第五章電動勢式傳感器原理與應(yīng)用

1、2本章教學本章教學: :p了解磁電式傳感器的種類與應(yīng)用特點；了解磁電式傳感器的種類與應(yīng)用特點；p掌握霍爾傳感器的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。特性和轉(zhuǎn)換電路；掌握霍爾傳感器的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。特性和轉(zhuǎn)換電路；p理解壓電效應(yīng)的機理；理解壓電效應(yīng)的機理；p了解常用壓電材料的種類與特性了解常用壓電材料的種類與特性p掌握壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)、等效電路、測量電路和應(yīng)用掌握壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)、等效電路、測量電路和應(yīng)用范圍。范圍。p理解電動勢式傳感器的設(shè)計思想和設(shè)計要點，從中領(lǐng)會理解電動勢式傳感器的設(shè)計思想和設(shè)計要點，從中領(lǐng)會應(yīng)用中應(yīng)注意的問題；明確各種傳感器的應(yīng)用范圍。應(yīng)用中應(yīng)注意的問題；明確各種傳感器的應(yīng)用范圍。3

2、介紹磁電式傳感器、霍爾傳感器和壓電式傳感器的介紹磁電式傳感器、霍爾傳感器和壓電式傳感器的原理與應(yīng)用。這幾種傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換為電動勢的原理與應(yīng)用。這幾種傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換為電動勢的裝置。磁電式傳感器應(yīng)用磁感應(yīng)原理工作，常用來測量裝置。磁電式傳感器應(yīng)用磁感應(yīng)原理工作，常用來測量振動與轉(zhuǎn)速；霍爾元件的工作原理是霍爾效應(yīng)，多用于振動與轉(zhuǎn)速；霍爾元件的工作原理是霍爾效應(yīng)，多用于測量位移和壓力；壓電式傳感器的工作原理是壓電效應(yīng)測量位移和壓力；壓電式傳感器的工作原理是壓電效應(yīng)，常用來測量振動、加速度等動態(tài)物理量。，常用來測量振動、加速度等動態(tài)物理量。4 磁電式傳感器磁電式傳感器 霍爾傳感器霍爾傳感器

3、壓電式傳感器壓電式傳感器 本章本章重點：霍爾傳感器的原理與應(yīng)用；重點：霍爾傳感器的原理與應(yīng)用； 本章難點本章難點：霍爾傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成、測量方法。：霍爾傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成、測量方法。本章教學本章教學: :5 電磁感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，電磁感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器， 是利用是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）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。它不需要輔助電源，轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。它不需要輔助電源， 就能把被測對象的機械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，就能把被測對象的機械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種是一種有源傳感器有源傳感器。 由于它

4、輸出功率大，由于它輸出功率大， 且電路且電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，具有一定的工作帶簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，具有一定的工作帶寬（寬（10101000 Hz1000 Hz），所以得到普遍應(yīng)用。），所以得到普遍應(yīng)用。 但是只適合進行但是只適合進行動態(tài)動態(tài)測量。測量。 61、磁電式傳感器的工作原理、磁電式傳感器的工作原理2、動圈式磁電傳感器、動圈式磁電傳感器3、磁阻式磁電傳感器、磁阻式磁電傳感器4、磁電式傳感器的動態(tài)特性、磁電式傳感器的動態(tài)特性7法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律：根據(jù)電磁感應(yīng)定律，根據(jù)電磁感應(yīng)定律， 當導(dǎo)體當導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生在穩(wěn)恒均勻

5、磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為的感應(yīng)電勢為 dENdt 如果線圈是如果線圈是N N 匝，磁場強度是匝，磁場強度是B B，每匝線圈的平均長度，每匝線圈的平均長度l la a，線圈相對磁場運動的速度為線圈相對磁場運動的速度為=dxdx/ /dtdt，角速度為，角速度為則整個線圈中所產(chǎn)生的電動勢為：則整個線圈中所產(chǎn)生的電動勢為：aENBl v ENBSw S S為每匝線圈的平均截面積為每匝線圈的平均截面積8不同類型的磁電式傳感器9工作原理工作原理10工作原理工作原理 磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不

6、變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。中磁通也是恒定不變的。 其運動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁其運動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式），動圈式（圖（鐵（動鐵式），動圈式（圖（a a）和動鐵式（圖）和動鐵式（圖 (b)(b)）的工作原理是完全）的工作原理是完全相同的。相同的。 當殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量當殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，相對較大， 當振動頻率足夠高（遠大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣當振動頻率足夠高（遠大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，性很大，來不及隨振動體一起振動

