第七章 磁电式传感器PPT课件
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第7章 磁电式传感器
三、 磁电感应式传感器的应用
1．转速测量 2．振动测量
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
工作频率 固有频率 灵敏度
10～ 500 Hz 12 Hz
604 mV·s·c m-1
最大可测加速度 可测振幅范围 工作线圈内阻
所产生
的电动势称为霍尔电动势，这种薄片（一般为半导体）称为霍
尔片或霍尔元件。
霍尔效应原理图
113
第7章 磁电式传感器
霍尔效应演示
B
C D
A
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A、B方向的端面之间建立起霍尔电势。
114
第7章 磁电式传感器
霍尔效应产生机理：
在磁场B中运动的电子将受到洛伦兹力fL：fL=evB
5g
m
0.1～1000 k
1.9
精度
≤10％
外形尺寸 质量
45mm×160 mm
0.7 kg
18
第7章 磁电式传感器
3．扭矩测量
当转轴不受扭矩时，两线圈输出
信号相同，相位差为零。当被测轴
感受扭矩时，轴的两端产生扭转角，
因此两个传感器输出的两个感应电
动势将因扭矩而有附加相位差 0 。
扭转角 与感应电动势相位差的关
材料(单晶)
N型锗(Ge) N型硅(Si) 锑化铟(InSb) 砷化铟(InAs) 磷砷铟(InAsP) 砷化镓(GaAs)
禁带宽度 电阻率
Eg/(eV) /(Ω·cm)
0.66
1.0
1.107
1.5
0.17
0.005
0.36
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
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第7章 磁电式传感器
二、 恒磁通式
结构：磁路系统 、线圈。
图7-1 恒磁通磁电式传感器结构原理图 （a）动圈式;（b）动铁式
原理：线圈与磁场相对运动（动圈式/动铁式）v 感应
电动势e
eNB0l0v
可测速度，如果接一个积分或微分电路也可用来测量位移和加速度
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
Magneto electric sensors 主要内容： 掌握磁电感应式传感器的工作原理、分类和基本结构，了 解其应用； 掌握霍尔效应、霍尔传感器的结构、特性参数和基本电路； 能分析霍尔传感器误差来源和补偿方法，了解其实际应用。
11wenku.baidu.com
第7章 磁电式传感器
磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换成电 信号的传感器。 磁电式传感器有 磁电感应式传感器
2. 因为kH = RH /d ，霍尔元件越薄（即d越小）， kH就越大， 所以霍尔元件都比较薄，薄膜霍尔元件厚度只有μm左右。
因此、霍尔元件多用N型半导体薄片
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第7章 磁电式传感器
霍尔元件的材料：
锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)和砷化镓 (GaAs)是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。下表所列 为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。
霍尔式传感器
12
第7章 磁电式传感器
7.1 磁电感应式传感器
磁电感应式传感器工作原理是发电机原理。利用导体和磁场 发生相对运动产生感应电势。
被测量 感应电动势e
由法拉第电磁感应定律可知： e W d dt
磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之 间作相对运动；磁路中磁阻的变化等。 一般可将磁电感应式传感器分为变磁通式和恒磁通式两类。
系为：
0 z
式中：z为传感器定子、转子的齿数。
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第7章 磁电式传感器
7.2 霍尔式传感器
工作原理：是基于霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的 一种传感器。霍尔器件是一种磁传感器。
磁场 电压UH
特点：霍尔传感器具有体积小、无触点、可靠性高、使用寿 命长、频率相应宽、易于集成化和微型化。
应用：霍尔传感器是全球排名第三的传感器产品，它被广泛 应用到工业、汽车业、电脑、手机、电机以及新兴消费电子领 域。
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第7章 磁电式传感器
一、 变磁通式
开磁路变磁通式转速传感器
原理：磁阻变化 线圈产生感应电动势 输出周期感应脉冲信号：
f=Zn/60
图7-2 变磁通磁电式传感器 1-被测旋转体；2-测量齿轮； 3-线圈；4-软铁；5-永久磁铁
