1、第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器第6章 磁电式传感器 Magneto electric sensors第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器6.1 6.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁电感应式传感器又称电动势式传感器，是利用电磁感应原理磁电感应式传感器又称电动势式传感器，是利用电磁感应原理将被测量将被测量(如振动、位移、转速等如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。转换成电信号的一种传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的。它是一种的。它是一种机机-电能量变换型电能量变换型传感器，传感器
2、，不需要供电电源不需要供电电源，电路简，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为一般为10101000 Hz)1000 Hz)，所以得到普遍应用。，所以得到普遍应用。磁电感应式传感器是以磁电感应式传感器是以电磁感应原理电磁感应原理为基础的。由法拉第电磁为基础的。由法拉第电磁感应定律可知，感应定律可知，N N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势E E(V)(V)的大小取决于穿过的大小取决于穿过线圈的磁
3、通线圈的磁通 的变化率，即的变化率，即ddENt Wb第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之间作磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之间作相对运动；磁路中磁阻的变化；恒定磁场中线圈面积的变化等，相对运动；磁路中磁阻的变化；恒定磁场中线圈面积的变化等，一般可将磁电感应式传感器分为一般可将磁电感应式传感器分为恒磁通式恒磁通式和和变磁通式变磁通式两类。两类。6.1.1 6.1.1 恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感恒磁通式磁电感应传感器结构中，工
4、作气隙中的磁通恒定，感应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割线圈切割磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度d dx/x/d dt t成正比的感应电动势成正比的感应电动势E E，其大小为，其大小为ddxENBlt 式中：式中：N N为线圈在工作气隙磁场中的匝数；为线圈在工作气隙磁场中的匝数；B B为工作气隙磁感应为工作气隙磁感应强度；强
5、度；l l为每匝线圈平均长度。为每匝线圈平均长度。当传感器结构参数确定后，当传感器结构参数确定后，N N、B B和和l l均为恒定值，均为恒定值，E E与与d dx/x/d dt t成正成正比，根据感应电动势比，根据感应电动势E E的大小就可以知道被测速度的大小。的大小就可以知道被测速度的大小。由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传感器的灵敏度感器的灵敏度(E E/v v)是随振动频率而变化的；当振动频率远大于是随振动频率而变化的；当振动频率远大于固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近固有频率时，传感器
6、的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随振动频率增加而下降。振动频率增加而下降。不同结构的恒磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的，不同结构的恒磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的，但一般频响范围为几十赫至几百赫。低的可到但一般频响范围为几十赫至几百赫。低的可到10 Hz10 Hz左右，高的左右，高的可达可达2 kHz2 kHz左右。左右。第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器6.1.2 6.1.2 变磁通式磁电感应传感器结构与工作原理变磁通式磁电感应传感器结构与工作原
7、理变磁通式磁电感应传感器一般做成转速传感器，产生感应电动变磁通式磁电感应传感器一般做成转速传感器，产生感应电动势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化的频率。势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化的频率。变磁通式转速传感器的结构有开磁路和闭磁路两种。变磁通式转速传感器的结构有开磁路和闭磁路两种。如图所示开磁路变磁通式转速传感器。如图所示开磁路变磁通式转速传感器。测量齿轮测量齿轮4 4安装在被测转轴上与其一起安装在被测转轴上与其一起旋转。当齿轮旋转时，齿的凹凸引起旋转。当齿轮旋转时，齿的凹凸引起磁阻的变化，从而使磁通发生变化，磁阻的变化，从而使磁通发生变化，因而在线圈因而在线圈3