7、， 近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，與線圈的相對運動切割磁力線， 從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。 11工作原理工作原理12工作原理工作原理13工作原理工作原理14工作原理工作原理如果在線圈運動部分的磁場強度如果在線圈運動部分的磁場強度B B是均勻的，是均勻的，則當線圈與磁場的相對速度為則當線圈與磁場的相對速度為時，線圈的感應(yīng)電動勢：時，線圈的感應(yīng)電動勢： sinaNBlE 當當9090，線圈的感應(yīng)電

8、動勢為：，線圈的感應(yīng)電動勢為：aNBlE 當當N N、B B和和l la a恒定不變時，恒定不變時，E E與與=dxdx/ /dtdt成正比，成正比，根據(jù)感應(yīng)電動勢根據(jù)感應(yīng)電動勢E E的大小就可以知道被測速度的大小。的大小就可以知道被測速度的大小。 15結(jié)構(gòu)磁電式傳感器構(gòu)成：磁電式傳感器構(gòu)成： 1 1、磁路系統(tǒng)：、磁路系統(tǒng)：由它產(chǎn)生恒定直流磁場。為了減小傳感器的由它產(chǎn)生恒定直流磁場。為了減小傳感器的體積，一般都采用永久磁鐵；體積，一般都采用永久磁鐵； 2 2、線圈：、線圈：由它運動切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由它運動切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。作為一個完整的磁電式傳感器，除了磁路系統(tǒng)和線圈外，還作

9、為一個完整的磁電式傳感器，除了磁路系統(tǒng)和線圈外，還有一些其它元件，如殼體、支承、阻尼器、接線裝置等。有一些其它元件，如殼體、支承、阻尼器、接線裝置等。16結(jié)構(gòu)圖圖5.1.2 5.1.2 磁電式振動傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖磁電式振動傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖1-1-彈簧片彈簧片 2-2-永久磁鐵永久磁鐵 3-3-阻尼器阻尼器 4-4-引線引線5-5-芯桿芯桿 6-6-外殼外殼 7-7-線圈線圈 8-8-彈簧片彈簧片17 線圈和磁鐵部分都是靜止的，與被測物連接而運動的部線圈和磁鐵部分都是靜止的，與被測物連接而運動的部分是用導(dǎo)磁材料制成的，在運動中，它們改變磁路的磁阻，分是用導(dǎo)磁材料制成的，在運動中，它們改變磁路

10、的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁通量，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。因而改變貫穿線圈的磁通量，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。用來測量用來測量轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的頻率作為輸出，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的頻率作為輸出，而電勢的頻率取決于磁通變化的頻率。而電勢的頻率取決于磁通變化的頻率。 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：開磁路、閉磁路：開磁路、閉磁路 1819開磁路1 1永久磁鐵永久磁鐵3 3感應(yīng)線圈感應(yīng)線圈2 2軟鐵軟鐵4 4齒輪齒輪 結(jié)構(gòu)比較簡單，但輸出信號較小，結(jié)構(gòu)比較簡單，但輸出信號較小，當被測軸振動較大時，傳感器輸出波形失真較大。當被測軸振動較大時，傳感器輸出波形失真較大。 20 開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，開

11、磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動， 測量齒輪安裝測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨被測體一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個齒，在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨被測體一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個齒， 齒的齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次， 線圈中產(chǎn)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪上齒數(shù)的乘生感應(yīng)電勢，其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪上齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。裝齒輪較危險而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。 60Znf 21閉磁路閉磁路磁阻式轉(zhuǎn)速

12、傳感器磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器采用在振動強的場合，有下限工作頻率（采用在振動強的場合，有下限工作頻率（50Hz 50Hz ）有上限工作頻率可達到（有上限工作頻率可達到（100Hz ）22 閉磁路變磁通式傳感器，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒閉磁路變磁通式傳感器，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。 當轉(zhuǎn)軸連當轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時，外齒輪不動，內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動，內(nèi)、接到被測轉(zhuǎn)軸上時，外齒輪不動，內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動，內(nèi)、外齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路外齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從

13、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)電動勢。中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動勢。 顯然，顯然， 感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。 23當測量電路接入磁電傳感器電路時，磁電傳感器的輸出電流當測量電路接入磁電傳感器電路時，磁電傳感器的輸出電流Io為為 式中： Rf測量電路輸入電阻； R線圈等效電阻。 0I=fRRE=fNBLvRR24而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為 00fffNBLvRUI RRR0fUfNBLRUSvRRB值大，靈敏度也大，因此要選用B值大的永磁材料；線圈的平均長度大也有助于提

