傳感器技術(shù)及應(yīng)用（第2版）第7章磁電式傳感器霍爾式傳感器1.2磁電感應(yīng)式傳感器7.17.2本章小結(jié)7.37.4第7章磁電式傳感器2本章內(nèi)容引出3磁電式傳感器是一種將各種磁場及其變化量轉(zhuǎn)變成電信號輸出的裝置。自然界和人類社會生活的許多地方都存在磁場或與磁場相關(guān)的信息。利用人工設(shè)置的永久磁體產(chǎn)生的磁場，可作為許多種信息的載體。因此，探測、采集、存儲、轉(zhuǎn)換、復(fù)現(xiàn)和監(jiān)控各種磁場和磁場中承載的各種信息的任務(wù)，自然就落在磁電式傳感器身上。磁電式傳感器可分為磁電感應(yīng)式和霍爾式兩種類型。7.1磁電感應(yīng)式傳感器4磁電感應(yīng)式傳感器5磁電感應(yīng)式傳感器又稱電動勢式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。它不需要供電電源，就能把被測對象的機械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號。磁電式傳感器機械能電量磁電感應(yīng)式傳感器6根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，N匝線圈在磁場中運動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E的大小取決于穿過線圈的磁通Φ的變化率dΦ/dt有如下關(guān)系：磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理7根據(jù)以上原理，從結(jié)構(gòu)上有兩種磁電感應(yīng)式傳感器：恒磁通式：磁路系統(tǒng)恒定磁場運動部件可以是線圈也可以是磁鐵。——Φ不變，線圈切割磁力線（線圈相對磁鐵振動或轉(zhuǎn)動）變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，轉(zhuǎn)動物體引起磁阻、磁通變化?！底兓ɑ顒鱼曡F相對磁鐵振動或轉(zhuǎn)動）磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理——恒磁通型8磁鐵與線圈相對運動使線圈切割磁力線，產(chǎn)生與運動速度dv/dt成正比的感應(yīng)電動勢E，其大小為按結(jié)構(gòu)有動圈式和動鐵式兩種。（a）動圈式

（b）動鐵式圖7-2恒磁通型傳感器結(jié)構(gòu)磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理——變磁通型9變磁通式磁電感應(yīng)傳感器一般做成轉(zhuǎn)速傳感器，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的頻率作為輸出，而電動勢的頻率取決于磁通變化的頻率。變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)有開磁路和閉磁路兩種。（a）開磁路式

（b）閉磁路式圖7-3變磁通型磁電式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1-永久磁鐵2-軟鐵3-感應(yīng)線圈4-齒輪5-測量齒輪6-線圈磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路10磁電感應(yīng)式傳感器可直接輸出感應(yīng)電勢，而且具有較高的靈敏度，對測量電路無特殊要求。磁電感應(yīng)式傳感器的輸出信號直接經(jīng)主放大器輸出，該信號與速度成比例。前置放大器分別接積分電路或微分電路，接入積分電路時，感應(yīng)電動勢輸出正比于位移信號；接入微分電路時，感應(yīng)電動勢輸出正比于加速度信號。在無人裝備中的應(yīng)用11在被測物體相對靜止的條件下，由于磁力線不發(fā)生變化，因而線圈中沒有電流。當(dāng)傳感器靠近鐵磁性材料時，引起永久磁鐵磁力線的變化，從而在線圈中產(chǎn)生電流。隨著距離的增大，輸出信號明顯減弱，因而這種類型的傳感器只能用于很短距離測量，一般僅為零點幾毫米。1.接近覺傳感器2.轉(zhuǎn)速傳感器3.扭矩傳感器圖7-6

磁電感應(yīng)接近覺傳感器在無人裝備中的應(yīng)用12在智能車輛上，轉(zhuǎn)速傳感器目前廣泛采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。它由旋轉(zhuǎn)的齒圈和固定的磁電感應(yīng)式傳感器兩部分構(gòu)成（如左圖所示）。線圈輸出的交變感應(yīng)電壓經(jīng)整形電路后生成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號（如右圖所示）。1.接近覺傳感器2.轉(zhuǎn)速傳感器3.扭矩傳感器在無人裝備中的應(yīng)用13在轉(zhuǎn)軸上固定兩個齒輪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頭1和2對著齒頂安裝。當(dāng)轉(zhuǎn)軸不受扭矩時，兩線圈輸出信號相同，相位差為零。當(dāng)被測軸感受扭矩時，軸的兩端產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，因此兩個傳感器輸出的兩個感應(yīng)電動勢將因扭矩而有附加相位差。扭轉(zhuǎn)角與感應(yīng)電動勢相位差成正比。1.接近覺傳感器2.轉(zhuǎn)速傳感器3.扭矩傳感器7.2霍爾式傳感器14霍爾效應(yīng)15霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。廣泛用于電磁測量和壓力、加速度、振動等方面的測量。

