第五章 磁电式传感器

1.采用恒流源供电和输入回路并联电阻 补偿思想
由U H K H IB T 0 K H ; T 0 Ri I i (并联电阻RP的分流作用） U H 不变。
温度 t 0 时，元件灵敏度系数为k H 0 ,输入电阻 为 Ri 0 ，温度为t时，它们分别为 k ， R it Ht
两电极点不在 同一等电位面上
等电位面歪斜
不等位电势补偿方法：可以采用分析电阻的方法来
找到不等位电势的补偿方法。
霍尔元件等效电路
等效为四臂电桥
几种不等位电动势的补偿电路(并电阻)
不对称补偿简单，对称补偿温度稳定性好
2.寄生直流电势
当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔 输出除了交流不等位电动势外，还有直流电动势分量， 称为寄生直流电动势
第五章 磁电式传感器
磁电感应式传感器又称磁电式传感器, 是利用
电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等） 转换成电信号的一种传感器。 它不需要辅助电源 就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信 号, 是有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定,
具有一定的工作带宽（10～1000 Hz）, 所以得到
磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动
势e的大小取决于穿过线圈的磁通 的变化率，
即
d e N dt
当线圈的导体与磁场之间做相对切割磁力线运动 时，在导体中产生感应电动势。由此可设计一类恒磁 通式磁电传感器。用于测量振动及线速度。
e BvlN0
N B工作气隙磁感应强度，V运动速度，L每砸线圈平均长度， 0 工作匝数
v N L
e
S
（一）恒定磁通式
动圈式
动铁式
恒磁通式磁电传感器由永久磁铁、线圈、弹簧、金属
骨架等组成。
磁路系统产生恒定的直流磁场, 磁路中的工作气隙固定不 变, 因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈 （动圈式）, 也可以是磁铁（动铁式）, 动圈式（（a））和动 铁式（ (b)）的工作原理是完全相同的。 当壳体随被测振动 体一起振动时, 由于弹簧较软, 运动部件质量相对较大。当振 动频率足够高（远大于传感器固有频率）时, 运动部件惯性很 大, 来不及随振动体一起振动, 近乎静止不动, 振动能量几乎全 被弹簧吸收, 永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动 体振动速度, 磁铁与线圈的相对运动切割磁力线, 从而产生感 应电势为
变磁通式传感器对环境条件要求不高，温度范围-150~+90， 可以在油、水雾、灰尘等条件下工作。 磁电感应式传感器只适用于动态测量。
闭磁路变磁通式, 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 期性变化的感生电动势。显然，感应电势的 频率与被测转速成正比。
正负电极之间形成电势为霍尔电势。
fl f E UH E b
E vB U H bvB
b-薄片的宽度，d-厚度
I I nevbd v n-单位体积中的电子数 bdne N电子浓度 IB RH UH IB K H IB ned d
RH 霍尔系数 kH
①霍尔元件处于中间 位置位移Δx=0时，由 于B=0，所以UH=0 ②霍尔元件左、右移, Δx ≠ 0，合成磁感应强 度B≠0， UH ≠ 0
U H kH IB kH IB( x) kH Ik0 x kx
(二)霍尔式压力传感器
温度为t时
I Ht
RP RP I I RP Rit RP Ri 0 [1 (t t0 )]
为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证
kH 0 I H 0 B kHt I Ht B
将有关式代入可得
RP Ri 0
通常霍尔元件的灵敏度温度系数远小于元件 的电阻温度系数，因此
普遍应用。
定义 利用电磁感应原理将被测量（如振动、 位移、转速等）转换成电信号的一种传感 器。 直接将机械能转换为电能，是有源传 感器。
第一节 磁电感应式传感器
一、类型及其工作原理
电磁感应定律
分类：恒定磁通式：动圈式、动铁式 变磁通式：开磁路、闭磁路
N

S
N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在
又称为变磁阻式或变气隙式，常用来测量旋转 物体的角速度。 开磁路变磁通式
磁路磁阻变化—磁通变化
1-被测旋转体，2-测量齿轮，3-线圈，4-软铁，5-永久磁铁
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, 随之一起转动。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 转速与测量齿轮齿数的乘积。
kHt kH 0[1 (t t0 )]
Rit Ri 0 [1 (t t0 )]
因为
霍尔元件灵敏度温度系 数， 元件电阻的温度系
数
I IP IH
I P RP I H Ri
因此
RP I IH RP Ri
温度
t0 时
IH 0 RP 0 I RP 0 Ri 0
RH 1
ne
由载流材料的物理性质决定
灵敏度系数，与载流材料的物理性质和几何尺寸有关
kH RH / d
RH
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RH值大, 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。故只有半导体材料适于制造霍尔片。