14、高靈敏度，但這是有條件的，要考慮兩種情況：線圈電阻與指示器電阻匹配問題線圈電阻與指示器電阻匹配問題因傳感器相當于一個電壓源，為使指示器從傳感器獲得最大功率，必須使線圈的電阻等于指示器的電阻。線圈的發(fā)熱問題線圈的發(fā)熱問題傳感器線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，接上負載后，線圈中有電流流過而發(fā)熱。傳感器的電流靈敏度為傳感器的電流靈敏度為 0IfINBLSvRR25測量誤差測量誤差 當傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、受到機械振當傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、受到機械振動或沖擊時，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測量誤差，其相對誤差動或沖擊時，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測量誤差，其相對誤差為

15、：為：RdRldlBdBSdSII26測量誤差測量誤差 非線性誤差非線性誤差 主要原因：當磁電式傳感器在進行主要原因：當磁電式傳感器在進行測量時，傳感器線圈會有電流流過，這測量時，傳感器線圈會有電流流過，這時線圈會產(chǎn)生一定的交變磁通，此交變時線圈會產(chǎn)生一定的交變磁通，此交變磁通會疊加在永久磁鐵產(chǎn)生的傳感器工磁通會疊加在永久磁鐵產(chǎn)生的傳感器工作磁通上，導(dǎo)致氣隙磁通變化。作磁通上，導(dǎo)致氣隙磁通變化。 這種影響分為兩種情況這種影響分為兩種情況 27測量誤差測量誤差 當傳感器線圈相對磁場運動所產(chǎn)生的附加磁場與原工作磁場方向相反時，附加磁場將減弱工作磁場的作用，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而

16、降低。即當傳感器向上運動時，兩個磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用，使傳感器靈敏度降低； 當傳感器線圈相對磁場運動所產(chǎn)生的附加磁場與原工作磁場方向相同時，附加磁場將增強工作磁場的作用，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而增高。即當傳感器向下運動時，兩個磁場方向相同，增強了工作磁場的作用，使傳感器靈敏度增強； 這兩種情況將導(dǎo)致測量結(jié)果中出現(xiàn)非線性項，且速度越大，影響越明顯。這種非線性特性同時伴隨著傳感器輸出的諧波失真。 補償上述干擾的方法是在傳感器中加入補償線圈，補償線圈被通以一定的電流，適當選擇補償線圈的參數(shù)，使其產(chǎn)生的交變補償磁通可以與傳感器線圈本身產(chǎn)生的交變附加磁通相互抵消，從而達到

17、補償?shù)哪康摹?8測量誤差測量誤差 溫度誤差（溫度誤差（比較嚴重比較嚴重） 011221(1)(1)(1)(1)EtIRtRtRt 000100%III 溫度誤差補償辦法溫度誤差補償辦法：在結(jié)構(gòu)允許的情況下，在傳感器的磁鐵下設(shè)置在結(jié)構(gòu)允許的情況下，在傳感器的磁鐵下設(shè)置熱磁分路，進行溫度補償。熱磁分路，進行溫度補償。 熱磁分路片具有很大的負溫度系數(shù)。熱磁分路片具有很大的負溫度系數(shù)。 永久磁鐵的磁感應(yīng)強度隨溫度的增加而減小，傳感器永久磁鐵的磁感應(yīng)強度隨溫度的增加而減小，傳感器線圈是用銅線繞成的，線圈的電阻線圈是用銅線繞成的，線圈的電阻R R的溫度系數(shù)是正的，的溫度系數(shù)是正的，溫度增加溫度增加1010

18、，電阻大約增加，電阻大約增加4%4%。29 當被測物振動頻率低于傳感當被測物振動頻率低于傳感器的固有頻率時，傳感器的靈敏器的固有頻率時，傳感器的靈敏度是隨振動頻率的升高而明顯增度是隨振動頻率的升高而明顯增加的；加的；l在振動頻率更高（過大）的情況下，線圈阻抗增加，傳感器靈敏度會在振動頻率更高（過大）的情況下，線圈阻抗增加，傳感器靈敏度會隨著振動頻率的增加反而下降。隨著振動頻率的增加反而下降。l當振動頻率當振動頻率遠大于傳感器固有頻遠大于傳感器固有頻率時，傳感器的靈敏度接近為一個率時，傳感器的靈敏度接近為一個常數(shù)，它基本上不隨頻率變化，即在這一頻率范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓與常數(shù)，它基本上不隨頻率

