第7章 磁電式傳感器和霍爾傳感器

1、1 第第7 7章章 磁電式傳感器和霍爾傳感器磁電式傳感器和霍爾傳感器 磁電式傳感器：磁電式傳感器：測(cè)量對(duì)象是力學(xué)量，屬力敏元件。測(cè)量對(duì)象是力學(xué)量，屬力敏元件。 霍爾傳感器：霍爾傳感器：測(cè)量對(duì)象是磁場(chǎng)，屬磁敏元件。測(cè)量對(duì)象是磁場(chǎng)，屬磁敏元件。 總之，這兩種傳感器是屬于不同的傳感器?？傊@兩種傳感器是屬于不同的傳感器。 2 7.1 磁電式傳感器磁電式傳感器 一一.磁電式傳感器：磁電式傳感器：由電磁感應(yīng)現(xiàn)象做成的傳感器由電磁感應(yīng)現(xiàn)象做成的傳感器 二二.磁電式傳感器與電感式傳感器的比較磁電式傳感器與電感式傳感器的比較 1.相同點(diǎn)：相同點(diǎn)：歸根到底，它們的工作原理都是電磁感應(yīng)。歸根到底，它們的工作原理

2、都是電磁感應(yīng)。 2.不同點(diǎn)不同點(diǎn): (1)磁電式傳感器磁電式傳感器 電磁感應(yīng)的磁場(chǎng)由永久磁鐵提供，故不需要外接電源。電磁感應(yīng)的磁場(chǎng)由永久磁鐵提供，故不需要外接電源。 (2)電感式傳感器電感式傳感器 電磁感應(yīng)的磁場(chǎng)由變化電流提供，故需要外接電源。電磁感應(yīng)的磁場(chǎng)由變化電流提供，故需要外接電源。 3 7.2霍爾傳感器霍爾傳感器 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)做成的傳感器。霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)做成的傳感器。 一一. 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 霍爾效應(yīng)就是在霍爾效應(yīng)就是在磁場(chǎng)中磁場(chǎng)中放入放入通電的導(dǎo)體通電的導(dǎo)體，那么在垂直于磁，那么在垂直于磁 場(chǎng)和電流的方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。場(chǎng)和電流的方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。 具體

3、分析如下。具體分析如下。 bvbu b u qqeqvb ff h h h : , 霍爾電勢(shì) 達(dá)到平衡時(shí) 電洛 7.2.1 霍爾效應(yīng)及霍爾元件霍爾效應(yīng)及霍爾元件 4 bvbu h :霍爾電勢(shì) nebd i v ij bdnevbdji )(的電流密度指 又 ned ib nebd i bbuh 則靈敏度令霍爾系數(shù),/ 1 :, 1 :dr ned k ne r hhh ibk d ib ru hhh 說(shuō)明說(shuō)明: 1.i已知，測(cè)出已知，測(cè)出uh就可測(cè)出就可測(cè)出b(磁敏元件磁敏元件)。 5 2.:/ 1 的討論靈敏度dr ned k hh (1) ),2( )( 參見(jiàn)霍爾元件特性個(gè)值小些好但這大和

4、 故霍爾傳感器做成薄片大 小 oi h rr k d (2) 爾傳感器的材料。故一般選半導(dǎo)體做為霍 小很小大絕緣體 小很小大金屬 又 大。大 h h h hh r r r kr ,: ,: 6 二二. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 1.結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：四個(gè)引線，霍爾片，外殼四個(gè)引線，霍爾片，外殼 1-1 ：輸入電流端輸入電流端(輸入端、電流端輸入端、電流端)， 激勵(lì)端，控制端激勵(lì)端，控制端 2-2 ：輸出霍爾電壓端輸出霍爾電壓端(輸出端、電壓輸出端、電壓 端、霍爾端端、霍爾端) 2.符號(hào)符號(hào): 7 三三. 基本特性和基本概念基本特性和基本概念(參見(jiàn)表參見(jiàn)表7-1) 1.額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流額定激勵(lì)電

