第5章1磁電傳感器

1、基本原理：利用電磁感應(yīng)原理，將輸入(如振動、轉(zhuǎn)速、扭矩運(yùn)動速度)轉(zhuǎn)換成線圈中感應(yīng)電動勢輸出的傳感器。特點(diǎn)：特點(diǎn)：有源傳感器：不需要提供電源有源傳感器：不需要提供電源;如振動、轉(zhuǎn)速、扭矩如振動、轉(zhuǎn)速、扭矩具有雙向轉(zhuǎn)換特性具有雙向轉(zhuǎn)換特性;具有較大的輸出功率具有較大的輸出功率;只適用于動態(tài)測量。只適用于動態(tài)測量。5.1.1 磁電式傳感器的工作原理磁電式傳感器的工作原理5.1.2 動圈式磁電傳感器5.1.3 磁阻式磁電傳感器5.1.4 磁電式傳感器的動態(tài)特性dtdNE由法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)由法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)N匝線圈在均恒磁場中匝線圈在均恒磁場中運(yùn)動時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為運(yùn)動時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁

2、通為，則線圈的感應(yīng)電，則線圈的感應(yīng)電動勢動勢E為為：線圈在恒定磁場中作直線運(yùn)動，并切割磁力線，感線圈在恒定磁場中作直線運(yùn)動，并切割磁力線，感生電勢為：生電勢為：sinsinNBlvdtdxNBlEB：磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度；：磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度；l:每匝線圈的有效長度每匝線圈的有效長度：運(yùn)動方向與磁場方向之間的夾角；：運(yùn)動方向與磁場方向之間的夾角；v:線圈與磁場之間的相對運(yùn)動速度，線圈與磁場之間的相對運(yùn)動速度，m/s線圈相對磁場作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并切割磁力線，感生電線圈相對磁場作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并切割磁力線，感生電勢為：勢為：sinsinNBSdtdNBSeS：每匝線圈的圍成的面積：每匝線圈的圍成的面積：線圈平面法線方向

3、與磁場方向之間的夾角；：線圈平面法線方向與磁場方向之間的夾角；:線圈與磁場之間的相對運(yùn)動角速度線圈與磁場之間的相對運(yùn)動角速度恒定磁通式恒定磁通式：工作氣隙中磁通不變，線圈中的感應(yīng)電勢由線工作氣隙中磁通不變，線圈中的感應(yīng)電勢由線圈相對永久磁鐵運(yùn)動并切割磁力線產(chǎn)生。圈相對永久磁鐵運(yùn)動并切割磁力線產(chǎn)生。變磁通式變磁通式：磁鐵、線圈均不動，感應(yīng)電勢由變化的磁通產(chǎn)磁鐵、線圈均不動，感應(yīng)電勢由變化的磁通產(chǎn)生，如圖示轉(zhuǎn)速測量：生，如圖示轉(zhuǎn)速測量：1一永久磁鐵一永久磁鐵2一軟磁鐵一軟磁鐵3一感應(yīng)線圈一感應(yīng)線圈4一測量齒輪一測量齒輪u磁通量磁通量的變化實(shí)現(xiàn)辦法的變化實(shí)現(xiàn)辦法:磁鐵與線圈之間作相對運(yùn)動；磁鐵與線圈

4、之間作相對運(yùn)動；磁路中磁阻的變化；磁路中磁阻的變化；恒定磁場中線圈面積的變化恒定磁場中線圈面積的變化.u直接應(yīng)用直接應(yīng)用：測定速度：測定速度在信號調(diào)節(jié)電路中接積分電路，或微分電在信號調(diào)節(jié)電路中接積分電路，或微分電路，磁電式傳感器就可以用來測量路，磁電式傳感器就可以用來測量位移或位移或加速度加速度。5.1.1 磁電式傳感器的工作原理5.1.2 動圈式磁電傳感器動圈式磁電傳感器5.1.3 磁阻式磁電傳感器5.1.4 磁電式傳感器的動態(tài)特性1. 1. 動圈式磁電傳感器原理動圈式磁電傳感器原理2. 2. 動圈式磁電傳感器結(jié)構(gòu)動圈式磁電傳感器結(jié)構(gòu)NS永久磁鐵線圈彈簧1. 動圈式磁電傳感器原理如果在線圈運(yùn)