8、3中感应出交变的电势，其中感应出交变的电势，其频率等于齿轮的齿数频率等于齿轮的齿数Z和转速和转速n的乘积，的乘积，即即式中：式中：Z为齿轮齿数；为齿轮齿数；n为被测轴转速为被测轴转速(v/min)；f为感应为感应电动势频率电动势频率(Hz)。这样当已知。这样当已知Z，测得，测得f就知道就知道n了。了。/60fZn第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器开磁路式转速传感器结构比较简单，但输出信号小，另外当被开磁路式转速传感器结构比较简单，但输出信号小，另外当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。在振动强的场测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器。
9、合往往采用闭磁路式转速传感器。第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器被测转轴带动椭圆形测量轮被测转轴带动椭圆形测量轮5 5在磁场气隙中等速转动，使气隙在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性地变化，因而磁路磁阻和磁通也同样周期性地平均长度周期性地变化，因而磁路磁阻和磁通也同样周期性地变化，则在线圈变化，则在线圈3 3中产生感应电动势，其频率中产生感应电动势，其频率f与测量轮与测量轮5 5的转的转速速n(r/min)成正比，即成正比，即f=n/30。在这种结构中，也可以用齿轮。在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮代替椭圆形测量轮5 5，软铁，软铁(极掌极掌)制成内齿轮形式，这时输出制成
10、内齿轮形式，这时输出信号频率信号频率f 同前式。同前式。变磁通式传感器对环境条变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在件要求不高，能在-150-150+90+90的温度下工作，不影的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，但它的工作频率下限较高，约为约为 50 Hz50 Hz，上限可达，上限可达100 kHz100 kHz。第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器 2 2振动测量振动测量工作频率工作频率1010500 Hz500 Hz最大可测加速度最大可测加速度5g5g精度精度1010固有频率固有频率12
11、 Hz12 Hz可测振幅范围可测振幅范围0.10.110001000 外形尺寸外形尺寸45mm45mm160 mm160 mm灵敏度灵敏度604 m604 mVscmVscm-1-1工作线圈内阻工作线圈内阻1.91.9质量质量0.7 kg0.7 kgmk1 1、88圆形弹簧片；圆形弹簧片；22圆环形阻尼器；圆环形阻尼器；33永久磁铁；永久磁铁；44铝架；铝架；55心轴；心轴；66工作线圈；工作线圈；77壳体；壳体；99引线引线6.1.3 6.1.3 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用1 1转速测量转速测量第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器3扭矩测量扭矩测量 当转轴不受扭矩时，两
12、线圈输出当转轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位差为零。当被测轴信号相同，相位差为零。当被测轴感受扭矩时，轴的两端产生扭转角，感受扭矩时，轴的两端产生扭转角，因此两个传感器输出的两个感应电因此两个传感器输出的两个感应电动势将因扭矩而有附加相位差动势将因扭矩而有附加相位差 。扭转角扭转角 与感应电动势相位差的关与感应电动势相位差的关系为系为式中：式中：z z为传感器定子、转子的齿为传感器定子、转子的齿数。数。0z0第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 霍尔式传感器是基于霍尔式传感器是基于霍尔效应霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的而将被测量转换成电动
13、势输出的一种传感器。霍尔器件是一种磁传感器，用它们可以检测磁场及一种传感器。霍尔器件是一种磁传感器，用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件具有许多霍尔器件具有许多优点优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达可达1 MHz)1 MHz)，耐振动，不怕，耐振动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。按照霍尔器件的功能可将它们分为：按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线性器件霍尔线性器件和和
14、霍尔开关霍尔开关器件器件，前者输出模拟量，后者输出数字量。，前者输出模拟量，后者输出数字量。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达可达 级级)。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达宽，可达-55-55+150+150。m第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器6.2.1 6.2.1 霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理1 1霍尔效应霍尔效应 半导体