5、流和最大允許激勵(lì)電流 額定激勵(lì)電流：額定激勵(lì)電流：使傳感器升高使傳感器升高10的輸入電流的輸入電流 最大允許激勵(lì)電流：最大允許激勵(lì)電流：使傳感器升高最大允許溫度的輸使傳感器升高最大允許溫度的輸 入入 電流。電流。 (1)最大允許溫升最大允許溫升10i額 額 i最大最大。 。 (2) i最大 最大越大 越大uh越大。故越大。故i最大越大越好。最大越大越好。 8 2.輸入電阻輸入電阻ri和輸出電阻和輸出電阻ro (1)ri：激勵(lì)電極間的電阻，又叫控制內(nèi)阻。激勵(lì)電極間的電阻，又叫控制內(nèi)阻。 ro：霍爾電極間的電阻，又叫霍爾內(nèi)阻?；魻栯姌O間的電阻，又叫霍爾內(nèi)阻。 (2)ri和和ro越小越好。越小越好。

6、 ri?。盒。篿一定時(shí)，損耗越小。一定時(shí)，損耗越小。ro?。簬ж?fù)載能力強(qiáng)。?。簬ж?fù)載能力強(qiáng)。 (3)由表由表7-1知知, hz-1型：型：100，hz-4型：型：40，ht-2型：型：0.5。 9 3.不等位電勢(shì)不等位電勢(shì) 0: 0: 0, 0 h hh u ibku ib 實(shí)際上 理論上 不等位電勢(shì)不等位電勢(shì) (1)產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 霍爾電極安裝不對(duì)稱霍爾電極安裝不對(duì)稱 0 ,0, 0 bah ba uuu uuib時(shí) 半導(dǎo)體電阻率不均勻半導(dǎo)體電阻率不均勻 r1和和r2是從是從a極看過(guò)去的電阻。極看過(guò)去的電阻。 r3和和r4是從是從b極看過(guò)去的電阻。極看過(guò)去的電阻。 , 0/: , 0/:

7、4321 4321 hba hba uuurrrr uuurrrr 電阻率不均勻 電阻率均勻 幾何尺寸不均勻或電極接觸不良。幾何尺寸不均勻或電極接觸不良。(分析同分析同和和) 10 (2)補(bǔ)償方法補(bǔ)償方法 所有原因的不等位電勢(shì)都可以由其等效電路解釋所有原因的不等位電勢(shì)都可以由其等效電路解釋 )(0 , , 0 : 4321 4321 存在不等位電勢(shì) 不等時(shí) 正常工作時(shí) h h u rrrr urrrr 補(bǔ)償方法補(bǔ)償方法 0/, 43214321 h urrrrrrrr使得改變不變和讓 11 4.寄生直流電勢(shì)寄生直流電勢(shì) )sin(: )sin(: sin, 0 0 tuuu tuu tiib

8、mh mh m 實(shí)際上 不等位電勢(shì)理論上 寄生直流電勢(shì)寄生直流電勢(shì) (2)產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 兩對(duì)電極的非歐姆接觸兩對(duì)電極的非歐姆接觸 (1) 歐姆接觸：歐姆接觸：u=ir 非歐姆接觸：非歐姆接觸：u與與i非線性非線性 成分傅里葉分解后含有直流輸出非正弦輸入正弦 非線性 溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)(參見(jiàn)參見(jiàn)15.1.3熱電偶熱電偶) )(直流電勢(shì)出現(xiàn)溫差電勢(shì)溫升不一樣 熱容量不一樣兩霍爾極大小不對(duì)稱 12 5.溫度誤差溫度誤差 (1)產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 解釋溫度誤差的等解釋溫度誤差的等 效電路如右。效電路如右。 由圖很容易知道，輸出電壓由圖很容易知道，輸出電壓ul的溫度誤差由以下的溫度誤差由以下3個(gè)因素引個(gè)

9、因素引 起起: 變化溫度t 變化變化變化變化 lhhi uuir 變化變化 變化變化和 lh hhh uu drkrd / 變化變化 lo ur 13 (2)描述溫度誤差大小的物理量描述溫度誤差大小的物理量(溫度系數(shù)溫度系數(shù)) 霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)霍爾電勢(shì)溫度系數(shù) 定義：定義：i、b一定時(shí)，溫度變化一定時(shí)，溫度變化1 (t=1)所對(duì)應(yīng)的霍所對(duì)應(yīng)的霍 爾電壓相對(duì)變化值爾電壓相對(duì)變化值(uh/uh0)，即，即 )1 ( , )1 ( / )(/ tkk biibku tuu t uuu t uu hoh hh hoh hohohhoh 一定及又 可見(jiàn)，可見(jiàn)，是描述是描述靈敏度溫度誤差大小靈敏度溫度誤差

