2.檢測(cè)技術(shù)與檢測(cè)元件第8節(jié)磁電式檢測(cè)元件1基本要求掌握磁電感應(yīng)式檢測(cè)元件的基本工作原理、類型掌握霍爾式檢測(cè)元件的基本工作原理會(huì)分析磁電感應(yīng)式檢測(cè)元件、霍爾式檢測(cè)元件的應(yīng)用2磁電式傳感器機(jī)械能電量根據(jù)電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體兩端有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出；磁電感應(yīng)式檢測(cè)元件就是利用電磁感應(yīng)定律，實(shí)現(xiàn)將運(yùn)動(dòng)速度、位移等物理量轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出。2.8.1磁電感應(yīng)式檢測(cè)元件3

-+電磁感應(yīng)定律：對(duì)于N匝線圈，當(dāng)穿過(guò)線圈的磁通Φ變化時(shí)，線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小與與穿過(guò)線圈的磁通Φ變化率有關(guān)。工作原理4根據(jù)工作原理，磁電感應(yīng)式檢測(cè)元件的主要結(jié)構(gòu)形式分兩種類型恒定磁通式（恒磁阻式）變磁通式（變磁阻式）5工作氣隙中磁通不變，線圈中的感應(yīng)電勢(shì)由線圈相對(duì)永久磁鐵運(yùn)動(dòng)并切割磁力線產(chǎn)生。1.恒磁阻式檢測(cè)元件6（1）線速度型——?jiǎng)尤κ接谰么盆F線圈彈簧1.恒磁阻式檢測(cè)元件71.恒磁阻式檢測(cè)元件8輸出線彈簧片線圈芯軸磁鐵阻尼環(huán)殼體SNNS注意蘭色可移動(dòng)部分！輸出：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)----正比于機(jī)械振動(dòng)。1.恒磁阻式檢測(cè)元件9式中：B磁感應(yīng)強(qiáng)度

N線圈匝數(shù)

L每匝線圈有效長(zhǎng)度

V運(yùn)動(dòng)速度

θ線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向之間的夾角；θ=9001.恒磁阻式檢測(cè)元件10線圈在恒定磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)，并切割磁力線，感生電勢(shì)為：B：磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度；L:每匝線圈的有效長(zhǎng)度；θ：線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向之間的夾角；v：線圈與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。11應(yīng)用－振動(dòng)監(jiān)測(cè)12（1）線速度型——?jiǎng)予F式13被測(cè)物SN殼體線圈永久磁鐵彈簧（1）線速度型——?jiǎng)予F式14線圈相對(duì)磁場(chǎng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),并切割磁力線，感生電勢(shì)為：

A：每匝線圈的截面積θ：線圈平面法線方向與磁場(chǎng)方向之間的夾角ω:線圈與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)角速度θ=9001-永久磁鐵2-線圈3-運(yùn)動(dòng)部分（2）角速度型15線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，隨被測(cè)體一起轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)改變磁路的磁阻，引起磁通量變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。2、變磁阻式檢測(cè)元件（1）開(kāi)磁路變磁阻式1一永久磁鐵2一軟磁鐵，3一感應(yīng)線圈4一測(cè)量齒輪開(kāi)磁路式轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件結(jié)構(gòu)原理162、變磁阻式檢測(cè)元件轉(zhuǎn)速齒數(shù)線圈永久磁鐵NS感應(yīng)脈沖計(jì)數(shù)器感應(yīng)電勢(shì)的變化頻率等于？1718轉(zhuǎn)速測(cè)量齒數(shù)z=419當(dāng)安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上的齒輪（導(dǎo)磁體）旋轉(zhuǎn)時(shí)，其齒依次通過(guò)永久磁鐵兩磁極間的間隙，從而在線圈上感應(yīng)出頻率和幅值均與軸轉(zhuǎn)速成比例的交流電壓信號(hào)u0。由于感應(yīng)電壓與磁通φ的變化率成比例，即

