7 磁电式传感器 学生

激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极 输出电势对外电路来说相当于一个电压源, 其电源 内阻即为输出电阻。 3) 不等位电势和不等位电阻 当励磁电流为I,元件处于磁感应强度B=0,UH≠0 霍尔电极不对称或不能保证焊接在同一位面上，它 将形成零位差，它可以用不等位电阻表示。
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三、磁电感应式传感器基本特性
当测量电路接入磁电传感器，磁电传感器的输 出电流Io为 运动速度 e BLWv I0 R Rf R Rf I0 式中: Rf —— 测量电路输入电阻 L —— 每匝线圈平均长度 R —— 线圈等效电阻 W —— 线圈匝数
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五、磁电式传感器—应用
1. 磁电式相对速度计
application
1--- 顶杆 2,5- 弹簧片 3--- 磁铁 4--- 线圈 6--- 引出线 7--- 外壳
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测量时，壳体固定在一个试件上，顶杆顶住 另一试件，则线圈在磁场中运动速度就是两试件 的相对速度。速度计的输出电压与两试件的相对 速度成正比。相对式速度计可测量的最低频率接 近于零。
测量交、直流磁感应强度 可测量微位移，以及压力、加速度、振动等
（3）当I恒定，元件在均匀梯度磁场中运动时 （4）当B→励磁电流I2时，UH＝KI1I2
可做成乘法器、乘方器、开方器、除法器
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I1
+ + B
+ 运放 Ui UH I0 B + UH
×-
-
-
×
-
霍尔元件 平方器
Ｅ
R P1
－ － － － － －
+ + + + + +
R P2
－ － － － － －
+ + + + + +
控制电流端并联
霍尔元件串联
A UH B
T
I
~
UH
（b）交流供电时 输出通过变压器耦合
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2、磁路部分：
待测
力、压力 速度、加速度
U H K H IB
位移 x
C
B X
在磁场 中运动

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补偿线圈
为补偿上述附加磁场 干扰, 可在传感器中加入 补偿线圈(如图)。补偿线 圈通以经放大K倍的电流, 适当选择补偿线圈参数, 可使其产生的交变磁通与 传感线圈本身所产生的交 变磁通互相抵消, 从而达 到补偿的目的。
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compensating coil
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当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 生电势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。 其结果是线圈运动方向不同时 传感器的灵敏度具有不同的数值
温度误差

-4 dsI0.167 dB dL dR dL/L≈ × 10 -2 dR/R≈ ×10 L R sI 0.43B
热磁分流器
当温度变化时对铜线，每摄氏度变化量为

温度变化时对铝镍钴永久磁合金 dB/B≈-0.02×10-2 这样可得近似值：rt≈(-4.5%)/10 ℃
electromagnetic induction law
d d e W WBlv Φ为磁通量 e W dt dt
d dt
Φ磁通量 变化关键
磁铁与线圈之间作相对运动 恒定磁场中的线圈面积变化 磁路中的磁阻变化
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注意与电感式传感器区别
磁电式传感器：利用 d dt ， 测量量变化→感应电压e 电磁式传感器：利用衔铁运动， Rm变化→L 变化→U 变化
B=CX
K HI
UH
UH的大小与位移x成正比例 UH的极性反映位移的方向 3、霍尔元件基本特性
激磁电流恒定
1) 额定激励电流和最大允许激励电流 因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，激 励电流增加，导致霍尔元件自身的温升。
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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。 2) 输入电阻和输出电阻
动态平衡时 F=F’
流过基片的电流称激励电流或控制电流:
I=n×q×v×bd
I=p×q×v×bd
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n—N型半导体载流子浓度 p—P型半导体载流子浓度 bd—与电流方向垂直的截面积
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UH
BI BI RH nqd d
其中，RH—霍尔系数
1 P型半导体： RH pq
1 N型半导体： RH nq
二、结构类型 变磁通式和恒磁通式
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A)变磁通式
4
3
2
1
N
S
a 开磁通式 其中： 1-永久磁铁 2-软磁铁 3-感应线圈 齿轮 5-内齿轮 6-外齿轮 7-转轴
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b 闭磁通式 4-测量
4
(a) 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。
C
B
A
RP
C
B
A D
RP
B
3
R4
R 1 R2 R 1 R2 R 1 R2 A B 相当于电桥不满足平衡条件下的不平衡输出 B R B R3 R4 R 4 3 A A R R4
3
I
C 将霍尔元件看成四臂电桥，不等位电压
D C
D C
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 宜测量高转速。
4
3
2
1
N
S
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(b) 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 性变化的感应电动势。
B － 气隙磁感应强度(Wb/m2) 式中： L － 线圈导线总长度(m) W － 线圈匝数 S － 线圈所包围的面积(m2) v － 线圈和磁铁间相对运动的速度 (m/s) ω－ 线圈和磁铁间相对旋转运动的角速(rad/s) α－ 运动方向与磁感应强度方向的夹角 感应电动势与线圈相对磁铁运动的线速度或角速度正比
感应电势的频率与被测转 速成正比；采用测频的方法可 以得到被测物体的频率。
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B) 恒定磁通式
工作气隙中的磁通恒定
外壳
(a)
线圈
(b)
N
永久磁铁
N
框架 永 久磁 铁
S
线圈
运动 部分
S
弹簧
永久磁铁
线圈
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相对 运动
线圈不动，磁铁运动(a) 线圈运动，磁铁不动(b)
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e WBLv sin WBLv e WBS sin WBL
E R Rf
传感器的电流灵敏度为
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I BLW SI v R Rf
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而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为
U0 I0 R f BLWvR f R Rf
SU
U 0 BLWR f v R Rf
当传感器的工作温度发生变化或受到外 界磁场干扰、 机械振动或冲击时，其灵敏度 将发生变化而产生测量误差。 相对误差为
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四、测量误差及其补偿办法 ⑴ 零位误差及其补偿
不等位电压U0
C、D不在同一等位面上，产生不等位电压：U0 霍尔元件的不均匀电阻率或厚度也会产不等位电压 当B=0，I≠0
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U0=R0I
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电桥补偿办法
C I A R
R 1 R2
Bridge compensation
p－载流子浓度单位体积中的空穴数
令
RH KH d
----灵敏度
则
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U H KH B I
KH
1 nqd
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二、霍尔元件
直接测量电流 能转换成电流的其它物理量
Hall element
（1）当B恒定，UH与I呈线性关系 U H K H BI
（2）当I恒定，UH与B成正比
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2.磁电式扭矩传感器
磁电式扭矩传感器工作原理图
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2.磁电式扭矩传感器