10、大小的物理量。的物理量。 原因原因 14 內(nèi)阻溫度系數(shù)內(nèi)阻溫度系數(shù) 定義：溫度變化定義：溫度變化1 所對(duì)應(yīng)的輸入或輸出電阻的相對(duì)變所對(duì)應(yīng)的輸入或輸出電阻的相對(duì)變 化值，即化值，即 )1 ()1 ( / )(/ )( 00 0000 trrtrr t rrr t rrr ooii oooiii 或 可見(jiàn)，可見(jiàn)，是描述是描述內(nèi)阻溫度誤差大小內(nèi)阻溫度誤差大小的物理量。的物理量。 原因原因和和 15 (2)溫度誤差的補(bǔ)償溫度誤差的補(bǔ)償 分兩種情況討論：分兩種情況討論：rl很大和很大和rl較小。較小。 rl很大很大 即可只需討論 的溫度誤差和只考慮不影響輸出 輸出端看成開路很大 hhl hio l uu

11、u krr r , 又分兩種情況討論：又分兩種情況討論：激勵(lì)源是恒流源和恒壓源。激勵(lì)源是恒流源和恒壓源。 16 (a)激勵(lì)端加恒流源激勵(lì)端加恒流源(如圖如圖7-14) s pi p h ho tt hoh hhh i rr r i tktkk biku )1 ()1 ( 的電阻溫度系數(shù)。指rptrrtrr ppii ),1 (),1 ( 00 )( )1 ()1 ( )1 ( )1 ( 00 0 0 bi trtr tr tku s ip p hh )(0, 00 0 00 bi rr r kut s ip p hh 溫度沒(méi)有變化時(shí) )(, 0 hh uu則無(wú)溫度誤差 由由()、()、()式式

12、,可解得可解得 0 0 )( i p r r 對(duì)于對(duì)于rp,選擇合適的選擇合適的rp0和和滿足上式滿足上式, ,就可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。就可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 17 (b)激勵(lì)端加恒壓源激勵(lì)端加恒壓源 si s hhhh rr u ibiku , )1 (),1 ( 00 trrtrr ssii )1 (tkk hoh )( )1 ()1 ( )1 ( 00 0 b trtr u tku is s hh )(0, 00 00 b rr u kut is s hh 溫度沒(méi)有變化時(shí) )(, 0 hh uu則無(wú)溫度誤差 由由()、()、()式式,可解得可解得 00is rr 對(duì)于對(duì)于rs，選擇合適的，選擇合適

13、的rs0和和滿足上式，就可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。滿足上式，就可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 18 rl較小，還要考慮較小，還要考慮ro的影響的影響 (a)激勵(lì)端加恒流源激勵(lì)端加恒流源 采用恒流源且采用恒流源且rs加在輸出回路加在輸出回路, 則不考慮則不考慮ri的溫度誤差的溫度誤差. h los l l u rrr r u )1 (, s tuubi hoh 故一定 )1 (),1 ( 00 trrtrr ssoo )()1 ( )1 ()1 ( 0 00 tu rtrtr r u h lso l l 0,t溫度沒(méi)有變化時(shí) )( 0 00 0 h lso l l u rrr r u )(, 0 ll uu則無(wú)溫度誤差

14、 由由()、()、()式式,可解得補(bǔ)償條可解得補(bǔ)償條 件件 lo s rr r 0 0 )( (b)激勵(lì)端加恒壓源激勵(lì)端加恒壓源（參見(jiàn)習(xí)題（參見(jiàn)習(xí)題7-8) 19 7.2.1 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用 一一. i一定，一定，uhb，可測(cè)出，可測(cè)出b和和b相關(guān)的物理量相關(guān)的物理量 如位移如位移(力、加速度力、加速度)，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速(計(jì)數(shù)計(jì)數(shù))，電流，電流 1.測(cè)微位移測(cè)微位移 傳感器結(jié)構(gòu)圖如下，圖中的傳感器結(jié)構(gòu)圖如下，圖中的x表示霍爾元件的位移。表示霍爾元件的位移。 20 上述三種情況的上述三種情況的b-x圖如左圖。圖如左圖。 (1)由圖知，由圖知，(a)、(b)、(c)的曲線都有一的曲線