15、薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B B 的磁场中，磁场方向垂直的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流于薄片，当有电流I I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势上将产生电动势E EH H，这种现象称为霍尔效应。这种现象称为霍尔效应。磁感应强度磁感应强度B B为零时的为零时的情况情况A AB BC CD D第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器当有图示方向磁场当有图示方向磁场B B作用时作用时 作用在半导体薄片上的磁场强度作用在半导体薄片上的磁场强度B B越强，霍尔电势也就越高。越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势霍尔电势E EH H
16、可用下式表示：可用下式表示：EH=KH IB第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片侧偏移，在半导体薄片A A、B B方向的端面之间建立起霍尔电方向的端面之间建立起霍尔电势。势。A AB BC CD D第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器可以推出，霍尔电动势可以推出，霍尔电动势UH的大小为：的大小为：HHcosUk IB式中：式中：kH为灵敏度系数，为灵敏度系数，kH=RH/d，表示在单位磁感应强度和单，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电动
17、势的大小位控制电流时的霍尔电动势的大小,与材料的物理特性（霍尔系与材料的物理特性（霍尔系数）和几何尺寸数）和几何尺寸d d有关；有关；霍尔系数霍尔系数RH1/(nq)，由材料物理性质，由材料物理性质所决定，所决定，q为电子电荷量为电子电荷量 ；n为为材料中的电子浓度。材料中的电子浓度。为为磁场磁场和薄片法线夹角。和薄片法线夹角。结论：结论：霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I I、磁感应强度磁感应强度B B成正比，且当成正比，且当B B的的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。为交
18、变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。金属材料中的自由电子浓度金属材料中的自由电子浓度n很高，因此很高，因此RH很小，不宜作霍尔很小，不宜作霍尔元件。霍尔元件多用载流子迁移率大的元件。霍尔元件多用载流子迁移率大的N型半导体材料制作型半导体材料制作。另外，霍尔元件越薄另外，霍尔元件越薄(d越小越小)，kH就越大，所以通常霍尔元件就越大，所以通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件的厚度只有都较薄。薄膜霍尔元件的厚度只有1 1 左右。左右。m第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器2 2霍尔元件霍尔元件霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片(一般为一般为4 mm4 mm2 mm2 m
19、m0.1 mm)0.1 mm)，经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极，经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。而薄膜霍尔元件则是在一片极薄的基片上最后焊上引线并封装。而薄膜霍尔元件则是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然后再制作欧姆接触电极，焊用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然后再制作欧姆接触电极，焊上引线最后封装。一般控制端引线采用红色引线，而霍尔输出端上引线最后封装。一般控制端引线采用红色引线，而霍尔输出端引线则采用绿色引线。霍尔元件的壳体用非导磁金属、陶瓷或环引线则采用绿色引线。霍尔元件的壳体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封
20、装。氧树脂封装。(a)(a)霍尔元件外形霍尔元件外形 (b)(b)电路符号电路符号 (c)(c)基本应用电路基本应用电路第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器3 3霍尔元件的主要特性及材料霍尔元件的主要特性及材料 1)1)霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数(1)(1)灵敏度灵敏度k kH H：表示元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所：表示元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所得到的开路霍尔电动势，单位为得到的开路霍尔电动势，单位为V/(AT)V/(AT)。(2)(2)霍尔输入电阻霍尔输入电阻R Rinin：霍尔控制电极间的电阻值。：霍尔控制电极间的电阻值。(3)(3)霍尔输出电阻