5、動部分的磁場強(qiáng)度如果在線圈運(yùn)動部分的磁場強(qiáng)度B是均勻的，是均勻的，則當(dāng)線圈與磁場的相對速度為則當(dāng)線圈與磁場的相對速度為時(shí)，線圈的感應(yīng)電動勢：時(shí)，線圈的感應(yīng)電動勢： sinaNBlE 當(dāng)當(dāng)90，線圈的感應(yīng)電動勢為：，線圈的感應(yīng)電動勢為：aNBlE 當(dāng)當(dāng)N、B和和la恒定不變時(shí)，恒定不變時(shí)，E與與=dx/dt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。 磁電式傳感器構(gòu)成：磁電式傳感器構(gòu)成： 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；器的體積，一般都采用永

6、久磁鐵； 2、線圈、線圈 由它運(yùn)動切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由它運(yùn)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，還有一些其它元件，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。如殼體、支承、阻尼器、接線裝置等。彈簧片阻尼杯磁鋼芯軸殼體線圈引線1彈簧彈簧 ; 2殼體殼體; 3阻阻尼環(huán)尼環(huán); 4磁鋼磁鋼;5線圈線圈; 6芯軸芯軸在測振時(shí)，傳感器固定在測振時(shí)，傳感器固定或緊壓于被測物體，磁或緊壓于被測物體，磁鋼鋼4 4與殼體與殼體2 2一起隨被測一起隨被測系統(tǒng)的振動而振動。系統(tǒng)的振動而振動。裝在芯軸裝在芯軸6 6

7、上的線圈上的線圈5 5和和阻尼環(huán)阻尼環(huán)3 3組成慣性系統(tǒng)的組成慣性系統(tǒng)的質(zhì)量塊并在磁場中運(yùn)動。質(zhì)量塊并在磁場中運(yùn)動。動圈式傳感器結(jié)構(gòu)：動圈式傳感器結(jié)構(gòu)：1頂桿頂桿 2彈簧片彈簧片 3磁鋼磁鋼 4線圈線圈 5引出線引出線 6殼體殼體用途：用來測量振動用途：用來測量振動系統(tǒng)中兩部件之間的相系統(tǒng)中兩部件之間的相對振動速度。對振動速度。直接式振動傳感器直接式振動傳感器連接方式：殼體固定于一連接方式：殼體固定于一部件上，線圈與頂桿相對固部件上，線圈與頂桿相對固定，而頂桿與另一部件相接定，而頂桿與另一部件相接觸，依靠彈簧片回復(fù)原位。觸，依靠彈簧片回復(fù)原位。當(dāng)兩部件相對運(yùn)動時(shí)，使線當(dāng)兩部件相對運(yùn)動時(shí)，使線圈

8、與磁鋼產(chǎn)生相對運(yùn)動，產(chǎn)圈與磁鋼產(chǎn)生相對運(yùn)動，產(chǎn)生相應(yīng)的電動勢。生相應(yīng)的電動勢。5.1.1 磁電式傳感器的工作原理5.1.2 動圈式磁電傳感器5.1.3 磁阻式磁電傳感器磁阻式磁電傳感器5.1.4 磁電式傳感器的動態(tài)特性 線圈和磁鐵部分都是靜止的，與被測物連接而運(yùn)動的線圈和磁鐵部分都是靜止的，與被測物連接而運(yùn)動的部分是用導(dǎo)磁材料制成的，在運(yùn)動中，它們改變磁路部分是用導(dǎo)磁材料制成的，在運(yùn)動中，它們改變磁路的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁能量，在線圈中產(chǎn)生的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁能量，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。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，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢

9、的頻率作為輸出，而電勢的頻率取決于磁通變化的頻率。出，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 1永久磁鐵永久磁鐵3感應(yīng)線圈感應(yīng)線圈2軟鐵軟鐵4齒輪齒輪 60/Znf 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(dāng)被測軸振動較大時(shí)，傳感器輸出波形失真較大。當(dāng)被測軸振動較大時(shí)，傳感器輸出波形失真較大。 閉磁路閉磁路磁組式轉(zhuǎn)速傳感器磁組式轉(zhuǎn)速傳感器采用在振動強(qiáng)的場合，有下限工作頻率（50Hz ）傳感器的輸出電勢取決于線圈中磁場變化速度，5.1.1 磁電式傳感器的工作原理5.1.2 動圈式磁電傳感器5.1.3 磁阻式磁電傳感器5.1.4 磁電式傳感

