第7章 磁電式傳感器 Magneto electric sensors,主要內(nèi)容：,掌握磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理、分類和基本結(jié)構(gòu)，了 解其應(yīng)用；掌握霍爾效應(yīng)、霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)和基本電路；能分析霍爾傳感器誤差來(lái)源和補(bǔ)償方法，了解其實(shí)際應(yīng)用。,磁電式傳感器是通過(guò)磁電作用將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。磁電式傳感器有 霍爾式傳感器,磁電感應(yīng)式傳感器,7.1 磁電感應(yīng)式傳感器,被測(cè)量 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e,磁通量的變化可以通過(guò)很多辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如磁鐵與線圈之間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)；磁路中磁阻的變化等。一般可將磁電感應(yīng)式傳感器分為變磁通式和恒磁通式兩類。,磁電感應(yīng)式傳感器工作原理是發(fā)電機(jī)原理。利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。,由法拉第電磁感應(yīng)定律可知：,圖7-2 變磁通磁電式傳感器1-被測(cè)旋轉(zhuǎn)體；2-測(cè)量齒輪；3-線圈；4-軟鐵；5-永久磁鐵,原理：磁阻變化 線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 輸出周期感應(yīng)脈沖信號(hào)：,一、 變磁通式,開(kāi)磁路變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器,式中，Z齒輪的齒數(shù)；n轉(zhuǎn)速(r/min)； f感應(yīng)脈沖信號(hào)頻率,f=Zn/60,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、但輸出信號(hào)小，高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)，當(dāng)被測(cè)軸振動(dòng)比較大時(shí)，傳感器輸出波形失真較大。在振動(dòng)強(qiáng)的場(chǎng)合往往采用閉磁路式轉(zhuǎn)速傳感器。,結(jié)構(gòu)：由轉(zhuǎn)子、定子、環(huán)形永久磁鐵、線圈等元件組成。,f=Zn/60式中，Z齒輪的齒數(shù)；n轉(zhuǎn)速(r/min)；f感應(yīng)脈沖信號(hào)頻率,原理：磁阻變化 線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 輸出周期感應(yīng)脈沖信號(hào),閉磁路變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器,可測(cè)速度，如果接一個(gè)積分或微分電路也可用來(lái)測(cè)量位移和加速度,二、 恒磁通式,結(jié)構(gòu)：磁路系統(tǒng) 、線圈。,圖7-1 恒磁通磁電式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 （a）動(dòng)圈式;（b）動(dòng)鐵式,原理：線圈與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)（動(dòng)圈式/動(dòng)鐵式）v 感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)e,2振動(dòng)測(cè)量,1、8圓形彈簧片；2圓環(huán)形阻尼器；3永久磁鐵；4鋁架；5心軸；6工作線圈；7殼體；9引線,三、 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用,1轉(zhuǎn)速測(cè)量,3扭矩測(cè)量,當(dāng)轉(zhuǎn)軸不受扭矩時(shí)，兩線圈輸出信號(hào)相同，相位差為零。當(dāng)被測(cè)軸感受扭矩時(shí)，軸的兩端產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，因此兩個(gè)傳感器輸出的兩個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將因扭矩而有附加相位差 。扭轉(zhuǎn)角 與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相位差的關(guān)系為：,式中：z為傳感器定子、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。,7.2 霍爾式傳感器,工作原理：是基于霍爾效應(yīng)而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器?；魻柶骷且环N磁傳感器。 特點(diǎn)：霍爾傳感器具有體積小、無(wú)觸點(diǎn)、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、頻率相應(yīng)寬、易于集成化和微型化。應(yīng)用：霍爾傳感器是全球排名第三的傳感器產(chǎn)品，它被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、汽車業(yè)、電腦、手機(jī)、電機(jī)以及新興消費(fèi)電子領(lǐng)域。,磁場(chǎng) 電壓UH,翻蓋或滑蓋手機(jī)中的應(yīng)用用來(lái)檢測(cè)手機(jī)蓋翻開(kāi)或是滑動(dòng)的器件就是霍爾傳感器,在滑蓋手機(jī)中，在上蓋對(duì)應(yīng)的位置有一個(gè)磁鐵，霍爾傳感器就在磁鐵對(duì)應(yīng)的主板正面或反面，用磁鐵來(lái)控制霍爾傳感器信號(hào)的輸出。當(dāng)合上滑蓋時(shí)，傳感器輸出低電平作為中斷信號(hào)到CPU，強(qiáng)制手機(jī)退出正在運(yùn)行的程序；,當(dāng)打開(kāi)滑蓋時(shí)，傳感器輸出高電平，手機(jī)解鎖，接通正在打入的電話。,把一塊金屬或半導(dǎo)體簿片垂直放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，沿著垂直于磁場(chǎng)的方向通以電流I，就會(huì)在薄片的另一對(duì)側(cè)面間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)，這種薄片（一般為半導(dǎo)體）稱為霍爾片或霍爾元件。