在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形 圆盘, 它们旁边装有相应的两个磁电传感器。
当齿形圆盘旋转时, 圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变 化, 于是磁通量也发生变化, 在线圈中感应出交流 电压, 其频率等于圆盘上齿数与转速乘积。 当扭矩作用在扭转轴上时, 两个磁电传感器输出的 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。
-----
E⊥(B,I)
电动势UH
I
洛伦兹力F 作用
d
+++++
B
N型半导体霍尔效应原理图
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当电流垂直于外电场方向通过N型半导体薄片 时，半导体中的载流子(电子)受到磁场的洛伦兹力 FL作用，使电子向一边偏转，积聚在半导体一侧， 而另一侧积聚正电荷，形成了电场。 积聚正电荷的电场又对运动电子产生电场力FE，
r0 U 0 / I
U0 不等位电势 I 激励电流 r0 不等位电阻
4)寄生直流电势 在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍 尔电极除了交流不等位电势外，还有一直流电势， 称为寄生直流电势。 5)霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下温度每变化1℃ 时霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。
阻止电子的积聚。当FE = FL时，电子积聚达到动态
平衡，此时，在薄片上垂直于电场和磁场方向的两
个侧面之间会出现电位差，即霍尔电势UH。该现象
则称为霍尔效应，电场强度
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EH ＝UH/b
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F＝qvB (洛伦兹力) F’＝qEH (电场力) qEH ＝qvB
q－电子电荷量 v－电子速度 B－磁感应强度 F’ --电场力 EH --静电场强度
第7章 磁电、磁敏传感器 今日要点
磁电(感应式)传感器
工作原理 ☆ 结构类型 测量电路 ☆ 应用案例 基本特性
霍尔式传感器 ☆☆
工作原理 测量误差 霍尔元件 应用案例 基本组成
磁敏传感器 +
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7.1 磁电感应式传感器
一、工作原理 法拉第电磁感应定律：
magnetoelectric
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磁电式扭矩传感器工作原理图
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7.2 霍尔式传感器

Hall type sensor
霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。 1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发 现了霍尔效应, 但由于金属材料的霍尔效应太 弱而没有得到应用。 随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制 成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应 用和发展。
Ui UH KI
2 0
RL
Ui I0 K Ui K
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Βιβλιοθήκη Baidu
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三、霍尔式传感器的组成 1、电路部分：
structure
霍尔元件分为线性测量和开关状态
激励 电极 霍尔 电极
（a）线性应用
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（b）开关应用
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为了增加输出的霍尔电压、功率
（a）直流供电时
Ｉ
dsI dB dL dR sI B L R
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非线性误差
磁电传感器产生非 线性误差的主要原因是：
non-linear error
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。


霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、 振动等方面的测量。
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一、霍尔效应
Hall-effect
置于磁场中的静止载流导体 , 当它的电流方 向与磁场方向不一致时, 载流导体上平行于电流 和磁场方向上的两个面之间产生电动势, 这种现 象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。 半导体薄片 + 磁场B + 电流I
这一数值比较可观，所以需要进行温度补偿
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四、测量电路
measuring circuit
磁电式传感器是速度传感器，通常具有较高 的灵敏度，不需要增益放大器。
3 磁电式 传感器 量程 选择 2 1 前置 放大 微分 电路 积分 电路 2’ 1’ 3’ 主放大器 显示 或记 录
积分：将速度转换成位移，s＝∫vdt 微分：速度转换成加速度，a＝dv/dt