磁电式传感器第九章

Bb IB
nqd
RH
IB d
KH IB
霍尔电势与电 流和磁场强度 的乘积成正比
霍尔常数
RH
1 nq
与材料有关
霍尔灵敏度
KH
RH d
与薄片尺寸有关
式中：ρ—电阻率、n—电子浓度 μ—电子迁移率μ=υ/E
单位电场强度作用下载流磁电子式运传动感器速第度九章。
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磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势
t
4.5% 10C
这一数值是很可观的，所以需要进行温度补偿。补偿通常采用 热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材 料做成。 它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。 当温度升高时， 热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉的 磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低，从而保持空 气隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。
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7
9.1.2 磁电感应式传感器基本特性
当测量电路接入磁电传感器电路时，如图
所示，磁电传感器的输出电流Io为
Io
R
E Rf
BolWv R Rf
传感器的电流灵敏度为
SI
Io v
BolW R Rf
当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械
振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其
相对误差为
dSI dB dl dR （9-1）
SI
B l R R 磁电式传感器第九章
f
8
1. 非线性误差
磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是：由于传感器线 圈内有电流I流过时，将产生一定的交变磁通φI，此交变磁通叠 加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化, 如 图所示。当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时， 将产生较大的感应电势e和较大的电流I，由此而产生的附加磁场 方向与原工作磁场方向相反，减弱了工作磁场的作用， 从而使 得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。当线圈的运动速 度与图所示方向相反时，感应电势e、线圈感应电流反向，所产 生的附加磁场方向与工作磁场同向，从而增大了传感器的灵敏度。 其结果是线圈运动速度方向不同时，传感器的灵敏度具有不同的 数值，使传感器输出基波能量降低，谐波能量增加, 即这种非线 性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。 显然，传感器灵敏 度越高，线圈中电流越大，这种非线性越严重。
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➢ 磁电式振动传感器的特点： • 磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要静止的 基准参考，可直接装在被测体上。 • 传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接 将机械能转化为电能输出。 • 速度传感器的输出电压正比于速度信号，便于直接 放大。 • 输出阻抗低几十～几千欧，对后置电路要求低，干 扰小。 ❖航空，发动机等设备的振动实验； ❖兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次 发射； ❖民用，机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。
磁
电
学 量பைடு நூலகம்
磁敏传感器
信 号
磁电式传感器第九章
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9.2.1 霍尔效应
➢1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效 应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展， 人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积 小有利于集成化。霍尔传感器是基于霍尔效应。
➢把一个导体（半导体薄片）两端通以电流I，在垂直 方向施加磁感强度B的磁场，在薄片的另外两侧会产 生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动 势 。UH ➢ 或通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I与磁场 B方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这 种现象称霍尔效应。
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9
传感器电流的磁场效应
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2. 温度误差
当温度变化时，式（9-1）中右边三项都不为零，对铜线而 言每摄氏度变化量为dl/l≈0.167×10-4, dR/R≈0.43×10-2，dB/B每摄 氏度的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合 金，dB/B≈-0.02×10-2，这样由式（9-1）可得近似值如下：
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9.1.3 磁电感应式传感器的应用
➢磁电感应式传感 器通常用来做机 械振动测量。振 动传感器结构大 体分两种：
① 动钢型（线圈 与壳体固定）
② 动圈型（永久 磁铁与壳固定）
动圈型
动钢型
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信号输出测量电路 • 直接输出电动势测量速度； • 接入积分电路测量位移； • 接入微分电路测量加速度。
第九章 磁电式传感器
主要内容：
9.1 磁电感应式传感器 9.2 霍尔式传感器 9.3 磁敏传感器
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概述
➢导体和磁场发生相对运动时，在导体两端有感应 电动势输出；磁电式传感器就是利用电磁感应原 理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的 感应电动势输出。 ➢磁电感应式传感器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。是典型 的无源传感器。 ➢ 特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪 表，但频率响应低，通常在10—100HZ，适合作 机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。
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9.2.3 霍尔元件的主要技术参数
(1) 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。
6
图为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮和
外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。 当转
轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，
内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起
磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。
显然， 感应电势的频率与被测转速成正比。
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5
图为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 测量齿轮
安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿， 齿
的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次， 线圈中产
生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘
积。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磁速电式的传感场器合第九。章
•
➢ 实测中可把I*B作输入， 也可把I或B单独做输入； 通过霍尔电势输出测量结果。
➢输出Uo与I或B成正比关系，或与I*B成正 比关系。