19、變化，即在這一頻率范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓與振動速度成正比關(guān)系，這一頻段就是傳感器的理想工作頻段；振動速度成正比關(guān)系，這一頻段就是傳感器的理想工作頻段；3031磁電感應(yīng)式振動速度傳感器磁電感應(yīng)式振動速度傳感器 32測量扭矩時，需要兩個傳感測量扭矩時，需要兩個傳感器，將他們分別固定到被測器，將他們分別固定到被測軸的兩端，安裝時一個定子軸的兩端，安裝時一個定子齒與轉(zhuǎn)子齒相對，一個是齒齒與轉(zhuǎn)子齒相對，一個是齒與槽相對，當無轉(zhuǎn)矩時，扭與槽相對，當無轉(zhuǎn)矩時，扭矩角為零，則兩個傳感器輸矩角為零，則兩個傳感器輸出相位差為出相位差為0 0或者或者180180度的兩度的兩個近似正弦波的感應(yīng)電勢，個近似正弦波的感

20、應(yīng)電勢，工作時軸兩端產(chǎn)生扭矩角工作時軸兩端產(chǎn)生扭矩角，此時兩個傳感器輸出的電，此時兩個傳感器輸出的電動勢將產(chǎn)生附加相位角動勢將產(chǎn)生附加相位角0 0，經(jīng)測量電路，將相位差轉(zhuǎn)換，經(jīng)測量電路，將相位差轉(zhuǎn)換為時間差，就可以測量出扭矩為時間差，就可以測量出扭矩磁電感應(yīng)式扭矩傳感器磁電感應(yīng)式扭矩傳感器33EBDv244VDDEqvK EB電磁流量計34 霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量，如電流、磁場、位移、壓力等轉(zhuǎn)換理而將被測量，如電流、磁場、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。成電動勢輸出的一種傳感器。 優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，堅固

21、，頻率響應(yīng)寬，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，堅固，頻率響應(yīng)寬，動態(tài)范圍大動態(tài)范圍大, ,無觸點無觸點, ,使用壽命長使用壽命長, ,可靠性高可靠性高, ,易微型易微型化和集成電路化?；图呻娐坊?。 不足：不足：溫度影響大，要求轉(zhuǎn)換精度較高時必須溫度影響大，要求轉(zhuǎn)換精度較高時必須進行溫度補償。進行溫度補償。35霍爾傳感器工作原理霍爾傳感器工作原理霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路霍爾元件的主要特性參數(shù)霍爾元件的主要特性參數(shù)霍爾元件誤差及補償霍爾元件誤差及補償霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾式傳感器的應(yīng)用36 將半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當它的電流方向與磁將半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當它的電流方向與磁場方向不一

22、致時，半導(dǎo)體薄片上平行于電流和磁場方場方向不一致時，半導(dǎo)體薄片上平行于電流和磁場方向的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為向的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)，該電動勢稱該電動勢稱霍爾電勢霍爾電勢，半導(dǎo)體薄片稱，半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件霍爾元件。37dIBRUHHHR霍爾常數(shù)霍爾常數(shù) 38LFe BbUEHHBveeEH載流子受洛侖茲力載流子受洛侖茲力 霍爾電場強度霍爾電場強度平衡狀態(tài)平衡狀態(tài) BvEHIvbdnedIBneUH1電子運動平均速度電子運動平均速度 霍爾電勢霍爾電勢191.602 10eC39霍爾常數(shù)霍爾常數(shù) neRH1霍爾常數(shù)大小取決于導(dǎo)體的載流子密度：霍爾常數(shù)大小

23、取決于導(dǎo)體的載流子密度：金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢也小，金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢也小，所以金屬材料不宜制作霍爾元件。所以金屬材料不宜制作霍爾元件?；魻栯妱菖c導(dǎo)體厚度霍爾電勢與導(dǎo)體厚度d d成反比：成反比：為了提高霍爾電勢值，為了提高霍爾電勢值， 霍爾元件制成薄片形狀?；魻栐瞥杀∑螤睢?BIKUHHneddRKHH1霍爾元件靈敏度（靈敏系數(shù)）霍爾元件靈敏度（靈敏系數(shù)） 半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運動平均速度）比空穴遷移率高，半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運動平均速度）比空穴遷移率高，因此因此N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件，