21、霍尔输出电阻R Routout：霍尔输出电极间的电阻值。：霍尔输出电极间的电阻值。(4)(4)霍尔元件的电阻温度系数霍尔元件的电阻温度系数：表示在不施加磁场的条件下，：表示在不施加磁场的条件下，环境温度每变化环境温度每变化11时电阻的相对变化率，单位为时电阻的相对变化率，单位为%/%/。(5)(5)霍尔寄生直流电势霍尔寄生直流电势U U0 0：在外加磁场为零、霍尔元件用交流激：在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电动势外，还有一直流电势，励时，霍尔电极输出除了交流不等位电动势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。称为寄生直流电势。(6)(6)霍尔最大允许激励电流霍尔
22、最大允许激励电流I Imaxmax：以霍尔元件允许最大温升为：以霍尔元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器 2)2)霍尔元件的材料霍尔元件的材料锗锗(GeGe)、硅、硅(SiSi)、锑化铟、锑化铟(InSbInSb)、砷化铟、砷化铟(InAsInAs)和砷化镓和砷化镓(GaAsGaAs)是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。表是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。表6 6-2 2所列所列为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。1 2/电阻率电阻率电子迁
23、移率电子迁移率 材料材料(单晶单晶)禁带宽度禁带宽度Eg/(eV)/(cm)/(cm/Vs)霍尔系数霍尔系数RH/(cmC-1-1)N型锗型锗(Ge)0.661.0350042504000N型硅型硅(Si)1.1071.5150022501840锑化铟锑化铟(InSb)0.170.005600003504200砷化铟砷化铟(InAs)0.360.0035250001001530磷砷铟磷砷铟(InAsP)0.630.08105008503000砷化镓砷化镓(GaAs)1.470.2850017003800哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高第第6 6章章 磁电式传感器磁电
24、式传感器不等位电动势产生的原因是由于制造工艺不等位电动势产生的原因是由于制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上。同一等位面上。6.2.2 6.2.2 霍尔元件的误差及补偿霍尔元件的误差及补偿 1 1霍尔元件的零位误差与补偿霍尔元件的零位误差与补偿霍尔元件的零位误差是指在无外加磁场或无控制电流的情况下，霍尔元件的零位误差是指在无外加磁场或无控制电流的情况下，霍尔元件产生输出电压并由此而产生的误差。它主要表现为以霍尔元件产生输出电压并由此而产生的误差。它主要表现为以下几种具
25、体形式。下几种具体形式。1)1)不等位电动势不等位电动势不等位电动势是零位误差中最主要的一种，不等位电动势是零位误差中最主要的一种，它是当霍尔元件在额定控制电流它是当霍尔元件在额定控制电流(元件在空气元件在空气中温升中温升1010所对应的电流所对应的电流)作用下，不加外磁作用下，不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载电动势。场时，霍尔输出端之间的空载电动势。第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器此外此外,霍尔片电阻率不均匀，或片厚薄不霍尔片电阻率不均匀，或片厚薄不均匀，或控制电流极接触不良都将使等位均匀，或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜，如图所示，致使两霍尔电极不在面歪斜，如图所示，致使两霍
26、尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势。同一等位面上而产生不等位电动势。2)2)寄生直流电势寄生直流电势在无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不等位电在无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不等位电压以外的直流分量称为寄生直流电势。产生寄生直流电势的原因压以外的直流分量称为寄生直流电势。产生寄生直流电势的原因有两个方面：有两个方面：(1)(1)由于控制电极焊接处接触不良而造成一种整流由于控制电极焊接处接触不良而造成一种整流效应，使控制电流因正、反向电流大小不等而具有一定的直流分效应，使控制电流因正、反向电流大小不等而具有一定的直流分量。量。(2)(2)输出电极焊点热容量不相
27、等产生温差电动势。对于锗霍输出电极焊点热容量不相等产生温差电动势。对于锗霍尔元件，当交流控制电流为尔元件，当交流控制电流为2020 mAmA时，输出电极的寄生直流电压时，输出电极的寄生直流电压小于小于100 100 。V第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器 3)3)感应零电动势感应零电动势感应零电动势是在未通电流的情况下，由于感应零电动势是在未通电流的情况下，由于脉动或交变磁场的作用，在输出端产生的电脉动或交变磁场的作用，在输出端产生的电动势。根据电磁感应定律，感应电动势的大动势。根据电磁感应定律，感应电动势的大小与霍尔元件输出电极引线构成的感应面积小与霍尔元件输出电极引线构成的感应面积成
28、正比，如图所示。成正比，如图所示。4)4)自激场零电动势自激场零电动势霍尔元件控制电流产生自激场，如图所示。霍尔元件控制电流产生自激场，如图所示。由于元件的左右两半场相等，故产生的电动由于元件的左右两半场相等，故产生的电动势方向相反而抵消。实际应用时由于控制电势方向相反而抵消。实际应用时由于控制电流引线也产生磁场，使元件左右两半场强不流引线也产生磁场，使元件左右两半场强不等，因而有霍尔电动势输出，这一输出电动等，因而有霍尔电动势输出，这一输出电动势即是自激场零电动势。势即是自激场零电动势。第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器在上述的在上述的4 4种零位误差中，寄生直流电动势、感应零电动势以