15、都有一 段線性區(qū)，段線性區(qū)，在線性區(qū)：在線性區(qū)： bx，可見(jiàn)測(cè)出，可見(jiàn)測(cè)出b,就可測(cè)出就可測(cè)出x，這就，這就 是測(cè)位移是測(cè)位移x的原理。的原理。 (2)(a)、(b)、(c)的曲線不同特點(diǎn)：的曲線不同特點(diǎn)： (b)圖：圖：線性范圍窄；線性范圍窄；x=0時(shí)，時(shí)，b0。 (a)圖：圖：線性范圍寬線性范圍寬(-2mm2mm)； x=0時(shí)時(shí),b=0;斜率最小斜率最小,靈敏度最低。靈敏度最低。 (c)圖：圖：線性范圍窄線性范圍窄(-0.5mm0.5mm)； x=0時(shí)，時(shí)，b=0；斜；斜 率最高，靈敏度最高。率最高，靈敏度最高。 21 2.測(cè)轉(zhuǎn)速測(cè)轉(zhuǎn)速 (1)組成：組成： 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤2粘一個(gè)磁鐵粘一個(gè)磁鐵

16、3(圖圖a,b,c)或者或者m個(gè)個(gè) 磁鐵磁鐵(圖圖d) 。 在轉(zhuǎn)盤旁邊放一在轉(zhuǎn)盤旁邊放一 霍爾傳感器霍爾傳感器4。 22 (2)工作原理工作原理 當(dāng)磁鐵沒(méi)經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)傳感器一次，傳感器就輸出一次霍爾電當(dāng)磁鐵沒(méi)經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)傳感器一次，傳感器就輸出一次霍爾電 壓，經(jīng)處理后就輸出一個(gè)脈沖。壓，經(jīng)處理后就輸出一個(gè)脈沖。 圖圖a、b、c只一個(gè)磁鐵，故在轉(zhuǎn)盤的一個(gè)周期只一個(gè)磁鐵，故在轉(zhuǎn)盤的一個(gè)周期 t內(nèi)只一個(gè)脈沖。內(nèi)只一個(gè)脈沖。 圖圖d有有m個(gè)磁鐵，故在轉(zhuǎn)盤的一個(gè)周期個(gè)磁鐵，故在轉(zhuǎn)盤的一個(gè)周期 t內(nèi)有內(nèi)有m個(gè)脈沖。個(gè)脈沖。 測(cè)出相鄰脈沖的時(shí)間間隔測(cè)出相鄰脈沖的時(shí)間間隔t0 ，則，則 a、b、c: 0 11 tt

17、nd: 0 11 mtt n 23 3.計(jì)數(shù)計(jì)數(shù) (1)原理：原理：同測(cè)轉(zhuǎn)速，通過(guò)一物體，輸出一脈沖，脈沖的個(gè)數(shù)同測(cè)轉(zhuǎn)速，通過(guò)一物體，輸出一脈沖，脈沖的個(gè)數(shù) 及被測(cè)物體個(gè)數(shù)。及被測(cè)物體個(gè)數(shù)。 (2)計(jì)數(shù)和轉(zhuǎn)速測(cè)量一般計(jì)數(shù)和轉(zhuǎn)速測(cè)量一般都采用開關(guān)型霍爾集成傳感器。都采用開關(guān)型霍爾集成傳感器。 (3)開關(guān)型霍爾集成傳感器：開關(guān)型霍爾集成傳感器：其輸出最大可達(dá)其輸出最大可達(dá)20v，教材的，教材的 sl3501只有只有20mv的輸出，故還需接放大器。的輸出，故還需接放大器。 二二.b一定，一定，uhi，可測(cè)出，可測(cè)出i和和i相關(guān)的物理量相關(guān)的物理量(如電壓如電壓) 4.電流測(cè)量：電流測(cè)量：把把ib，測(cè)出，測(cè)出b就可測(cè)出就可測(cè)出i。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):可實(shí)現(xiàn)電流的非接觸式測(cè)量?？蓪?shí)現(xiàn)電流的非接觸式測(cè)量。 24 rl：負(fù)載電阻負(fù)載電阻 r：限流電阻限流電阻 ul、il：負(fù)載電壓和電流負(fù)載電壓和電流 i：激勵(lì)電流激勵(lì)電流 uh：霍爾電壓霍爾電壓 il在傳感器處的磁場(chǎng)為在傳感器處的磁場(chǎng)為: l i r b 2 0 llll i h hh ikuiu rrr k ibku )(2 0 于是于是霍爾電勢(shì)為霍爾電勢(shì)為: )sin(u,sinituti mlml 設(shè) )2cos(cos 2 iku )sin(sinikutttu mm mmh 對(duì)對(duì)uh低通濾波，得到低通