磁电式传感器

第6章 磁电式传感器 在上述的4种零位误差中，寄生直流电动势、感应零电动势以及 自激场零电动势，是由于制作工艺上的原因而造成的误差，可以 通过工艺水平的提高加以解决。而不等位电动势所造成的零位误 差，则必须通过补偿电路给予克服。 霍尔元件结构及等效电路如图
在理想情况下R1=R2=R3=R4，即可取得零位电动势为零(或零位电阻 为零)，从而消除不等位电动势。实际上，若存在零位电动势，则 说明此4个电阻不完全相等，即电桥不平衡。为使其达到平衡，可 在阻值较大的桥臂上并联可调电阻 R P 或在两个臂上同时并联电阻 RP 和R。
6.2.1 霍尔传感器的工作原理 1．霍尔效应 半导体薄片臵于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直 于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向 上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。
B C A 磁感应强度B为零时的情况 D
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当有图示方向磁场B作用时
作用在半导体薄片上的磁场强度 B越强，霍尔电势也就越高。 霍尔电势EH可用下式表示： EH=KH IB
f Zn /60
式中：Z为齿轮齿数；n为被测轴转速(v/min)；f为感应 电动势频率(Hz)。这样当已知Z，测得f就知道n了。
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开磁路式转速传感器结构比较简单，但输出信号小，另外当被 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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不等位电动势是零位误差中最主要的一种， 它是当霍尔元件在额定控制电流(元件在空气 中温升10℃所对应的电流)作用下，不加外磁 场时，霍尔输出端之间的空载电动势。
不等位电动势产生的原因是由于制造工艺 不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍 尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于 同一等位面上。
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金属材料中的自由电子浓度n很高，因此RH很小，不宜作霍尔 元件。霍尔元件多用载流子迁移率大的N型半导体材料制作。 另外，霍尔元件越薄(d越小)，kH 就越大，所以通常霍尔元件 都较薄。薄膜霍尔元件的厚度只有1 m左右。
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2．霍尔元件 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片(一般为4 mm×2 mm×0.1 mm)， 经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极， 最后焊上引线并封装。而薄膜霍尔元件则是在一片极薄的基片上 用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然后再制作欧姆接触电极，焊 上引线最后封装。一般控制端引线采用红色引线，而霍尔输出端 引线则采用绿色引线。霍尔元件的壳体用非导磁金属、陶瓷或环 氧树脂封装。
材料(单晶)
N型锗(Ge) N型硅(Si) 锑化铟(InSb) 砷化铟(InAs)
/(cm² s) /V·
3500 1500 60000 25000
电子迁移率
霍尔系数 RH/(cm³ -1) · C
4250 2250 350 100
1/2
4000 1840 4200 1530
磷砷铟(InAsP)
第6章 磁电式传感器 磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度dx/dt 成正比的感应电动势E，其大小为
dx E NBl dt
式中：N为线圈在工作气隙磁场中的匝数；B为工作气隙磁感应 强度；l为每匝线圈平均长度。 当传感器结构参数确定后，N、B和l均为恒定值，E与dx/dt成正 比，根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。 由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传 感器的灵敏度( E / v )是随振动频率而变化的；当振动频率远大于 固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近 似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随 振动频率增加而下降。 不同结构的恒磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的， 但一般频响范围为几十赫至几百赫。低的可到10 Hz左右，高的可 达2 kHz左右。
第6章 磁电式传感器 3) 感应零电动势 感应零电动势是在未通电流的情况下，由于 脉动或交变磁场的作用，在输出端产生的电 动势。根据电磁感应定律，感应电动势的大 小与霍尔元件输出电极引线构成的感应面积 成正比，如图所示。 4) 自激场零电动势
霍尔元件控制电流产生自激场，如图所示。 由于元件的左右两半场相等，故产生的电动 势方向相反而抵消。实际应用时由于控制电 流引线也产生磁场，使元件左右两半场强不 等，因而有霍尔电动势输出，这一输出电动 势即是自激场零电动势。
变磁通式传感器对环境条 件要求不高，能在-150～ +90℃的温度下工作，不影 响测量精度，也能在油、 水雾、灰尘等条件下工作。 但它的工作频率下限较高， 约为 50 Hz，上限可达 100 kHz。
第6章 磁电式传感器 6.1.3 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 最大可测加速度 5g 可测振幅范围 精度 ≤10％ 45mm×160 mm 0.7 kg
砷化镓(GaAs)
0.63
1.47
0.08
0.2
10500
8500
850
1700
3000
3800
哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高
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6.2.2 霍尔元件的误差及补偿 1．霍尔元件的零位误差与补偿
霍尔元件的零位误差是指在无外加磁场或无控制电流的情况下， 霍尔元件产生输出电压并由此而产生的误差。它主要表现为以 下几种具体形式。 1) 不等位电动势
按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线性器件和霍尔开关 器件，前者输出模拟量，后者输出数字量。 霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无 磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位臵重复精度高(可达
m 级)。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围
宽，可达-55～+150℃。
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6.1.2 变磁通式磁电感应传感器结构与工作原理 变磁通式磁电感应传感器一般做成转速传感器，产生感应电动 势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化的频率。 变磁通式转速传感器的结构有开磁路和闭磁路两种。
