第四章磁傳感器教學(xué)目的與要求：要求學(xué)生了解磁傳感器的分類及特點(diǎn);理解感應(yīng)式磁敏傳感器的原理；掌握霍爾傳感器的工作原理、特性及應(yīng)用。

教學(xué)重點(diǎn)：霍爾傳感器的工作電路、特性及應(yīng)用教學(xué)難點(diǎn)：霍爾效應(yīng)磁敏傳感器是對(duì)磁場(chǎng)參量(B,H,φ)敏感的元器件或裝置,具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能。第四章磁傳感器質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器光泵式磁敏傳感器SQUID（超導(dǎo)量子干涉器）磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器感應(yīng)式磁敏傳感器半導(dǎo)體磁敏傳感器霍爾器件、磁敏二極管、磁敏三極管、磁敏電阻機(jī)械式磁敏傳感器光纖式磁敏傳感器一、霍耳磁敏傳感器

通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。+I+++++++++++－－－－－－Ｂlwd霍耳效應(yīng)原理圖VH

它是利用霍耳元件基于霍耳效應(yīng)原理而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。1、霍耳效應(yīng)

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c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。霍爾效應(yīng)演示霍耳電勢(shì)VH與I、B的乘積成正比，而與d成反比。

—霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。μ—載流子遷移率,μ=v/E,即單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下載流子的平均速度。

金屬材料，電子μ很高但ρ很小，絕緣材料，ρ很高但μ很小。故為獲得較強(qiáng)霍耳效應(yīng)，霍耳片全部采用半導(dǎo)體材料制成。q—電子電量ρ—材料電阻率設(shè)KH=RH/d

KH—霍耳器件的乘積靈敏度。它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)霍耳電勢(shì)的大小。若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍耳器件的平面法線夾角為θ時(shí)，霍耳電勢(shì)應(yīng)為：

VH＝KH

IB

VH＝KHIBcosθ

由上式可見，厚度d越小，霍爾靈敏度KH越大，所以霍爾元件做的較薄，通常近似1微米。2、霍爾元件(1)霍耳元件的基本電路

基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料。目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導(dǎo)體材料。

薄膜霍爾元件厚度只有1μm左右。霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成?；舳敵龆说亩俗覥、D相應(yīng)地稱為霍耳端或輸出端。電流端子A、B相應(yīng)地稱為器件電流端、控制電流端或輸入電流端。H霍耳器件符號(hào)AAABBBCCCDDD控制電流I；霍耳電勢(shì)VH；控制電壓V；霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流IH。

霍耳輸出端接負(fù)載R3,R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)B垂直通過霍耳器件,在磁場(chǎng)與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本電路R實(shí)際使用時(shí),器件輸入信號(hào)可以是I或B，或者IB,而輸出可以正比于I或B,或者正比于其乘積IB。

這類傳感器一般由霍耳元件和放大器組成，霍耳線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)成線性比例關(guān)系。當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí),霍耳元件產(chǎn)生與磁場(chǎng)成線性比例變化的霍耳電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，為了提高傳感器的性能，往往在電路中設(shè)置穩(wěn)壓、電流放大輸出級(jí)、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路。

霍耳線性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場(chǎng)、電流等的測(cè)量或控制?；舳€性集成傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種。（2）霍耳線性集成傳感器霍耳線性集成傳感器的輸出特性如下圖：

磁感應(yīng)強(qiáng)度B/T5.64.63.62.61.6-0.3-0.2-0.100.10.20.3輸出電壓U/V單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675

雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖

單端輸出的傳感器是一個(gè)三端器件，它的輸出電壓對(duì)外加磁場(chǎng)的微小變化能做出線性響應(yīng)，通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。

雙端輸出的傳感器是一個(gè)8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動(dòng)射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。典型應(yīng)用

電流傳感器、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、電機(jī)控制、鐵質(zhì)金屬檢測(cè)、

位置傳感器、磁碼讀取、振動(dòng)檢測(cè)、液位傳感器、壓力傳感器霍耳開關(guān)集成傳感器是利用霍耳效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號(hào)形式輸出?；舳_關(guān)集成傳感器具有使用壽命長(zhǎng)、無觸點(diǎn)磨損、無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動(dòng)、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。（3）霍耳開關(guān)集成傳感器

霍耳開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域：點(diǎn)火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、里程測(cè)定、機(jī)械設(shè)備的限位開關(guān)、按鈕開關(guān)、電流的測(cè)定與控制、位置及角度的檢測(cè)等等。由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口?；舳_關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大BT整形地H

3020T輸出VoutR=2kΩ+12V123（b）應(yīng)用電路（a）外型霍耳開關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路123從工作特性曲線上可以看出，工作特性有一定的磁滯BH，圖中的BOP為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。霍耳開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB0當(dāng)外加磁感強(qiáng)度高于BOP時(shí)，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于BRP時(shí)，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。利用霍耳效應(yīng)制作的霍耳器件，不僅在磁場(chǎng)測(cè)量方面，而且在測(cè)量技術(shù)、無線電技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用。利用霍耳電勢(shì)與外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制電流，對(duì)磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量、機(jī)械量和非電量等進(jìn)行測(cè)量和控制。應(yīng)用這類特性制作的器具有磁通計(jì)、電流計(jì)、磁讀頭、位移計(jì)、速度計(jì)、振動(dòng)計(jì)、羅盤、轉(zhuǎn)速計(jì)、無觸點(diǎn)開關(guān)等。3、霍耳磁敏傳感器特點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例

霍耳元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場(chǎng)的獨(dú)特能力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、無觸點(diǎn)、頻帶寬，動(dòng)態(tài)性能好以及壽命長(zhǎng)。測(cè)量磁場(chǎng)的大小和方向電位差計(jì)mAESNR霍耳磁敏傳感器測(cè)磁原理示意圖測(cè)量鐵心氣隙的B值霍爾元件霍爾傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度霍爾壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理

無觸點(diǎn)開關(guān)n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾IC

T霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示測(cè)轉(zhuǎn)速：（教材P157圖4-20）SN線性霍爾磁鐵在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速?；魻栟D(zhuǎn)速表計(jì)數(shù)裝置(導(dǎo)磁產(chǎn)品)電流傳感器

當(dāng)電流流過導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)。

鐵心線性霍爾IC

EH=KHIB

II霍爾電流傳感器演示鐵磁材料裂紋檢測(cè)

NS霍爾效應(yīng)鋼絲斷絲檢測(cè)裝置1—鋼絲繩2—霍爾元件3—永久磁