24、較適合于制造靈敏度高的霍爾元件， 4041砷化鈉霍爾器件砷化鈉霍爾器件溫度系數(shù)小，靈敏度高，線性度好，溫漂小，穩(wěn)定性高，體積小42(1) (1) 輸入電阻和輸出電阻輸入電阻和輸出電阻 輸入電阻輸入電阻：控制電極間的電阻：控制電極間的電阻 輸出電阻輸出電阻：霍爾電極之間的電阻：霍爾電極之間的電阻兩者均規(guī)定在室溫（兩者均規(guī)定在室溫（205）的環(huán)境溫度中測取。）的環(huán)境溫度中測取。(2) (2) 額定控制電流和最大允許控制電流額定控制電流和最大允許控制電流額定控制電流額定控制電流：當霍爾元件有控制電流使其本身在空氣：當霍爾元件有控制電流使其本身在空氣 中產(chǎn)生中產(chǎn)生1010溫升時，對應(yīng)的控制電流值溫升時

25、，對應(yīng)的控制電流值最大允許控制電流最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升為限制所對：以元件允許的最大溫升為限制所對應(yīng)的控制電流值應(yīng)的控制電流值 43不等位電勢不等位電勢：當霍爾元件的控制電流為額定值：當霍爾元件的控制電流為額定值時，若元件所處位置的磁感應(yīng)強度為零，測得時，若元件所處位置的磁感應(yīng)強度為零，測得的空載霍爾電勢。的空載霍爾電勢。r r 0 0稱稱不等位電阻不等位電阻 不等位電勢也可用不等位電阻表示：不等位電勢也可用不等位電阻表示： 00HVI0 零位電阻零位電阻 44產(chǎn)生不等位電勢的原因主要是：產(chǎn)生不等位電勢的原因主要是： 霍爾電極安裝位置不正確（不對稱或不在同一等電位面上）；霍爾電

26、極安裝位置不正確（不對稱或不在同一等電位面上）； 半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻； 控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布等?？刂齐姌O接觸不良造成控制電流不均勻分布等。 （均是制造工藝造成的）（均是制造工藝造成的）45(4) (4) 寄生直流電勢寄生直流電勢 霍爾元件零位誤差的一部分霍爾元件零位誤差的一部分 當沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時，霍爾電極的輸出有一個當沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時，霍爾電極的輸出有一個直流電勢控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時，會產(chǎn)生直流電勢控制電極和霍爾電極

27、與基片的連接是非完全歐姆接觸時，會產(chǎn)生整流效應(yīng)。整流效應(yīng)。 兩個霍爾電極焊點的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢兩個霍爾電極焊點的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢(5) (5) 霍爾電勢溫度系數(shù)霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度每變化在一定磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度每變化1 1C C時，霍爾電勢變化的時，霍爾電勢變化的百分率。百分率。461 1）不等位電勢誤差的補償）不等位電勢誤差的補償2 2）溫度誤差及其補償）溫度誤差及其補償471 1）不等位電勢誤差的補償）不等位電勢誤差的補償 可以把霍爾元件視為一個可以把霍爾元件視為一個四臂電阻電橋四臂電阻電橋，不等位電勢就

28、相，不等位電勢就相當于電橋的當于電橋的初始不平衡輸出電壓初始不平衡輸出電壓。 補償原理補償原理：將：將R1、R2、R3、R4其視為電橋的四個其視為電橋的四個臂，即電橋不平衡，為使臂，即電橋不平衡，為使其平衡可在阻值較大的臂其平衡可在阻值較大的臂上并聯(lián)電阻，或在兩個臂上并聯(lián)電阻，或在兩個臂上同時并聯(lián)電阻。上同時并聯(lián)電阻。 481 1）不等位電勢誤差的補償）不等位電勢誤差的補償不對稱電路簡單，而對稱補償?shù)臏囟确€(wěn)定性要好些不對稱電路簡單，而對稱補償?shù)臏囟确€(wěn)定性要好些 492）溫度誤差及其補償溫度誤差產(chǎn)生原因：溫度誤差產(chǎn)生原因：霍爾元件的基片是半導(dǎo)體材料，因而對溫度的變化很敏感?；魻栐幕前雽?dǎo)體