如图所示开磁路变磁通式转速传感器。 测量齿轮4安装在被测转轴上与其一起 旋转。当齿轮旋转时，齿的凹凸引起 磁阻的变化，从而使磁通发生变化， 因而在线圈3中感应出交变的电势，其 频率等于齿轮的齿数Z和转速n的乘积， 即
0.1～1000 m 外形尺寸 1.9 k 质量
604 mV· cm-1 工作线圈内阻 s·
第6章 磁电式传感器 3．扭矩测量
当转轴不受扭矩时，两Hale Waihona Puke Baidu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 系为
d E N dt
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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；恒定磁场中线圈面积的变化等， 一般可将磁电感应式传感器分为恒磁通式和变磁通式两类。 6.1.1 恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理 恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感 应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动——线圈切割 磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。
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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。
第6章 磁电式传感器 可以推出，霍尔电动势UH的大小为：
U H kH IB cos
式中：kH为灵敏度系数，kH= RH/d，表示在单位磁感应强度和单 位控制电流时的霍尔电动势的大小,与材料的物理特性（霍尔系 数）和几何尺寸d有关； 霍尔系数RH＝1/(nq)，由材料物理性质 所决定，q为电子电荷量 ；n为材料中的电子浓度。 为磁场 和薄片法线夹角。 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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霍尔元件零位误差补偿电路
2．霍尔元件的温度误差及补偿 与一般半导体一样，由于电阻率、迁移率以及载流子浓度随温 度变化，所以霍尔元件的性能参数如输入、输出、电阻、霍尔 常数等也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。
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2) 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。表6-2所列 为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。
禁带宽度 Eg/(eV) 0.66 1.107 0.17 0.36 电阻率 /(Ω · cm) 1.0 1.5 0.005 0.0035
0 z
式中： z 为传感器定子、转子的齿 数。
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6.2
霍尔式传感器
霍尔式传感器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，用它们可以检测磁场及 其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。
霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻， 寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1 MHz)，耐振动，不怕 灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
(a) 霍尔元件外形
(b)电路符号
(c) 基本应用电路
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3．霍尔元件的主要特性及材料
1) 霍尔元件的主要特性参数
(1) 灵敏度kH：表示元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所 得到的开路霍尔电动势，单位为V/(A·T)。 (2) 霍尔输入电阻Rin：霍尔控制电极间的电阻值。
(3) 霍尔输出电阻Rout：霍尔输出电极间的电阻值。
此外,霍尔片电阻率不均匀，或片厚薄不 均匀，或控制电流极接触不良都将使等位 面歪斜，如图所示，致使两霍尔电极不在 同一等位面上而产生不等位电动势。
2) 寄生直流电势
在无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不等位电 压以外的直流分量称为寄生直流电势。产生寄生直流电势的原因 有两个方面：(1)由于控制电极焊接处接触不良而造成一种整流 效应，使控制电流因正、反向电流大小不等而具有一定的直流分 量。(2)输出电极焊点热容量不相等产生温差电动势。对于锗霍 尔元件，当交流控制电流为20 mA时，输出电极的寄生直流电压小 V 。 于100
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第6章 磁电式传感器
Magneto electric sensors
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6.1 磁电感应式传感器
磁电感应式传感器又称电动势式传感器，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 的。它是一种机-电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简 单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为 10～1000 Hz)，所以得到普遍应用。 磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。由法拉第电磁 感应定律可知，N 匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场 的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势E(V)的大小取决于穿过 线圈的磁通 Wb 的变化率，即
被测转轴带动椭圆形测量轮5在磁场气隙中等速转动，使气隙 平均长度周期性地变化，因而磁路磁阻和磁通也同样周期性地 变化，则在线圈3中产生感应电动势，其频率f与测量轮5的转 速n(r/min)成正比，即f = n/30。在这种结构中，也可以用齿轮 代替椭圆形测量轮5，软铁(极掌)制成内齿轮形式，这时输出 信号频率f 同前式。
(4) 霍尔元件的电阻温度系数α：表示在不施加磁场的条件下， 环境温度每变化1℃时电阻的相对变化率，单位为%/℃。 (5) 霍尔寄生直流电势U0：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等位电动势外，还有一直流电势， 称为寄生直流电势。 (6) 霍尔最大允许激励电流 I max ：以霍尔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。