E
图中控制电流I由电源E
供给,R为调节电阻,保
证器件内所需控制电
流I。霍尔输出端接负
载 UH或
RL,RL可是一般电阻 放大器的输入电阻、
或表头内阻等。磁场B
垂直通过霍尔器件,在
磁场与控制电流作用
磁电感应式传感器测量电路
第一节 磁电感应式传感器
一、 磁电感应式传感器工作原理
导体在稳恒均匀磁场中运动 e d BldxBlv
dt dt
式中: B——稳恒均匀磁场的磁感应强度； l—— v——导体相对磁场的运动速度。
N匝线圈处于变化的磁场中 e N d
dt
两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。
FL eB
FE
eEH
eUH b
eUH eB
b
UH bB
I dQbdne
dt
UH
IB ned
及灵敏度
N型霍尔系数
RH
1 ne
P型霍尔系数
RH
1 pe
UH
RH
IB d
霍尔系数由半导体材料性质决定，且决定霍尔电势的强弱。
霍尔元件灵敏度（KH）：单位磁感应强度和单位控制 电流作用时，所能输出的霍尔电势的大小。
r区
P
I
N
+
-
2、工作原理
（1）当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏 压，则有大量的空穴从P区通过I区进入N区，同时也有 大量的电子注入P区。形成电流。只有少量电子和空穴 在I区复合。
复合区
空穴
电子
P
N
→→→ I ←←←
H=0
（2）当磁敏二极管受到外界磁场H+作用时 电子、空穴受到洛仑兹力作用而向r区偏移，由于r区的 电子、空穴复合率比光滑面I区快，因此形成的电流因 复合速度而减小。
7、寄生直流电势 ：在外加磁场为零、霍尔元件用交 流激励时，霍尔电极输出除了交流不平衡电势外，还 有一直流电势，称为寄生直流电势。
其产生的原因有： ① 激励电极与霍尔电极接触不良， 形成非欧姆接 触， 造成整流效果； ② 两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热 容不同， 散热状态不同而形成极间温差电势。 寄生直流电势一般在1mV以下，它是影响霍尔片 温漂的原因之一。
B 01 0 .27 2 B 2 3
B0 0
0 0.273 2B2
Ｂ——为磁感应强度； ρB——材料在磁感应强度为Ｂ时的电阻率； ρ0 ——材料在磁感应强度为0时的电阻率； μ——载流子的迁移率。
二、磁敏二极管
1、结构
简写为SMD。磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料 制成，在P、N之间有一个较长的本征区I，本征区I的 一面磨成光滑的复合表面（为I区），另一面打毛，设 置成高复合区（为r区），其目的是因为电子-空穴对 易于在粗糙表面符合尔消失。当通以正向电流后就会 在P、I、N结之间形成电流。磁敏二极管是PIN型。
(a )
S
R4
Vcc
470 k
计
C1 22
R3 1k
A A 74 1
R5 470 k
数 器 V 2N5812
R1 10 k
R2
11 k
(b )
5、汽车霍尔点火器
第三节 磁敏传感器
一、磁敏电阻器
磁阻效应: 若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加
以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。
称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。
霍尔器件符号
C A
D
B
C
C
A
BA
B
H
D
D
二、霍尔元件的主要技术参数
1、额定功耗P0: 霍尔元件在环境温度T=250C时，允许 通过霍尔元件的电流和电压的乘积。 2、 输入电阻和输出电阻
Ri：激励电极间的电阻值。 Ro：霍尔元件电极间的电阻。 3、不等位电势U0：在额定控制电流I下，不加磁场时， 霍尔电极间的空载霍尔电势。
1、芯轴
2、外壳
2
3、弹簧片 4、铝支架
5、永久磁铁
6、线圈
7、阻尼环
1 8、引线
第二节 霍尔传感器
一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理
1、霍尔效应 在半导体薄片中通以电流I,在与薄片垂直方向加磁
场B，则在半导体薄片的另外两端，产生一个大小与控制 电流I和B乘积成正比的电动势，这种现象称为霍尔效应。
2、霍尔元件的工作原理
弹 簧弹 簧
(a )
恒定磁通动圈(a )式磁电传感器
(b )
恒定磁通动铁(b式) 磁电传感器
二、 磁电感应式传感器基本特性
Io 传
E
Io
E RRf
BolNv RRf
感 器R
Rf
式中： Rf——测量电路输入电阻； R——线圈等效电阻。
传感器的电流灵敏度为
SI
Io v
BolN RRf
而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为
NS
开磁路变磁通式：这种传感器结构简单，但输出信号 较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转 速的场合。
A A
闭磁路变磁通式：感应电势的频率与被测转速成正比。
弹簧
簧
v 极掌 线圈
v 极掌 线圈
磁轭 磁轭
补 偿 线 圈补 偿 线 圈
N
N
S
S
v
v
N
N
壳体
壳体
线 圈线 圈
永 久 永磁 久铁
S
S
（a）RH与温度的关系
（b）ρ与温度的关系
（1）、利用输出回路并联电阻进行补偿
（2）、利用输入回路串联电阻进行补偿
基本电路
等效电路
实际补偿电路
五、霍尔传感器应用 1、测量磁场的大小和方向
S
mA R
E
电位差计
N
霍耳磁敏传感器测磁原理示意图
2、 霍尔式微位移传感器
霍尔元件
SN
NS
x
－x
x
UH量值大小反映出(霍a尔)元件与磁铁之间相对位置的变 化量。这种结构的传感器， 其动态范围可达5 mm，分
辨率为。
霍尔霍元尔件元件
xN N
xx
SS
(b) (b)
霍尔元件
霍尔元件
SS
NN
N N
S Sx
－ －xx xx (c)(c)
43
(a )
3、 霍尔式转速传感(器b )
41 3 111
2
N S
SN
22 2
(b )
S N SN
SNSN S
2
3
N
N SN
S N SN S
SNSN S
1
4
3
4
43
3
4
(c) 3
r1 A
r3
C
r2
r4
D
B
RP
RP
RP
RP
R RP
(b)
(a) (d()c)
R (d
2、温度误差及补偿方法
RH/cm2/℃﹒A-1
ρ/7×10-3Ω·cm
6 250
200
LnAs
4
150
100
LnSb
2
50
0
0
40 80 120 160 200
T/℃
LnAs
LnSb
50
100 150 200 T/℃
① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； ② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀； ③ 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。
4、霍尔电势温度系数：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。
5、内阻温度系数：霍尔元件在无磁场及工作温度范围 内，温度每变化1℃时，输入电阻与输出电阻变化的百 分率。