ch7成都信息工程学院 传感器技术

EH vB
eEH evB
霍尔电势：
U H bvB
通过半导体薄片的电流I与载流子浓度n， 电子运动速度v，薄片横截面积 b*d 有关 ；
I nbdve
I v nbde
1 IB UH ne d
U H bvB
则，霍尔电势
1 RH 霍尔常数 ne 霍尔灵敏度 K RH 1 H d ned
优点:
不需要供电电源，电路简单， 性能稳定，输出阻抗小
7.1.1 磁电式传感器的工作原理
法拉第电磁感应定律：
线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势E。
d E k dt
k为比例系数，E为感应电势，φ为磁通。当E的单 位为伏特（V），φ的单位为韦伯（Wb），t的单 位为秒（s）时，k＝1，这时感应电势为：
UH很小。
半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以
由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度 KH 越大，
所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米。
5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路
图（a）其中1-1电极用于加控制电流，称控制电极。另一对2-2电极用于引出霍尔电势， 称霍尔电势输出极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。 图（b）是霍尔元件通用的图形符号。 图（c）所示，霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍 尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。 图（d）是基本测量电路 。
f Zn / 60
1－永久磁铁 3－感应线圈 2－软铁 4－齿轮
结构比较简单，但输出信号较小， 当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。
闭磁路磁阻式转速传感器
闭 磁 路 磁 组 式 转 速 传 感 器
5－永久磁铁 4－感应线圈 2－内齿轮 3－外齿轮 1-转轴
特点：
传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化 速度，因而它是与被测速度成一定比例关 系的。当转速太低时，输出电势很小，以 致无法测量。所以这种传感器有一个下限 工作频率，一般为50Hz左右，闭磁路转速 传感器的下限频率可降低到30Hz左右。其 上限工作频率可达100Hz。
• 测量原理： 霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应 强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就 可以用来反映霍尔元件的位置。 • 应用： 位移测量、力、压力、应变、机械振动、 加速度
产生梯度磁场的示意图
位移量较小，适于测量微位移和机械振动
2. 磁场的测量
在控制电流恒定条件下，霍尔电势大小与磁感 应强度成正比，由于霍尔元件的结构特点，它 特别适用于微小气隙中的磁感应强度、高梯度 磁场参数的测量。
第七章 电动势传感器
被测量 感应电动势E 主要内容： 一、磁电式传感器 二、霍尔传感器
霍尔传感器
• 霍尔传感器工作原理 • 霍尔元件的结构和基本电路 • 霍尔元件的主要特性参数 • 霍尔元件误差及补偿 • 霍尔式传感器的应用
7.2.1 霍尔传感器工作原理
半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向 不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两 个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。 产生的电动势称霍尔电势UH 半导体薄片称霍尔元件
霍尔元件灵敏度（灵敏系数）
半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高， 因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，
综上：
任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不 是都可以制造霍尔元件； 绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用；
金属材料电子浓度很高，RH很小，
霍尔元件多采用N型半导体（多电子）。
磁电式振动传感器的结构原理
图5.1.2 磁电式振动传感器的结构原理图 1-弹簧片 2-永久磁铁 3-阻尼器 4-引线 5-芯杆 6-外壳 7-线圈 8-弹簧片
基本工作原理：
• 该传感器在使用时，把它与被测物体紧固在一起， 当物体振动时，传感器外壳随之振动，此时线圈、 阻尼环和芯杆的整体由于惯性而不随之振动，因 此它们与壳体产生相对运动，位于磁路气隙间的 线圈就切割磁力线，于是线圈就产生正比于振动 速度的感应电动势。该电动势与速度成一一对应 关系，可直接测量速度，经过积分或微分电路便 可测量位移或加速度。
U H K H IB
霍尔常数
1 RH ne
霍尔常数大小取决于导体的载流子密度： 金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小， 所以金属材料不宜制作霍尔元件。 霍尔电势与导体厚度d成反比： 为了提高霍尔电势值， 霍尔元件制成薄片形状。
U H K Biblioteka BIKH RH 1 d ned
开关型霍尔IC
霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS） 中的应用 带有微 型磁铁 的霍尔 传感器
钢质
霍尔
若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生 危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转 动状态有助于控制刹车力的大小。
7.1 磁电式传感器