,霍爾效應(yīng)原理圖,7.2.1 霍爾效應(yīng)及霍爾元件,1.霍爾效應(yīng),霍爾效應(yīng)演示,當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片A、B方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。,A,B,C,D,在磁場(chǎng)B中運(yùn)動(dòng)的電子將受到洛倫茲力fL：fL=evB 建立的電場(chǎng)EH對(duì)隨后的運(yùn)動(dòng)電子施加一電場(chǎng)力fE： 平衡時(shí)，fL=fE，即： evB= eUH /b由于電流密度J=-nev，則電流強(qiáng)度為I=-nevbd所以得到：,d霍爾片厚度； n電子濃度； RH=1/ne霍爾系數(shù)； KH=RH/d=1/ned霍爾靈敏度。,(7-1),霍爾效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理：,fE=eEH=eUH /b,霍爾電勢(shì)UH與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比；當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變；如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，則霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì)。,1.對(duì)于金屬而言，n很大，所以RH很小，而半導(dǎo)體尤其是N型半導(dǎo)體RH則較大；所以霍爾元件多用N型半導(dǎo)體。 2. 因?yàn)閗H = RH /d ，霍爾元件越?。磀越?。?kH就越大，所以霍爾元件都比較薄，薄膜霍爾元件厚度只有m左右。,結(jié)構(gòu)與選材：,因此、霍爾元件多用N型半導(dǎo)體薄片,霍爾元件的材料：鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)和砷化鎵(GaAs)是常見(jiàn)的制作霍爾元件的幾種半導(dǎo)體材料。下表所列為制作霍爾元件的幾種半導(dǎo)體材料主要參數(shù)。,電阻率,電子遷移率,霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。,外形,符號(hào),基本測(cè)量電路,結(jié)構(gòu),2霍爾元件基本結(jié)構(gòu),3霍爾元件基本特性,額定激勵(lì)電流Ic：當(dāng)霍爾元件自身溫升10C時(shí)所流過(guò)的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流?；魻栞斎腚娮鑂i：霍爾控制電極間的電阻值?；魻栞敵鲭娮鑂0：霍爾輸出電極間的電阻值。不等位電勢(shì)U0和不等位電阻R0 ：霍爾元件在額定控制電流作用下，不加外磁場(chǎng)時(shí)其霍爾電極間的電勢(shì)為不等位電勢(shì)U0，一般U0 10mV。等效為不等位電阻R0= U0 /Ic?；魻栯妱?shì)溫度系數(shù) ：為溫度變化1C時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率（%/C）寄生直流電勢(shì)：在外加磁場(chǎng)為零、霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí)，霍爾電極輸出除了交流不等位電勢(shì)外，還有一支流電勢(shì)，稱,不等位電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因：霍爾電極焊接位置不對(duì)稱或不能完全位于同一等位面上。半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或幾何尺寸不均勻激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布。,4霍爾元件的不等位電動(dòng)勢(shì)與補(bǔ)償,不等位電動(dòng)勢(shì)：如圖當(dāng)控制電流I 流過(guò)時(shí),即使未加外磁場(chǎng),C、D 兩電極此時(shí)仍存在電位差,此電位差被稱為不等位電勢(shì)U0。是零位誤差中最主要的一種。它與霍爾電勢(shì)具有相同數(shù)量級(jí)。,通過(guò)補(bǔ)償電路來(lái)克服。,在理想情況下R1=R2=R3=R4，即可取得零位電動(dòng)勢(shì)為零(或零位電阻為零) 。 實(shí)際上，若存在零位電動(dòng)勢(shì)，則說(shuō)明此4個(gè)電阻不完全相等，即電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)可調(diào)電阻RP或在兩個(gè)臂上同時(shí)并聯(lián)電阻RP和R。,將霍爾元件等效為一個(gè)電橋電路如圖，用分析平衡電橋方法來(lái)補(bǔ)償：,霍爾元件不等位電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償：,霍爾元件不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路,5霍爾元件的溫度誤差及補(bǔ)償 與一般半導(dǎo)體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的性能參數(shù)如輸入、輸出、電阻、霍爾常數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電動(dòng)勢(shì)變化，產(chǎn)生溫度誤差。,選用溫度系數(shù)小的霍爾元件,采用恒流源供電、分流電阻法采用恒流源和輸入回路串聯(lián)電阻采用溫度補(bǔ)償元件,采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路,減小溫度誤差方法：,采用恒流源供電，分流電阻法：,=KH0IH0B=KHIHB=,由等式：,得并聯(lián)電阻初值：,7.2.2 霍爾傳感器的應(yīng)用,霍爾元件具有結(jié)構(gòu)牢固、工藝成熟、體積小、壽命長(zhǎng)、線性度好、頻率高、耐振動(dòng)、不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。 目前，霍爾傳感器是全球使用量排名第三的傳感器產(chǎn)品，它被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、汽車業(yè)、計(jì)算機(jī)、手機(jī)以及新興消費(fèi)電子領(lǐng)域中。,1. 霍爾式微位移傳感器：,2. 霍爾式壓力傳感器：,3.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器,汽車速度測(cè)量