10、器的動態(tài)特性磁電式傳感器的動態(tài)特性一個二階系統(tǒng)。Vo為傳感器外殼的運(yùn)動速度，即被測物體運(yùn)動速度；Vm為傳感器慣性質(zhì)量塊的運(yùn)動速度。 等效機(jī)械系統(tǒng)等效機(jī)械系統(tǒng)若若V(t)為慣性質(zhì)量塊相對外殼的運(yùn)動速度為慣性質(zhì)量塊相對外殼的運(yùn)動速度dttdVmdttVKtcVdttdVm)()()()(0幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性 22 22(/)( )1(/) 2 (/)nvnnA 2)/(1)/(2)(nnvarctg式中，式中，被測振動的角頻率；被測振動的角頻率； n傳感器運(yùn)動系統(tǒng)的固有角頻率傳感器運(yùn)動系統(tǒng)的固有角頻率 傳感器運(yùn)動系統(tǒng)的阻尼比傳感器運(yùn)動系統(tǒng)的阻尼比運(yùn)動方程運(yùn)動方程只有只有n的情況下，的

11、情況下，Av()1，相對速度相對速度V(t)的大小才可以作為被測振動速度的大小才可以作為被測振動速度V0 (t) 的量度。的量度。因此磁電式速度傳感器的頻率較低，一般為因此磁電式速度傳感器的頻率較低，一般為1015Hz。 相對運(yùn)動速度相對運(yùn)動速度V（t）就是前面的線圈相對磁場的運(yùn)動速度）就是前面的線圈相對磁場的運(yùn)動速度dx/dt. )(tVNBldtdxNBlEaa傳感器的輸出電勢傳感器的輸出電勢E與相對速度與相對速度V（t）成正比，）成正比，而而V（t）可以度量被測振動速度）可以度量被測振動速度V0（t），），所以電勢所以電勢E也可以度量也可以度量V0（t）。）。 End the 5.15.

12、2.1 霍爾傳感器工作原理霍爾傳感器工作原理5.2.2 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5.2.3 霍爾元件的主要特性參數(shù)霍爾元件的主要特性參數(shù)5.2.4 霍爾元件誤差及補(bǔ)償霍爾元件誤差及補(bǔ)償5.2.5 霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾效應(yīng)當(dāng)把一塊金屬或半導(dǎo)體簿片垂直放在當(dāng)把一塊金屬或半導(dǎo)體簿片垂直放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中的磁場中，沿著垂直于磁場的方向通以電流沿著垂直于磁場的方向通以電流I，就會在薄片的另一對側(cè)面間，就會在薄片的另一對側(cè)面間產(chǎn)生電動勢產(chǎn)生電動勢UH，如圖所示。，如圖所示。實(shí)例霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃?yīng)的一

13、種傳感器。發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)：1879年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)爾效應(yīng)發(fā)展：發(fā)展：由于由于金屬金屬材料的材料的霍爾效應(yīng)太弱霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用，而沒有得到應(yīng)用，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, 開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。應(yīng)用：應(yīng)用：霍爾傳感器廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。 5.2.1 霍爾傳感器工作原理在金屬或半導(dǎo)體薄片的兩端通過控制電在金屬或半導(dǎo)體薄片的兩端通過控制電流，并在薄片的垂直方向上施加磁場，流，并在薄片的垂直方向上施加磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生則在垂直于

14、電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢（電動勢（霍爾電勢霍爾電勢），這種現(xiàn)象稱為），這種現(xiàn)象稱為霍霍爾效應(yīng)爾效應(yīng)。 當(dāng)把一塊金屬或半導(dǎo)體簿片垂直放在當(dāng)把一塊金屬或半導(dǎo)體簿片垂直放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場的磁場中中，沿著垂直于磁場的方向通以電流沿著垂直于磁場的方向通以電流I，就會在薄片的另一，就會在薄片的另一對側(cè)面間產(chǎn)生電動勢對側(cè)面間產(chǎn)生電動勢UH，如圖，如圖1所示。這種現(xiàn)象稱為所示。這種現(xiàn)象稱為霍爾效霍爾效應(yīng)應(yīng)，所產(chǎn)生的電動勢稱為，所產(chǎn)生的電動勢稱為霍爾電動勢霍爾電動勢，這種薄片（一般為，這種薄片（一般為半導(dǎo)體）稱為半導(dǎo)體）稱為霍爾片或霍爾元件霍爾片或霍爾元件。 h l b I FE FL