(W是線圈匝數(shù)）

故隨著轉(zhuǎn)速下降輸出電壓幅值減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速低到一定程度時(shí)，電壓幅值會(huì)減小到無(wú)法檢測(cè)出來(lái)的程度。故這種傳感器不適合于低速測(cè)量。2012測(cè)量?jī)x表扭矩測(cè)量21如圖所示，在轉(zhuǎn)軸上固定兩個(gè)齒輪1和2，它們的材質(zhì)、尺寸、齒形和齒數(shù)均相同。永久磁鐵和線圈組成的磁電式檢測(cè)頭3和4對(duì)著齒頂安裝。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。轉(zhuǎn)軸承受扭矩后，相位差不為零，且隨兩齒輪所在橫截面之間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的增加而加大，其大小與相對(duì)扭轉(zhuǎn)角、扭矩成正比。扭矩測(cè)量uwt22當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測(cè)轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測(cè)軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。2、變磁阻式磁電傳感器（2）閉磁路變磁阻式23磁電感應(yīng)式檢測(cè)元件相當(dāng)于一個(gè)電源3.磁電感應(yīng)式檢測(cè)元件的等效電路24檢測(cè)元件的電流靈敏度Si和電壓靈敏度Sv為：25當(dāng)磁電感應(yīng)式檢測(cè)元件工作溫度發(fā)生變化，或受到外磁場(chǎng)干擾，或受到機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí)，其靈敏度都將發(fā)生變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差，其相對(duì)誤差為264.磁電感應(yīng)式檢測(cè)元件的誤差分析（1）溫度誤差（2）永久磁鐵的不穩(wěn)定性誤差（3）磁電式傳感器的非線性誤差27磁電式傳感器機(jī)械能電量5.磁電感應(yīng)式傳感器的特點(diǎn)有源傳感器具有較大的輸出功率只應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量，如機(jī)械振動(dòng)測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)量。傳感器尺寸大、重。

282.8.2霍爾檢測(cè)元件霍爾元件291.霍爾效應(yīng)

1878年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先發(fā)現(xiàn)金屬中的霍爾效應(yīng)，因?yàn)樘鯖](méi)有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)非常明顯，并且體積小有利于集成化?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃?yīng)。30通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）垂直放在磁場(chǎng)中，導(dǎo)體在垂直于電流I與磁場(chǎng)B方向上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。31在與磁場(chǎng)垂直的半導(dǎo)體薄片上通以電流I，假設(shè)載流子為電子(N型半導(dǎo)體材料)，它沿與電流I相反的方向運(yùn)動(dòng)，由于洛侖茲力fL的作用，電子將向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，并使該側(cè)形成電子的積累，而另一側(cè)形成正電荷積累，于是元件的橫向便形成了電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻止電子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當(dāng)電子所受到的電場(chǎng)力fE與洛侖茲力fL相等時(shí)，電子的積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)在兩橫端面之間建立的電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)EH，相應(yīng)的電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)UH?；魻栯妱?shì)的產(chǎn)生32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c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。cd33在磁場(chǎng)作用下導(dǎo)體中的自由電子做定向運(yùn)動(dòng)。每個(gè)電子受洛侖茲力作用被推向?qū)w的另一側(cè)：

霍爾電場(chǎng)作用于電子的力霍爾電場(chǎng)當(dāng)兩作用力相等時(shí)電荷不再向兩邊積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡：aaa——霍爾電勢(shì)34霍爾電勢(shì)與電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系：通過(guò)（半）導(dǎo)體薄片的電流I與下列因素有關(guān)：載流子濃度n，電子運(yùn)動(dòng)速度v，導(dǎo)體薄片橫截面積a*d，

e為電子電荷量。代入后：與材料有關(guān)霍爾常數(shù)霍爾電勢(shì)與電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積成正比與薄片尺寸有關(guān)霍爾靈敏度式中：ρ—電阻率、n—電子濃度

μ—電子遷移率μ=υ/E

單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下載流子運(yùn)動(dòng)速度。ada35磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時(shí)，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時(shí)的霍爾電勢(shì)為

UH=KHIBcos

結(jié)論：霍爾電勢(shì)與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(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)。

36討論：

任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，但不是都可以制造霍爾元件;

絕緣材料ρ很大，μ很小，不適用；金屬材料電子濃度n很高，RH很小，UH很小;

半導(dǎo)體材料電阻率ρ較大,RH大，非常適于做霍爾元件，半導(dǎo)體中電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體（多電子）;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(d≈1μm)