式中，Z—齿轮的齿数；n—转速(r/min)； f—感应脉冲信号频率
14
正在运行的程序；
高电平，手机解锁，接通正
在打入的电话。
111
第7章 磁电式传感器
112
第7章 磁电式传感器
7.2.1 霍尔效应及霍尔元件
1.霍尔效应 把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，
沿着垂直于磁场的方向通以电流I，就会在薄片的另一对侧面间
产生电动势UH，这种现象称为霍尔效应。
115
第7章 磁电式传感器
霍尔电势UH与输入电流I、磁感应强度B成正比； 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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第7章 磁电式传感器 结构与选材：
UHnI eBdRHIdB KHI B
1.对于金属而言，n很大，所以RH很小，而半导体尤其是N型半导 体RH则较大；所以霍尔元件多用N型半导体。
110
第7章 磁电式传感器 翻盖或滑盖手机中的应用
用来检测手机盖翻开或是滑动的器件就是霍尔传感器 在滑盖手机中，在上盖对应的位置有 一个磁铁，霍尔传感器就在磁铁对应 的主板正面或反面，用磁铁来控制霍 尔传感器信号的输出。
当合上滑盖时，传感器输出低电平作
为中断信号到CPU，强制手机退出 当打开滑盖时，传感器输出
建立的电场EH对随后的运动电子施加一电场力fE： fE=eEH=eUH /b
平衡时，fL=fE，即：
evB= eUH /b
由于电流密度J=-nev，则电流强度为I=-nevbd
所以得到： UHnI eBdRHIdBKHI B
(7-1)
d—霍尔片厚度； n—电子浓度； RH=1/ne—霍尔系数； KH=RH/d=1/ned—霍尔灵敏度。
第7章 磁电式传感器
特点：结构简单、但输出信号小，高速轴上加装齿轮较危险， 当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。 在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器。
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第7章 磁电式传感器 闭磁路变磁通式转速传感器 结构：由转子、定子、环形永久磁铁、线圈等元件组成。
原理：磁阻变化 线圈产生感应电动势 输出周期感应脉冲信号
第7章 磁电式传感器
三、 磁电感应式传感器的应用
1．转速测量 2．振动测量
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
工作频率 固有频率 灵敏度
10～ 500 Hz 12 Hz
604 mV·s·c m-1
最大可测加速度 可测振幅范围 工作线圈内阻
所产生
的电动势称为霍尔电动势，这种薄片（一般为半导体）称为霍
尔片或霍尔元件。
霍尔效应原理图
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第7章 磁电式传感器
霍尔效应演示
B
C D
A
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A、B方向的端面之间建立起霍尔电势。
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第7章 磁电式传感器
霍尔效应产生机理：
在磁场B中运动的电子将受到洛伦兹力fL：fL=evB
5g
m
0.1～1000 k
1.9
精度
≤10％
外形尺寸 质量
45mm×160 mm
0.7 kg
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第7章 磁电式传感器
3．扭矩测量
当转轴不受扭矩时，两线圈输出
信号相同，相位差为零。当被测轴
感受扭矩时，轴的两端产生扭转角，
因此两个传感器输出的两个感应电
动势将因扭矩而有附加相位差 0 。
扭转角 与感应电动势相位差的关
材料(单晶)
N型锗(Ge) N型硅(Si) 锑化铟(InSb) 砷化铟(InAs) 磷砷铟(InAsP) 砷化镓(GaAs)
禁带宽度 电阻率
Eg/(eV) /(Ω·cm)
0.66
1.0
1.107
1.5
0.17
0.005
0.36
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
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第7章 磁电式传感器
二、 恒磁通式
结构：磁路系统 、线圈。
图7-1 恒磁通磁电式传感器结构原理图 （a）动圈式;（b）动铁式
原理：线圈与磁场相对运动（动圈式/动铁式）v 感应
电动势e
eNB0l0v
可测速度，如果接一个积分或微分电路也可用来测量位移和加速度
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
Magneto electric sensors 主要内容： 掌握磁电感应式传感器的工作原理、分类和基本结构，了 解其应用； 掌握霍尔效应、霍尔传感器的结构、特性参数和基本电路； 能分析霍尔传感器误差来源和补偿方法，了解其实际应用。