15、v B UH + + + + + + - - - - - - 圖1 霍爾效應(yīng)原理圖 5.2.1 霍爾傳感器工作原理在磁場B中運(yùn)動的電子將受到Lorentz力fL fL=evB (1)偏轉(zhuǎn),建立的霍爾電場EH對隨后的運(yùn)動電子施加一電場力fE fE=eEH=eUH /b (2) 平衡時(shí)， fL = fE，即 evB= eUH /b (3)由于電流密度J=-nev(v為電子運(yùn)動速度 )，則電流強(qiáng)度為 I=-nevbd (4)所以 (5)式中，d霍爾片厚度；n電子濃度； RH=1/ne霍爾系數(shù)；KH=RH/d=1/ned霍爾靈敏度。IBKdIBRnedIBUHHH5.2.1 霍爾傳感器工作原理1. 霍

16、爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)材料、尺寸確定的元件,KH保持常數(shù)。 UH僅與IB成正比。IBkUHHdRkHH(7)(8)當(dāng)磁場改變方向時(shí), UH 也改變方向，實(shí)際作用于元件上有效磁場是其法線方向的分量，即Bcos。cosIBkUHH(9)5.2.1 霍爾傳感器工作原理霍爾常數(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成反比：成反比：為了提高霍爾電勢值，為了

17、提高霍爾電勢值， 霍爾元件制成薄片形狀?；魻栐瞥杀∑螤?。 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(yùn)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(yùn)動平均速度）比空穴遷移率高，因此因此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，較適合于制造靈敏度高的霍爾元件， 5.2.1 霍爾傳感器工作原理5.2.2 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5.2.3 霍爾元件的主要特性參數(shù)5.2.4 霍爾元件誤差及補(bǔ)償5.2.5 霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾元件霍爾元件 霍爾元件命名、材料及結(jié)構(gòu)霍爾元件命名、材料

18、及結(jié)構(gòu)從式從式(3) evB= eUH /b (3)RH=1/ne霍爾系數(shù)；KH=RH/d=1/ned霍爾靈敏度知，霍爾電壓知，霍爾電壓UH與載流子的運(yùn)動速度與載流子的運(yùn)動速度v有關(guān)，即與載流子的有關(guān)，即與載流子的遷移率遷移率 有關(guān)。有關(guān)。由于由于 = v/El(El為電流方向上的電場強(qiáng)度為電流方向上的電場強(qiáng)度)，材料的電阻，材料的電阻 =1/ne ，所以，所以霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)RH與載流體材料的電阻率與載流體材料的電阻率 和載流子和載流子的遷移率的遷移率 的關(guān)系為的關(guān)系為 RH= (6)霍爾元件命名、材料及結(jié)構(gòu)霍爾元件命名、材料及結(jié)構(gòu)KH=RH/d(為提高霍爾靈敏度，選擇材料的霍爾系數(shù)RH盡可

19、能大，d盡可能小)(d太小，導(dǎo)致元件的輸入輸出電阻增加太小，導(dǎo)致元件的輸入輸出電阻增加)RH=u 金屬導(dǎo)體：金屬導(dǎo)體： 大，但大，但 ?。ㄐ。╪大）；大）；u 絕緣體：絕緣體： 大（大（n?。?，但?。?，但 小；??； 它們都不宜作霍爾元件它們都不宜作霍爾元件(RH太小太小)。u 半導(dǎo)體：半導(dǎo)體： 、 適中適中適宜作霍爾元件。適宜作霍爾元件。對于導(dǎo)體，霍爾系數(shù)一般較小，故霍爾元件一般用半導(dǎo)體制對于導(dǎo)體，霍爾系數(shù)一般較小，故霍爾元件一般用半導(dǎo)體制作，且愈?。ū。?，靈敏度愈高作，且愈?。ū。`敏度愈高.霍爾元件命名、材料及結(jié)構(gòu)霍爾元件命名、材料及結(jié)構(gòu)霍爾元件的輸出與靈敏度有關(guān)，KH越大，UH越大。霍