通过磁电作用将被测量（如振动、转速、扭矩） 转换电势信号的传感器。它是利用导体和磁场发 生相对运动而在导体两端输出感应电动势；属于 机-电能量变换型传感器
两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同 产生温差电势。
(5) 霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化 1 度 时，霍尔电势变化的百分率。
•霍尔元件误差及补偿
1. 不等位电势误差的补偿
2. 温度误差及其补偿
不等位电势 当霍尔元件通以电流I时，若磁场B＝0，理论 上 UH ＝0。这是测得的电势称为U0。产生原因：
霍尔效应演示
d
a b c
当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用， 向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间 建立起霍尔电势。
霍尔效应原理
U H RH
IB d
每个电子受到的洛仑兹力为：
FL evB
UH 所形成的霍尔电场的场强为： E H b
霍尔电场作用于电子的力：
平衡时：
FH eEH
直接应用：测定速度 在信号调节电路中接积分电路，或微分电路，磁 电式传感器就可以用来测量位移或加速度。
结构
根据以上原理有两种磁电感应式传感器： 恒磁通式：磁路系统恒定，磁场运动部件 可以是线圈也可以是磁铁。 动圈式 变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物 体引起磁阻、磁通变化。 磁阻式
•动圈式磁电传感器
霍尔引出电极安装不对称
半导体材料不均匀
1. 不等位电势误差的补偿
• 可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位 电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。
电势的补偿电路 对称电路
当温度变化时，补偿的稳定性要好些
2. 温度误差及其补偿
温度误差产生原因：
霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变 化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻 率和霍尔系数都是温度的函数。 当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍 尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化， 从而使霍尔式传感器产生温度误差。
开磁通
原理： 磁阻变化→线圈产生感 应电动势→周期感应脉 冲信号。 f=Zn/60 式中，Z—齿轮的齿数； n—转速(r/min)；f—感 应脉冲信号频率。
减小霍尔元件的温度误差
• 选用温度系数小的元件 • 采用恒温措施 • 采用恒流源供电
恒流源温度补偿
霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的 变化引起霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与 温度的关系
K H K HO (1 T )
KH0 为温度T0时的KH值； T 温度变化量； 霍尔电势的温度系数。
E d dt
如果线圈是N匝，磁感应强度是B，每匝线圈的 平均长度la（磁场中的有效长度）， 线圈相对磁场运动的速度为υ=dx/dt， 则整个线圈中所产生的电动势为：（υ垂直B， 又垂直la)
d dx E N NBl a NBl a dt dt
不同类型的磁电式传感器
磁通量Ф的变化实现办法: 磁铁与线圈之间做相对运动； 磁路中磁阻的变化； 恒定磁场中线圈面积的变化.
U H K H BI cos
霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线方向之间夹角的函数。 应用：霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器
霍尔转速表原理
当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿 过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势， 放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮 的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。
霍尔高斯计（特斯拉计）的使用
霍尔元 件
磁铁
将霍尔元件垂直置于磁场B中，输入恒定的控制电流I，则 霍尔输出电压UH正比于磁感应强度B，此方法可以测量恒 定或交变磁场的高斯数。
霍尔传感器用于测量磁场强度
测量铁心 气隙的B值
霍尔元件
霍尔式接近开关用于转 f 速测量演示 n= 60 4
(r/min)
软铁分流翼片
Rp 自动加强分流，使Ip 增大—IH 下降—UH下降, 补偿电阻 Rp可选择负温度系数。
•霍尔式传感器的应用
优点:
结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长
应用：
电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功 功率、无功功率、相位、电能等参数； 自动检测系统：多用于位移、压力的测量。
1. 微位移和压力的测量
霍尔元件的结构和基本电路 有四根引线，
两端加激励，两端为输出；
电源为E，控制电流I；
负载RL；
B磁场与元件垂直向里。 实测中，可把I和B作为输入，也可 单独输入，通过霍尔电势输出测量结 果。得到U0与I或B成正比关系。
输出Uo与I或B成正比关
•霍尔元件的主要特性参数
当磁场和环境温度一定时: 霍尔电势与控制电流I成正比 当控制电流和环境温度一定时: 霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比 当环境温度一定时: 输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比 测量以上电阻时，应在没有外磁场和室温变化的 条件下进行。