29、材料，因而對溫度的變化很敏感。其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數(shù)都是溫其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數(shù)都是溫度的函數(shù)。度的函數(shù)。當溫度變化時，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電勢、當溫度變化時，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電勢、輸入電阻和輸出電阻等都要發(fā)生變化，從而使霍爾式傳感輸入電阻和輸出電阻等都要發(fā)生變化，從而使霍爾式傳感器產(chǎn)生溫度誤差。器產(chǎn)生溫度誤差。 502）溫度誤差及其補償n選用溫度系數(shù)小的元件選用溫度系數(shù)小的元件n采用恒溫措施采用恒溫措施n采用恒流源供電采用恒流源供電 512）溫度誤差及其補償恒流源溫度補償 )1 (TKKHOH 霍爾元件的靈敏系數(shù)也是溫度的函

30、數(shù)，它隨溫度的變化引起霍爾電勢霍爾元件的靈敏系數(shù)也是溫度的函數(shù)，它隨溫度的變化引起霍爾電勢的變化，霍爾元件的靈敏系數(shù)與溫度的關(guān)系的變化，霍爾元件的靈敏系數(shù)與溫度的關(guān)系 大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)是正值時，它們的霍爾電勢隨溫度的是正值時，它們的霍爾電勢隨溫度的升高而增加（升高而增加（1+1+t t）倍。）倍。 同時，讓控制電流同時，讓控制電流I I相應(yīng)地減小，能保持相應(yīng)地減小，能保持K KH HI I不變就抵消了靈敏系數(shù)不變就抵消了靈敏系數(shù)值增加的影響。值增加的影響。522）溫度誤差及其補償恒流源溫度補償 當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻自動地加強當霍爾

31、元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻自動地加強分流，減少了霍爾元件的控制電流。分流，減少了霍爾元件的控制電流。532）溫度誤差及其補償恒流源溫度補償 控制電流控制電流 siPPIRRRI00020溫度升到溫度升到T T時，電路中各參數(shù)變?yōu)闀r，電路中各參數(shù)變?yōu)?)1 (0TRRii)1 (0TRRPP)1 ()1 ()1 (0002TRTRTRIRRRIiPPsiPp式中，式中， 霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)；霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)； 分流電阻溫度系。分流電阻溫度系。542）溫度誤差及其補償恒流源溫度補償 為使霍爾電勢不變，補償電路必須滿足為使霍爾電勢不變，補償電路必須滿足: :升溫前、

32、后的霍爾電勢不變升溫前、后的霍爾電勢不變: : BIKUBIKUHHHH220002200IKIKHH)1()1()1()1(00000000TRTRTRTKIRRRKiPPHsiPPH00iPRR經(jīng)整理，忽略經(jīng)整理，忽略 高次項后得高次項后得 用上式即可計算出分流電阻及所需的溫度系數(shù)值。用上式即可計算出分流電阻及所需的溫度系數(shù)值。 2T55優(yōu)點優(yōu)點: : 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，頻帶寬，動態(tài)特性好和壽命長結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，頻帶寬，動態(tài)特性好和壽命長應(yīng)用：應(yīng)用：電磁測量電磁測量：測量恒定的或交變的磁感應(yīng)強度、有功功率、無功功率、相：測量恒定的或交變的磁感應(yīng)強度、有功功率、無功功率、相

33、位、電能等參數(shù)；位、電能等參數(shù)；自動檢測自動檢測系統(tǒng)：多用于位移、壓力的測量。系統(tǒng)：多用于位移、壓力的測量。56轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速測量 NS霍爾元件霍爾元件（轉(zhuǎn)角）（轉(zhuǎn)角）VH02NS霍爾元件霍爾元件（轉(zhuǎn)角）（轉(zhuǎn)角）VH0永磁體裝在軸端的轉(zhuǎn)速測量方法永磁體裝在軸端的轉(zhuǎn)速測量方法永磁體裝在軸側(cè)的轉(zhuǎn)速測量方法永磁體裝在軸側(cè)的轉(zhuǎn)速測量方法57轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速測量 工作原理及用途：工作原理及用途：被測體上貼一磁鋼，非接觸式測量，高可靠，適用于低轉(zhuǎn)速，體積小、安裝方便，對環(huán)境無要求，適合各種惡劣環(huán)境、污濁環(huán)境、功耗低，適宜長期工作?；魻柺睫D(zhuǎn)速計霍爾式轉(zhuǎn)速計58利用霍爾線性集成傳感器進行磁法覆蓋層厚度測量利用霍爾線