(二)霍尔元件
由霍尔片、四根引线和壳体组成
a, b两根引线，称为控制电流端引线 c, d两根引线，称为霍尔输出引线
霍尔元件符号
基本电路
RW调节控制 电流的大小。
RL为负载电 阻，可以为 放大器的内 阻或指示器 内阻。 霍尔效应建立的时间极短（10-12～10-14S），I、 即可以是直流，也可以是交流。
工作原理 传感器与被测物体刚性连接, 当物体振动时, 传感器外壳和永久磁铁随之振动, 而架空的芯轴、 线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。 因而, 磁路空 气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度 的感应电动势,线圈的输出通过引线输出到测量电 路。该传感器测量的是振动速度参数。
2.磁电式扭矩传感器
二、设计要点 1.工作气隙
d 1 ld 4
d工作气隙，l工作气隙宽度
2．永久磁铁 使永久磁铁尽可能工作在最大磁能积上。 3．线圈组件 在高精度传感器中，线圈磁场效应不能忽 略，采用补偿线圈与工作线圈相串联加以补偿。
三、 磁电感应式传感器的应用
1. 动圈式振动速度传感器
1、8-圆形弹簧片，2-圆环形阻尼器，3-永久磁铁，4-铝架，5-心轴，6-工作线圈，7-壳体，9-引线
灵敏度系数，表示单位磁感应强度和单位控制电流时霍尔电动势的大小
电子在磁场中受洛伦兹力作用（右手螺旋定则）
f l e(v B )
电子向极板一 方偏转，积累 电子。一边积 累负电子，另 一边积累正电 荷，形成电场。
其中e为电子电荷量 其中E为电场强度
电场力
当
f E eE
f E f l 时，电荷积累达到动态 平衡。
e BlN0v
式中: B——工作气隙磁感应强度;
l ——每匝线圈平均长度;
N 0 ——线圈在工作气隙磁场中的匝数;
v——相对运动速度。
特点：
1、磁路系统产生恒定的直流磁场。气隙不变，
磁通不变。
2、磁铁与线圈之间相对切割磁力线运动。
线圈产生的感应电势为
e BlN0v
ห้องสมุดไป่ตู้
（二）变磁通式
原因：
①由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而
形成整流效应;
②两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同 引起温差所产生的。 因此，元件在制作安装时，尽量使电极欧姆连 接，并做到散热均匀，有良好的散热条件。
（二） 霍尔元件温度误差及补偿
霍尔元件是采用半导体材料制成的, 因此它们 的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化 时, 霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍 尔系数都将发生变化,致使霍尔电动势变化，产生 温度误差。
调节电位器Rp可以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构 成，在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。当温度变化时，热敏电 阻将随温度变化而变化，使电桥的输出电压相应变化，仔细调节， 即可补偿霍尔电势的变化，使其输出电压与温度基本无关。
三、 霍尔式传感器的应用
（一） 霍尔式位移传感器
U H kx
K位移传感器灵敏度
f Z n / 60
当齿轮的齿数Z确定以后，若能测出f就可求出转 速n(n＝60f／z)。 这种传感器结构简单，但输出信号小，转速 高时信号失真也大，在振动强或转速高的场合， 往往采用闭磁路。
闭磁路变磁通式
f n / 30 f Z n / 60
1-被测旋转体，2-测量齿轮，3-线圈，4-软铁，5-永久磁铁
RP Ri 0
2．合理选取负载电阻 RL 的阻值
RLU H 0 [1 (t t0 )] UL RL Ro 0 [1 (t t0 )]
dU L 0 使 d (t t0 )
得
RL Ro 0 1
3．采用恒压源和输入回路串联电阻
扭矩的电测技术主要是通过传感器把扭矩这个机械量 转换成相位、然后用相位计来测量相位，从而达到测量 扭矩的目的。
系统为开磁路变磁通系统。要求齿形圆盘制作 完全一致。
（1）当扭距为0时，两个磁电传感器输出的感应
电压u1和u2完全一致，（同频、同相、同幅）相
位差为0。
（2）当有扭矩作用在扭转轴上时, 两个磁电传
二、霍尔元件的误差及其补偿 产生误差的原因：一是制作工艺、制作水平的 限制。二是外界温度的影响。 （1）不等位电势U0及其补偿
B=0，I≠0，UH=U0 ≠0。 U0 为不等位电势。 产生原因：
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．采用温度补偿元件(如热敏电阻、电阻丝等)
a)输入回路串接热敏电阻，b)输入回路并接电阻丝
热敏电阻具有负的温度系数 电阻丝具有正温度系数 Abc霍尔元件为锑化铟，霍尔输出具有负温度系数
c)输出回路串接热敏电阻，d)输入回路并接热敏电阻
d中霍尔输出具有正温度系数
5．霍尔元件不等位电势 U 0 的温度补偿
感器输出的感应电压u1和u2存在相位差。这个相
位差与扭转轴的扭转角成正比。 这样传感器就 可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。
第二节
霍尔式传感器
一、工作原理
1. 霍尔效应 将金属或半导体薄片置于磁场B中，当有电流通 过时，在垂直于电流与磁场的方向上产生霍尔电 势UH。此现象为霍尔效应。
U H KH IB