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霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，为了获得较 大的霍尔电压，可将几个霍尔元件的输出串联起来，如 图所示，在这种连接方法中，激励电流极应该是并联的， 如果将其接成串联，霍尔元件将不能正常工作，虽然霍 尔元件的串联可以增加输出电压，但其输出电阻也将增 大。
霍尔电场
EH
UH b
➢当两作用力相等时电荷不再 向两边积累达到动态平衡：
FH FL
qEH q B
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霍尔电势： U H vBb
通过（半）导体薄片的电流I与下列因素有关： 载流子浓度n，电子运动速度v，导体薄片横截面积 b*d，
q 为电子电荷量。 I nq bd
代入后：
UH
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概述
➢ 霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基 于磁电转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量 转换成电信号。 ➢随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和 发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、 生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动 测量。 ➢ 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿 命长。
e N d dt
e BlN0
式中：B 磁感应强度，
N0线圈匝数， L 每匝线圈长度，
V 运动速度
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4
由
e N0Blv Sv
磁电式传感器灵敏度： S N0Bl
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。 ➢变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁 阻、磁通变化。
e sv
x vt
a dv dt
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❖ 磁电式扭距传感器：
当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应 电压u1、u2存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比， 传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。
齿型转盘
转轴
磁电传感器1
u1
u
磁电传感器2
u2
测量电路
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(2） 输入电阻和输出电阻
激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输 出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内 阻即为输出电阻。 以上电阻值是在磁感应强度为零， 且环境温度在20℃±5℃时所确定的。
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(3） 不等位电势和不等位电阻
当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁 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。 产 生这一现象的原因有：
机
电
械
磁电式传感器
能
量
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2
• 电感式传感器是把被 测量转换成电感量的 变化，磁电式传感器 通过检测磁场的变化 测量被测量。
磁电传感器
霍尔传感器测转速
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3
9.1 磁电感应式传感器
9.1.1 工作原理
❖ 根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线， 线圈内产生感应电动势e的大小与穿过线圈的磁通Φ变化率 有关。
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霍 尔 效 应 演 示
当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，发生偏移，在半 导体第二垂直方向端面之间建立起霍尔电势。
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➢在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。 每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：
FL q B
霍尔电场作用于电子的力 FH qEH
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UH KH IB
RH
1 nq
KH
RH d
讨论：
• 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ρ很大，电子迁移率μ很小，不适用；
• 金属材料电子浓度n很高，RH很小，UH很小; • 半导体材料电阻率ρ较大 RH大，非常适于做霍尔元件， 半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元 件多采用 N 型半导体（多电子）; • 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(d≈1μm) 。
磁电式传感器第九章
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9.2.2 霍尔元件的基本结构与基本测量电路
1. 霍尔元件基本结构
霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组 成的， 如图（a）所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四根引线： 1、 1′两根引线加激励电压或电流，称激励电 极（控制电极）； 2、 2′引线为霍尔输出引线， 称霍尔电极。 霍尔元件的壳体是用非导磁金属、 陶瓷或环氧树脂封装的。 在 电路中， 霍尔元件一般可用两种符号表示， 如图（b）所示。
若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法 线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效
磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分
量，即Bcos，这时的霍尔电势为 UH=KHIBcos
结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比， 且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如
果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的 交变电势。
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国产霍尔元件别号的命名方法如下：
常见的国产霍尔元件型号有HZ—1、HZ—2、 HZ—3、HT—1、HT—2、HS—1等。
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2. 霍尔传感器基本电路
➢ 霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线， • 两端加激励，两端为输出，RL为负载电阻 ； • 电源E通过R控制激励电流I； • B 磁场与元件面垂直（向里）
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9.2 霍尔式传感器
➢ 实际应用中 磁敏元件主要 用于检测磁场， 而与人们相关 的磁场范围很 宽，一般的磁 敏传感器检测 的最低磁场只 能到 高1斯0。6
磁场强度与磁场源的分布
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➢测磁的方法：
①利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如： 磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动 变压器； ②利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件测量 磁场； ③利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器； ④利用超导效应传感器； ⑤利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。 ➢随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄 膜化，微型化和集成化方向发展。