29、及种零位误差中，寄生直流电动势、感应零电动势以及自激场零电动势，是由于制作工艺上的原因而造成的误差，可以自激场零电动势，是由于制作工艺上的原因而造成的误差，可以通过工艺水平的提高加以解决。而不等位电动势所造成的零位误通过工艺水平的提高加以解决。而不等位电动势所造成的零位误差，则必须通过补偿电路给予克服。差，则必须通过补偿电路给予克服。在理想情况下在理想情况下R R1 1=R R2 2=R R3 3=R R4 4，即可取得零位电动势为零，即可取得零位电动势为零(或零位电阻或零位电阻为零为零)，从而消除不等位电动势。实际上，若存在零位电动势，则，从而消除不等位电动势。实际上，若存在零位电动势，则说
30、明此说明此4 4个电阻不完全相等，即电桥不平衡。为使其达到平衡，可个电阻不完全相等，即电桥不平衡。为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联可调电阻在阻值较大的桥臂上并联可调电阻R RP P或在两个臂上同时并联电阻或在两个臂上同时并联电阻R RP P和和R R。霍尔元件结构及等效电路如图霍尔元件结构及等效电路如图第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔元件零位误差补偿电路霍尔元件零位误差补偿电路 2 2霍尔元件的温度误差及补偿霍尔元件的温度误差及补偿与一般半导体一样，由于电阻率、迁移率以及载流子浓度随温与一般半导体一样，由于电阻率、迁移率以及载流子浓度随温度变化，所以霍尔元件的性能参数如输入
31、、输出、电阻、霍尔度变化，所以霍尔元件的性能参数如输入、输出、电阻、霍尔常数等也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。常数等也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器将温度每变化将温度每变化11时，霍尔元时，霍尔元件输入电阻或输出电阻的相对件输入电阻或输出电阻的相对变化率变化率R Ri i/R Ro o称为内阻温度系称为内阻温度系数，用数，用 表示。表示。将温度每变化将温度每变化11时，霍尔电时，霍尔电压的相对变化率压的相对变化率U UHtHt/U UH0H0称为霍称为霍尔电压温度系数，用尔电压温度系数，用 表示。表示。哪种材料制作的霍
32、尔元件温度误差小哪种材料制作的霍尔元件温度误差小第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器几种温度误差的补偿方法几种温度误差的补偿方法1)1)采用恒压源和输入回路串联电阻采用恒压源和输入回路串联电阻 补偿基本电路及等效电路如图补偿基本电路及等效电路如图霍尔电压随温度变化的关系式为：霍尔电压随温度变化的关系式为：HtHitREBURRd 对上式求温度的导数对上式求温度的导数得，得，要使温度变化时霍尔电压不变，必要使温度变化时霍尔电压不变，必须使外接电阻：须使外接电阻：i0()RR第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器 2)2)合理选择负载电阻合理选择负载电阻R RL L的阻值的阻值霍尔元件的输出
33、电阻霍尔元件的输出电阻R Ro o和霍尔电动势和霍尔电动势U UH H都是温度的函数都是温度的函数(设为正设为正温度系数温度系数)，当霍尔元件接有负载，当霍尔元件接有负载R RL L时，在时，在R RL L上的电压为：上的电压为：LH00LLo001()1()R UttURRtt为了负载上的电压不随温度变化，应使为了负载上的电压不随温度变化，应使dUL/d(t-t0)=0，即，即Lo0(1)RR式中：式中：R Ro0o0为温度为温度t t0 0时的霍尔元件输出电阻。时的霍尔元件输出电阻。可采用串、并连电阻的方法使上式成立来补偿温度误差，但可采用串、并连电阻的方法使上式成立来补偿温度误差，但霍尔
34、元件的灵敏度将会降低。霍尔元件的灵敏度将会降低。第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器 3)3)采用温度补偿元件采用温度补偿元件(如热敏电阻、电阻丝如热敏电阻、电阻丝)这是一种常用的温度误差补偿方法。由于热敏电阻具有负温度这是一种常用的温度误差补偿方法。由于热敏电阻具有负温度系数，电阻丝具有正温度系数，可采用输入回路串接热敏电阻，系数，电阻丝具有正温度系数，可采用输入回路串接热敏电阻，输入回路并接电阻丝，或输出端串接热敏电阻对具有负温度系数输入回路并接电阻丝，或输出端串接热敏电阻对具有负温度系数的锑化铟材料霍尔元件进行温度补偿。可采用输入端并接热敏电的锑化铟材料霍尔元件进行温度补偿。可采用输
35、入端并接热敏电阻方式对输出具有正温度系数的霍尔元件进行温度补偿。一般来阻方式对输出具有正温度系数的霍尔元件进行温度补偿。一般来说，温度补偿电路、霍尔元件和放大电路应集成在一起制成集成说，温度补偿电路、霍尔元件和放大电路应集成在一起制成集成霍尔传感器。霍尔传感器。6.2.3 6.2.3 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔元件具有结构牢固、工艺成熟、体积小、寿命长、线性度霍尔元件具有结构牢固、工艺成熟、体积小、寿命长、线性度好、频率高、耐振动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染好、频率高、耐振动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀的优点，目前，霍尔传感器是全球使用量排名第三的传或腐蚀的优点