34、性集成傳感器進行磁法覆蓋層厚度測量 磁法覆蓋厚度測量是指對鐵磁性物質(zhì)表面非磁性涂磁法覆蓋厚度測量是指對鐵磁性物質(zhì)表面非磁性涂層的厚度測量層的厚度測量。 例如對鋼鐵表面的鍍膜、油漆、塑料、搪瓷等覆蓋例如對鋼鐵表面的鍍膜、油漆、塑料、搪瓷等覆蓋層的厚度等便可使用磁法厚度測量的方法。層的厚度等便可使用磁法厚度測量的方法。59利用霍爾線性集成傳感器進行磁法覆蓋層厚度測量利用霍爾線性集成傳感器進行磁法覆蓋層厚度測量U型鐵心型鐵心永磁體永磁體鐵磁基體鐵磁基體磁回路磁回路SL3501M覆蓋層覆蓋層60利用霍爾線性集成傳感器進行磁法覆蓋層厚度測量利用霍爾線性集成傳感器進行磁法覆蓋層厚度測量 測量時將測量時將U

35、形鐵芯的兩極放到被測物體表面上，這時永磁形鐵芯的兩極放到被測物體表面上，這時永磁體產(chǎn)生的磁通便通過體產(chǎn)生的磁通便通過U形鐵芯和被測物體構(gòu)成磁回路。當被測形鐵芯和被測物體構(gòu)成磁回路。當被測物體表面覆蓋層厚度不同時，磁回路的磁阻和磁通量將會發(fā)生物體表面覆蓋層厚度不同時，磁回路的磁阻和磁通量將會發(fā)生變化，磁回路中的霍爾集成傳感器將會檢測出磁場強度的不同，變化，磁回路中的霍爾集成傳感器將會檢測出磁場強度的不同，從而使霍爾集成傳感器產(chǎn)生的輸出電壓隨覆蓋層厚度的不同而從而使霍爾集成傳感器產(chǎn)生的輸出電壓隨覆蓋層厚度的不同而變化，完成覆蓋層非電量到電量的轉(zhuǎn)換。變化，完成覆蓋層非電量到電量的轉(zhuǎn)換。 將將U型硅鋼

36、片鐵芯中間斷開，然后將型硅鋼片鐵芯中間斷開，然后將SL3501M霍爾線性集霍爾線性集成傳感器和一片釹鐵硼永磁體夾在中間，用成傳感器和一片釹鐵硼永磁體夾在中間，用502膠粘牢。膠粘牢。61霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用 用霍爾元件測量電流，都是通過霍爾元件檢測通電導(dǎo)線周用霍爾元件測量電流，都是通過霍爾元件檢測通電導(dǎo)線周圍的磁場來實現(xiàn)的。圍的磁場來實現(xiàn)的。 在現(xiàn)代工程技術(shù)中，往往要測量在現(xiàn)代工程技術(shù)中，往往要測量，有時直流，有時直流電流值高達電流值高達10KA以上。過去，多采用電阻器分流的方法來測以上。過去，多采用電阻器分流的方法來測量這樣大的電流。這種方法有許多缺點，如分流

37、器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、量這樣大的電流。這種方法有許多缺點，如分流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、耗電、耗銅等。利用霍爾效應(yīng)原理測量大電流可以克笨重、耗電、耗銅等。利用霍爾效應(yīng)原理測量大電流可以克服上述的一些缺點?；魻栃?yīng)大電流計結(jié)構(gòu)簡單、成本低、服上述的一些缺點?；魻栃?yīng)大電流計結(jié)構(gòu)簡單、成本低、準確度高，在很大程度上與頻率無關(guān)，便于遠距離測量，測準確度高，在很大程度上與頻率無關(guān)，便于遠距離測量，測量時不需要斷開回路。量時不需要斷開回路。62霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用 （1）導(dǎo)線旁測法）導(dǎo)線旁測法 這種方法是一種最簡單的方法，將霍這種方法是一種最簡單的方法，將霍爾元件放在通電導(dǎo)線的附近，給霍

38、爾元爾元件放在通電導(dǎo)線的附近，給霍爾元件通以恒定電流，用霍爾元件測量被測件通以恒定電流，用霍爾元件測量被測電流產(chǎn)生的磁場，就可以從元件輸出的電流產(chǎn)生的磁場，就可以從元件輸出的霍爾電壓中確定被測電流值?；魻栯妷褐写_定被測電流值。 這種方法雖然結(jié)構(gòu)簡單，但測量精度這種方法雖然結(jié)構(gòu)簡單，但測量精度較差，受外界干擾也大，只適用一些不較差，受外界干擾也大，只適用一些不重要的場合。重要的場合。BICI通電電通電電流流VH63霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用 當導(dǎo)線中有電流流通時，導(dǎo)線周圍當導(dǎo)線中有電流流通時，導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，使導(dǎo)磁體鐵芯磁化成暫時性產(chǎn)生磁場，使導(dǎo)磁體鐵芯磁化成暫時性磁