1879年，美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)：置于磁場中的靜止載流半導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時，在垂直于電流和磁場方向上的兩個面之間形成了電場，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。霍爾效應(yīng)16載流電子在電場力fE與洛倫茲力fL的作用，當(dāng)二者相等時，電子的累積達到平衡，這時在兩端面之間建立的電場稱為霍爾電場EH，相應(yīng)的電壓稱為霍爾電壓UH。如右圖所示，載流電子在洛倫茲力fL的作用下，向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，因此在半導(dǎo)體兩個端面分別累積負(fù)電荷和正電荷，形成電場。圖7-9霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)17設(shè)電子（電量為e）以相同的速度v運動，則電子受到的洛倫茲力fL可用下式表示：霍爾電場作用于電子的力fE可表示為：

式中，b為霍爾元件的寬度當(dāng)達到動態(tài)平衡時，fL+fE=0，于是得又由，，并設(shè)，可整理得：霍爾效應(yīng)18KH稱為元件的靈敏度，單位是由于金屬的電子濃度很高，所以它的霍爾系數(shù)或靈敏度都很小，因此不適宜制作霍爾元件；元件的厚度d越小，靈敏度越高，因而制作霍爾片時可采取減小d的方法增加靈敏度，但是不能認(rèn)為d越小越好，因為這會導(dǎo)致元件的輸入和輸出電阻增加?；魻栐慕M成及符號表示19霍爾元件由霍爾片、引線和殼體組成?；魻柶菈K矩形半導(dǎo)體薄片。在短邊的兩個端面上焊出兩根控制電流端引線（見圖7-11中1、1′），在長邊中點以點焊形式焊出兩根霍爾電勢輸出端引線（見圖7-11中2、2′）?；魻栐Ｓ萌鐖D7-12所示的符號表示。圖7-11

霍爾元器件示意圖圖7-12霍爾元器件的符號霍爾元件的基本電路20如上圖所示，控制電流由電源E供給，R為調(diào)整電阻，以保證元件中得到所需要的控制電流。霍爾輸出端接負(fù)載RL，RL可以是一般電阻，也可以是放大器輸入電阻或表頭內(nèi)阻等。圖7-13

霍爾元器件的基本電路霍爾器件的電磁特性：

UH—I特性21當(dāng)磁場B恒定時，在一定溫度下測定控制電流I與霍爾電壓UH，可以得到圖7-14所示的線性關(guān)系。直線斜率稱為控制電流靈敏度KI圖7-14UH-I

特性曲線由此可見，靈敏度KH大的元件，其控制電流靈敏度KI一般也較大。但是靈敏度KH大的元件，其霍爾電壓輸出并不一定大，這是因為霍爾電壓的值與控制電流成正比的緣故?；魻柶骷碾姶盘匦裕?/p>

UH—B特性22當(dāng)控制電流保持不變時，元件的開路霍爾輸出隨磁場的增加不完全呈線性關(guān)系，而有非線性偏離，如下圖。從圖中可以看出：銻化銦（InSb)的霍爾輸出對磁場的線性度不如鍺(Ge)。通?；魻栐ぷ髟?.5T以下時線性度較好。在使用中，若對線性度要求很高時，可以采用HZ-4，它的線性偏離一般不大于0.2%。圖7-15UH-B特性曲線誤差分析及其補償：不等位電壓23由于制作霍爾元件時，不可能保證將霍爾電極焊在同一等位面上，如圖7-16，因此當(dāng)控制電流I流過元件時，即使磁感應(yīng)強度等于零，在霍爾電極上仍有電壓存在，該電勢稱為不等位電壓U0。補償方法：把霍爾元件等效為一個電橋，用電橋平衡的方法補償。圖7-16不等位電壓示意圖圖7-17霍爾元件的等效電路誤差分析及其補償：寄生電流電壓24由于霍爾元件的電極不可能做到完全的歐姆接觸，在控制電流極和霍爾電極上均可能出現(xiàn)整流效應(yīng)。因此，當(dāng)元件不加磁場的情況下通入交流控制電流時，它的輸出除了交流不等位電勢外，還有一直流分量，稱為寄生直流電勢。其大小與工作電流有關(guān)，隨著工作電流的減小，直流電勢將迅速減小。誤差分析及其補償：溫度誤差25霍爾元件與一般半導(dǎo)體器件一樣，對溫度變化十分敏感?；魻栐男阅軈?shù)，如內(nèi)阻、霍爾電壓等均將隨溫度變化。為了減少霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件（如砷化銦）或采用恒溫措施外，還可采用恒流源供電。但是采用恒流源供電不能完全解決霍爾電壓的穩(wěn)定問題，因此還應(yīng)采用其他補償方法?；魻柺絺鞲衅髟跓o人裝備中的應(yīng)用261.轉(zhuǎn)速傳感器2.壓力傳感器（a）多永磁體

（b）單永磁體圖7-18霍爾式傳感器轉(zhuǎn)速測量原理霍爾元件組成的測量頭置于永磁體附近，當(dāng)被測物以角ω旋轉(zhuǎn)，每個永磁體通過測量頭時，霍爾器件上即產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖，測量單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)目，便可推出被測物的旋轉(zhuǎn)速度?；魻柺絺鞲衅髟跓o人裝備中的應(yīng)用271.轉(zhuǎn)速傳感器2.