36、，目前，霍尔传感器是全球使用量排名第三的传感器产品，它被广泛应用到工业、汽车业、计算机、手机以及感器产品，它被广泛应用到工业、汽车业、计算机、手机以及新兴消费电子领域中。新兴消费电子领域中。第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器 1 1霍尔元件基本电路连接方法霍尔元件基本电路连接方法 霍尔元件有无铁心型、铁心型、测试用探针霍尔集成电路等几霍尔元件有无铁心型、铁心型、测试用探针霍尔集成电路等几种类型，有种类型，有3 3脚、脚、4 4脚、脚、5 5脚元件等几种结构形式脚元件等几种结构形式,如图如图是是3 35 5脚脚(端子端子)的霍尔元件的基本电路连接方法。的霍尔元件的基本电路连接方法。(a)3
37、(a)3脚元件脚元件 (b)4(b)4脚元件脚元件 (c)5(c)5脚元件脚元件 第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器两种霍尔元件定电压驱动电路两种霍尔元件定电压驱动电路 两种霍尔元件定电流驱动电路两种霍尔元件定电流驱动电路第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器 2 2霍尔集成电路霍尔集成电路在一个晶片中形成有霍尔元件及放大并控制其在一个晶片中形成有霍尔元件及放大并控制其输出电压的电路输出电压的电路，而具有磁场而具有磁场-电气变换机能的固态组件称为霍尔集成电路。电气变换机能的固态组件称为霍尔集成电路。霍尔集成电路的构造如图。霍尔集成电路的构造如图。依输出信号的性质不依输出信号的性质不同，
38、霍尔集成电路可同，霍尔集成电路可分为线性型和开关性分为线性型和开关性型两类。线性型霍尔型两类。线性型霍尔集成电路可以获得与集成电路可以获得与磁场强度成正比的输磁场强度成正比的输出电压。磁场灵敏度出电压。磁场灵敏度虽然可利用电路的放虽然可利用电路的放大加以调节。较典型大加以调节。较典型的线性型霍尔器件如的线性型霍尔器件如UGN3501UGN3501等。等。第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器密特触发器、OCOC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯门（集电极开路输出门）等电路
39、做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OCOC门由高阻态变门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OCOC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如如UGN3020UGN3020等。等。.第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器开关型霍尔集成电路的外形及内部电路开关型霍尔集成电路的外形及内部电路 OCOC门门施密特触施密特触发电路发电路 双端输入、双端输入、单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件
40、元件.VccVcc第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器开关型霍尔集成电路（开关型霍尔集成电路（OC门门输出）的与继电器的连接输出）的与继电器的连接第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器3 3霍尔传感器在汽车中的应用霍尔传感器在汽车中的应用霍尔转速传感器霍尔转速传感器 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的
41、微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N霍尔器件霍尔器件磁铁磁铁第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当当齿齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔转速表的其他安装方法霍尔转速表的其他安装方法 只要黑色金属旋转体
42、的表面存在缺口或突起，就可产生磁只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。霍尔霍尔元件元件磁铁磁铁第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器4 4磁场检测磁场检测磁场测量高斯计磁场测量高斯计第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器5 5电流测量电流测量霍尔钳形电流表霍尔钳形电流表 测量原理测量原理 第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器6 6旋转参数测量旋转参数测量(a)(a)径向磁极径向磁极(b)(b)轴向磁极轴向磁极 (c)(c)遮断式遮断式第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器7 7霍尔机械振动传感器霍尔机械振动传感器11霍尔元件；霍尔元件；22平板；平板；33顶杆；顶杆；44触点；触点；55外壳；外壳；66磁系统磁系统第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器8 8霍尔加速度传感器霍尔加速度传感器