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第7章 磁电式传感器
磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换成电 信号的传感器。 磁电式传感器有 磁电感应式传感器
2. 因为kH = RH /d ，霍尔元件越薄（即d越小）， kH就越大， 所以霍尔元件都比较薄，薄膜霍尔元件厚度只有μm左右。
因此、霍尔元件多用N型半导体薄片
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第7章 磁电式传感器
霍尔元件的材料：
锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)和砷化镓 (GaAs)是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。下表所列 为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。
霍尔式传感器
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第7章 磁电式传感器
7.1 磁电感应式传感器
磁电感应式传感器工作原理是发电机原理。利用导体和磁场 发生相对运动产生感应电势。
被测量 感应电动势e
由法拉第电磁感应定律可知： e W d dt
磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之 间作相对运动；磁路中磁阻的变化等。 一般可将磁电感应式传感器分为变磁通式和恒磁通式两类。
系为：
0 z
式中：z为传感器定子、转子的齿数。
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第7章 磁电式传感器
7.2 霍尔式传感器
工作原理：是基于霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的 一种传感器。霍尔器件是一种磁传感器。
磁场 电压UH
特点：霍尔传感器具有体积小、无触点、可靠性高、使用寿 命长、频率相应宽、易于集成化和微型化。
应用：霍尔传感器是全球排名第三的传感器产品，它被广泛 应用到工业、汽车业、电脑、手机、电机以及新兴消费电子领 域。
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第7章 磁电式传感器
一、 变磁通式
开磁路变磁通式转速传感器
原理：磁阻变化 线圈产生感应电动势 输出周期感应脉冲信号：
f=Zn/60
图7-2 变磁通磁电式传感器 1-被测旋转体；2-测量齿轮； 3-线圈；4-软铁；5-永久磁铁
式中，Z—齿轮的齿数；n—转速(r/min)； f—感应脉冲信号频率
14
正在运行的程序；
高电平，手机解锁，接通正
在打入的电话。
111
第7章 磁电式传感器
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第7章 磁电式传感器
7.2.1 霍尔效应及霍尔元件
1.霍尔效应 把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，
沿着垂直于磁场的方向通以电流I，就会在薄片的另一对侧面间
产生电动势UH，这种现象称为霍尔效应。
115
第7章 磁电式传感器
霍尔电势UH与输入电流I、磁感应强度B成正比； 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。
116
第7章 磁电式传感器 结构与选材：
UHnI eBdRHIdB KHI B
1.对于金属而言，n很大，所以RH很小，而半导体尤其是N型半导 体RH则较大；所以霍尔元件多用N型半导体。
110
第7章 磁电式传感器 翻盖或滑盖手机中的应用
用来检测手机盖翻开或是滑动的器件就是霍尔传感器 在滑盖手机中，在上盖对应的位置有 一个磁铁，霍尔传感器就在磁铁对应 的主板正面或反面，用磁铁来控制霍 尔传感器信号的输出。
当合上滑盖时，传感器输出低电平作
为中断信号到CPU，强制手机退出 当打开滑盖时，传感器输出
建立的电场EH对随后的运动电子施加一电场力fE： fE=eEH=eUH /b
平衡时，fL=fE，即：
evB= eUH /b
由于电流密度J=-nev，则电流强度为I=-nevbd
所以得到： UHnI eBdRHIdBKHI B
(7-1)
d—霍尔片厚度； n—电子浓度； RH=1/ne—霍尔系数； KH=RH/d=1/ned—霍尔灵敏度。
第7章 磁电式传感器
特点：结构简单、但输出信号小，高速轴上加装齿轮较危险， 当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。 在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器。
15
第7章 磁电式传感器 闭磁路变磁通式转速传感器 结构：由转子、定子、环形永久磁铁、线圈等元件组成。
原理：磁阻变化 线圈产生感应电动势 输出周期感应脉冲信号