第五章磁电式传感器

铁磁基体
覆盖层
测量时将U形铁芯的两极放到被测物体表面上，这时永磁 体产生的磁通便通过U形铁芯和被测物体构成磁回路。当被测 物体表面覆盖层厚度不同时，磁回路的磁阻和磁通量将会发生 变化，磁回路中的霍尔集成传感器将会检测出磁场强度的不同， 从而使霍尔集成传感器产生的输出电压随覆盖层厚度的不同而 变化，完成覆盖层非电量第到五电章磁量电式的传转感器换。
1 插座 2 芯轴
3 弹簧片
4 顶杆
5 限幅块
6 球铰链
7 永久磁铁
8 线圈
9 气隙
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10 弹簧片
二、霍尔式传感器
1、工作原理
霍尔效应： 磁场(B)，导体(l,b,d)，电流(I)---正交 电流：A面→B面，洛仑兹力作用， 左手定律：正电荷→C面，负电荷→D面 平衡后：两侧面形成横向电势—霍尔电势
霍尔电势：UH
RH d
IB
RH--霍尔系数 ， d—霍尔片厚度
灵敏度： kHR H/d/ d ρ—电阻率，μ—载流子迁移率
霍尔元件材料：高电阻率（ρ↑）、高迁移率（μ↑）
金属---迁移率高、电阻率低；
→ 半导体 薄片（锗、硅）
绝缘体---电阻率高、迁移率低；
霍尔元件形状：
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2、霍尔元件特性
（7）自激场零电势：控制电流引线弯曲-自激场
3、霍尔传感器应用
特点：体积小，质量轻，结构简第五单章，磁电使式用传方感器便，集成化
（1）霍尔式磁传感器： 霍尔电势与磁感应强度成正比--测量---交流、直流，磁感应强度、磁场强度，
（2）霍尔式位移传感器： 磁场---均匀、梯度变化 霍尔电势---位置 测量---微位移，0.5mm
霍尔集成传感器内部虽然设有差分放大器，但其 输出的电压仍然满足不了使用电路的要求，为此，将 信号加一级放大，便可得到足够大的信号幅度。
＋5V
IC1
UOUT
IC2
－5V
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③霍尔元件在电流测量上的应用
在现代工程技术中，往往要测量大直流电流，有 时直流电流值高达10KA以上。过去，多采用电阻器 分流的方法来测量这样大的电流。这种方法有许多缺 点，如分流器结构复杂、笨重、耗电、耗铜等。利用 霍尔效应原理测量大电流可以克服上述的一些缺点。 霍尔效应大电流计结构简单、成本低、准确度高，在 很大程度上与频率无关，便于远距离测量，测量时不 需要断开回路。
➢ 霍尔元件可以测量磁物理量及电量、还可以通 过转换测量其它非电量。
➢ 由于霍尔元件的输出量是比例于两个输入量的 乘积，因此可以方便而准确地实现乘法运算， 可构成各种非线性运算部件。
➢ 霍尔元件工作从直流到数百千赫兹的频率范围 内。
霍尔元件在工程技术上的应用相当广泛，具体 产品有高斯计、霍尔罗盘、大电流计、功率计、位 移传感器、乘法器、调制器等。
（3）霍尔式电流电压传感器： 电流 --- 感应磁场 --- 霍尔电势 测量---交流、直流，电流、电压、
（4）霍尔式压力传感器： 压力---弹性元件---位移---磁场---霍尔电势 测量---静态、动态压力
（5）其他： 霍尔式方位传感器：霍尔罗盘 霍尔式转速传感器：脉冲计数
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测量---交流、直流，电流、电压、
第五章 磁电式传感器
原理：被测量---磁电作用---电信号 分类：磁电感应式传感器、霍尔式传感器、磁栅传感器
一、磁电感应式传感器
1、原理： 电磁感应定律：线圈在均衡磁场中运动 --- 感应电势
e W d dt
W-匝数 Φ-磁通量， 被测量---磁通变化---电信号
2、结构： 变磁通式，恒磁通式
(1) 变磁通旋转型：
（4）零位电势：磁场B=0时，通过激励电流产生的电势---零位电势 原因---两个霍尔电极不在一个等位面上 ---- 不等位电势 材料不均匀，工艺差 补偿---电桥平衡，并联电阻
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（5）温度特性：温度---电阻率、载流子、尺寸 补偿 ---电桥，热敏电阻，
（6）寄生直流电势：激励---交流控制电流； 输出---交流+直流 原因---霍尔电极不对称
1-永久磁铁：磁钢， 2-磁芯：导磁 3-衔铁：动铁心，旋转---感应电势 用于：测量转速、振动 第五章磁电式传感器
(2) 变磁通平移型： 1-永久磁铁：磁钢， 2-磁芯：导磁 3-衔铁：动铁心，旋转---感应电势 用于：测量线速度、振动
(3) 恒磁通动圈式 磁通恒定，线圈运动---切割磁力线---感应电势
(4) 恒磁通动铁式： 永久磁铁运动
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3、特点：
（1）有源传感器，无需辅助电源，也称电动式、感应式 （2）输出功率大，配用电路简单，甚至可以直接输出显示
（3）零位及性能稳定，抗干扰能力强，适于矿山、冶金等行业；
（4）频响差，一般频带为10~1000Hz
4、应用：
主要用于测量低频振动参数
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①、转速测量
ω N 霍尔元件 VH
0π
2π
S
永ห้องสมุดไป่ตู้体装在轴端的转速测量方法
ω
VH
α（转角）
S 霍尔元件
0 N
α（转角）
永磁体装在轴侧的转速测量方法 第五章磁电式传感器
霍尔式转速计
工作原理及用途：
被测体上贴一磁钢，非接触式测量，高可靠，适用于 低转速，体积小、安装方便，对环境无要求，适合各 种恶劣环境、污浊环境、功耗低，适宜长期工作。
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②利用霍尔线性集成传感器进行磁法覆盖 层厚度测量
磁法覆盖厚度测量是指对铁磁性物质表面非 磁性涂层的厚度测量。
例如对钢铁表面的镀膜、油漆、塑料、搪瓷 等覆盖层的厚度等便可使用磁法厚度测量的方法。
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SL3501M 磁回路
永磁体 U型铁心
将U型硅钢片 铁芯中间断开，然 后将SL3501M霍尔 线性集成传感器和 一片钕铁硼永磁体 夹在中间，用502 胶粘牢。
（1）形状效应：长宽比(l/b)---宽度增大，载流子损失增大，霍尔电势减弱；
修正：
UH
RH d
IB f(l/b)
f(l/b)---形状系数
l/b 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0
f(l/b) 0.370 0.675 0.841 0.923 0.967 0.984 0.996
霍尔元件厚度d---越薄，灵敏度越高 --- 薄片
限制---阻抗增大，功耗增大，发热温升 （2）电磁特性：激励电流---UH~I 线性关系，电流灵敏度：kI kHB
磁感应强度--- UH~B 多数非线性，材料不同-特性不同 内阻---R~B 多数线性，磁阻效应，降低霍尔电势
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（3）额定激励电流： 激励电流增大 --- 发热 --- 温升， 温升10℃时的激励电流 ---- 额定激励电流