39、鐵，在環(huán)形氣隙中就會形成一個磁場，磁鐵，在環(huán)形氣隙中就會形成一個磁場，導(dǎo)體中的電流越大，氣隙處的磁感應(yīng)強導(dǎo)體中的電流越大，氣隙處的磁感應(yīng)強度就越大，霍爾元器件輸出的霍爾電壓度就越大，霍爾元器件輸出的霍爾電壓VH就越大?？梢酝ㄟ^霍爾電壓檢測到就越大?？梢酝ㄟ^霍爾電壓檢測到導(dǎo)線中的電流。這種方法可以提高電流導(dǎo)線中的電流。這種方法可以提高電流測量的精度。測量的精度。導(dǎo)磁鐵心導(dǎo)磁鐵心霍爾元器件霍爾元器件通電導(dǎo)線通電導(dǎo)線I（2）導(dǎo)線貫串磁芯法）導(dǎo)線貫串磁芯法 如果用鐵磁材料做成磁導(dǎo)體的鐵芯，使被測通電導(dǎo)線貫串它的中央，如果用鐵磁材料做成磁導(dǎo)體的鐵芯，使被測通電導(dǎo)線貫串它的中央，將霍爾元件或霍爾集成傳感器

40、放在磁導(dǎo)體的氣隙中，這樣，可以通過環(huán)形將霍爾元件或霍爾集成傳感器放在磁導(dǎo)體的氣隙中，這樣，可以通過環(huán)形鐵芯集中磁力線，如下圖所示。鐵芯集中磁力線，如下圖所示。測量原理測量原理64霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用 在實際應(yīng)用中，為了測量的方便，還可以把導(dǎo)磁鐵芯在實際應(yīng)用中，為了測量的方便，還可以把導(dǎo)磁鐵芯做成鉗式形狀，或非閉合磁路的形狀，如下圖所示。做成鉗式形狀，或非閉合磁路的形狀，如下圖所示。I霍爾元霍爾元器件器件通電通電導(dǎo)線導(dǎo)線導(dǎo)磁導(dǎo)磁鐵心鐵心霍爾元霍爾元器件器件通電通電導(dǎo)線導(dǎo)線導(dǎo)磁導(dǎo)磁鐵心鐵心I鉗鉗式式非非閉閉合合磁磁路路式式65霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用霍爾元件在電流

41、測量上的應(yīng)用 （3）磁芯繞線法）磁芯繞線法 這種方法如下圖所示。它由標準環(huán)形導(dǎo)磁鐵芯和這種方法如下圖所示。它由標準環(huán)形導(dǎo)磁鐵芯和SL3501M霍爾線性集成傳感器組合而成?；魻柧€性集成傳感器組合而成。SL3501M通電導(dǎo)線通電導(dǎo)線導(dǎo)磁鐵心導(dǎo)磁鐵心I 被測通電導(dǎo)線繞在導(dǎo)磁鐵芯上，被測通電導(dǎo)線繞在導(dǎo)磁鐵芯上，每每1安安1匝在氣隙處可產(chǎn)生匝在氣隙處可產(chǎn)生0. 0056T的的磁感應(yīng)強度。若測量范圍是磁感應(yīng)強度。若測量范圍是020A時，則導(dǎo)線繞制時，則導(dǎo)線繞制9匝便可產(chǎn)生約匝便可產(chǎn)生約0. 1 T的磁感應(yīng)強度，的磁感應(yīng)強度，SL3501M會有會有1. 4V的電壓輸出。的電壓輸出。66霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用霍爾元件在電流測量上的應(yīng)用 （3）磁芯繞線法）磁芯繞線法數(shù)字鉗型表數(shù)字鉗型表用途：用途：主要用于大電流測量，可用于機械加工車間，工廠，及各主要用于大電流測量，可用于機械加工車間，工廠，及各種耗電量較大的任何場合。種耗電量較大的任何場合。67霍爾元件在磁性材料研究上的應(yīng)用霍爾元件在磁性材料研究上的應(yīng)用被測磁性物質(zhì)被測磁性物質(zhì)交流信號源交流信號源霍爾元件霍爾元件示波器示波器電流表電流表磁化磁化繞組繞組 在磁性材料特性研究中，往往需要