。372.霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)與基本測(cè)量電路（1）霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，它是由霍爾片、四根引線和殼體組成的，如圖?；魻栐话憧捎脙煞N符號(hào)表示，如圖（b）所示。霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體薄片，引出四根引線：1、1′兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱激勵(lì)電極（控制電極）；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱霍爾電極。38（2）霍爾傳感器基本測(cè)量電路霍爾晶體的外形為矩形薄片有四根引線，兩端加激勵(lì)，兩端為輸出，RL為負(fù)載電阻；電源E通過(guò)R控制激勵(lì)電流I；磁場(chǎng)B與元件面垂直（向里）實(shí)測(cè)中可把I*B作輸入，也可把I或B單獨(dú)做輸入；通過(guò)霍爾電勢(shì)輸出測(cè)量結(jié)果。

輸出Uo與I或B成正比關(guān)系，或與I*B成正比關(guān)系。39霍爾元件的轉(zhuǎn)換效率較低，實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得較大的霍爾電壓，可將幾個(gè)霍爾元件的輸出串聯(lián)起來(lái)。在這種連接方法中，激勵(lì)電流極是并聯(lián)的。雖然霍爾元件的串聯(lián)可以增加輸出電壓，但其輸出電阻也將增大?；魻栐敵龃?lián)403.霍爾元件的應(yīng)用霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、

三個(gè)變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。41（1）霍爾傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度

霍爾元件測(cè)量鐵心氣隙的B值42（2）霍爾轉(zhuǎn)速表將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤(pán)。隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，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)放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。SN霍爾元件磁鐵43測(cè)量霍爾元件輸出的脈沖頻率就可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。齒輪齒數(shù)（2）霍爾轉(zhuǎn)速表44霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過(guò)霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空隙對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。45被測(cè)力使波紋膜盒膨脹，帶動(dòng)杠桿向上移動(dòng)，從而使霍爾元件在磁路系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)，改變了霍爾元件所受的磁場(chǎng)大小及方向，引起霍爾電勢(shì)大小和極性的變化。由于波紋膜盒及霍爾元件的靈敏度很高，所以可用于測(cè)量微小壓力的變化?；魻柺綁毫鞲衅?/p>

(3)測(cè)量壓力46作為壓力敏感元件的彈簧管，其一端固定，另一端安裝霍爾元件。當(dāng)輸入壓力增加時(shí)，彈簧管伸長(zhǎng)，使處于恒定磁場(chǎng)中的霍爾元件產(chǎn)生相應(yīng)位移，霍爾元件的輸出即可反映被測(cè)壓力的大小。(3)測(cè)量壓力47(4)霍爾液位傳感器霍爾器件裝在容器外面，永久磁體支在浮子上，隨著液位變化，作用到霍爾器件上的磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度改變，從而可測(cè)得液位。

48霍爾式振動(dòng)示意圖（5）測(cè)振動(dòng)49（6）霍爾式接近開(kāi)關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作。如保安系統(tǒng)，把霍爾開(kāi)關(guān)集成器件裝在門(mén)框里，永久磁鐵裝在門(mén)上，當(dāng)門(mén)關(guān)閉時(shí)，開(kāi)關(guān)輸出低電平；當(dāng)門(mén)打開(kāi)時(shí)，磁鐵離開(kāi)傳感器，開(kāi)關(guān)輸出高電平，驅(qū)動(dòng)電鈴，可作為報(bào)警設(shè)備。

50（6）霍爾式接近開(kāi)關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作。51霍爾式接近開(kāi)關(guān)

用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示n=60f4(r/min)軟鐵翼片

開(kāi)關(guān)型霍爾ICT52霍爾集成器件可分為線性型和開(kāi)關(guān)型兩大類。

(1)霍爾線性集成器件將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。4.霍爾集成器件53線性型霍爾特性右圖示出了具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場(chǎng)為正向（磁鋼的S極對(duì)準(zhǔn)霍爾器件的正面）時(shí)，輸出為正；磁場(chǎng)反向時(shí)，輸出為負(fù)。線性范圍54OC門(mén)施密特觸發(fā)電路雙端輸入、單端輸出運(yùn)放霍爾元件.Vcc（2）霍爾開(kāi)關(guān)器件55開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門(mén)（集電極開(kāi)路輸出門(mén)）等電路做在同一個(gè)芯片上。較典型的開(kāi)關(guān)型霍爾器件如