20、爾靈敏度主要取決于元件的性質(zhì)和尺寸。 和和 越大越大 ， RH=越大， UH越大。元件的厚度d越小， KH越大，UH越大。cosIBkUHH(8)RH= （6）dRkHH(9)霍爾元件命名、材料及結(jié)構(gòu)霍爾元件命名、材料及結(jié)構(gòu)圖圖2 霍爾元件示意圖霍爾元件示意圖a)原理圖；原理圖；b)結(jié)構(gòu)圖；結(jié)構(gòu)圖；c)圖形符號；圖形符號；d)外形圖外形圖霍爾元件命名、材料及結(jié)構(gòu)霍爾元件命名、材料及結(jié)構(gòu)霍爾元件是半導(dǎo)體四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相霍爾元件是半導(dǎo)體四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相對兩側(cè)對稱的悍上兩對電極引出線（對兩側(cè)對稱的悍上兩對電極引出線（一對稱激勵電流端，另一對稱激勵電流端，另一對

21、稱霍爾電勢輸出端一對稱霍爾電勢輸出端），如圖），如圖2b所示所示 霍爾元件是一霍爾元件是一種四端元件種四端元件霍爾元件命名、材料及結(jié)構(gòu)霍爾元件命名、材料及結(jié)構(gòu) 敏感元器件及傳感器的型號命名方法由以下四部分組成：敏感元器件及傳感器的型號命名方法由以下四部分組成： 第一部分主稱（用字母表示）第一部分主稱（用字母表示） 第二部分類別或材料（用字母或數(shù)字表示）第二部分類別或材料（用字母或數(shù)字表示） 第三部分特征（用字母或數(shù)字表示）第三部分特征（用字母或數(shù)字表示） 第四部分序號和區(qū)別代號（用數(shù)字加字母表示）第四部分序號和區(qū)別代號（用數(shù)字加字母表示）霍爾元件命名霍爾元件命名第一部分第一部分:H代表霍爾元件

22、代表霍爾元件第二部分第二部分:類別或材料類別或材料(Z、S、T)第三部分第三部分:序號序號5.2.1 霍爾傳感器工作原理5.2.2 霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路5.2.3 霍爾元件的主要特性參數(shù)霍爾元件的主要特性參數(shù)5.2.4 霍爾元件誤差及補(bǔ)償5.2.5 霍爾式傳感器的應(yīng)用輸入電阻輸入電阻Ri和輸出電阻和輸出電阻RoR R ，R、R =1002000 。額定激勵電流額定激勵電流IN和最大允許激勵電流和最大允許激勵電流Imax 霍爾元件在空氣中產(chǎn)生的溫升為霍爾元件在空氣中產(chǎn)生的溫升為10時(shí)，所對應(yīng)的激勵時(shí)，所對應(yīng)的激勵電流稱為額定激勵電流電流稱為額定激勵電流IN。以元件允許的最大溫升為限制，。以元

23、件允許的最大溫升為限制，所對應(yīng)的激勵電流稱為最大允許激勵電流所對應(yīng)的激勵電流稱為最大允許激勵電流Imax。5.2.3 霍爾元件的主要特性參數(shù)：不等位電勢和不等位電阻不等位電勢和不等位電阻 當(dāng)霍爾元件的激勵電流為額定值當(dāng)霍爾元件的激勵電流為額定值IN時(shí)，若元件所處位置時(shí)，若元件所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，則它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實(shí)際不為的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，則它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零，這時(shí)測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢。零，這時(shí)測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢。 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因:主要由霍爾電極安裝不對稱造成的主要由霍爾電極安裝不對稱造成的,由于半導(dǎo)體由于半導(dǎo)體材料的電阻率不均勻、基片的

24、厚度和寬度不一致、霍爾電極材料的電阻率不均勻、基片的厚度和寬度不一致、霍爾電極與基片的接觸不良（部分接觸）等原因，即使霍爾電極的裝與基片的接觸不良（部分接觸）等原因，即使霍爾電極的裝配絕對對稱，也會產(chǎn)生不等位電勢。配絕對對稱，也會產(chǎn)生不等位電勢。5.2.3 霍爾元件的主要特性參數(shù)：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(qiáng)度和激勵電流下，溫度每變化在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵電流下，溫度每變化1時(shí)，時(shí)，霍爾電勢變化的百分率，稱為霍爾電勢溫度系數(shù)霍爾電勢變化的百分率，稱為霍爾電勢溫度系數(shù)。tUUUHoHoHt/)（)1(tUUHoHt5.2.3 霍爾元件的主要特性參數(shù)：霍爾靈敏系數(shù)霍爾靈敏系數(shù)K

25、H 在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度作用下，霍爾器件輸在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度作用下，霍爾器件輸出端的開路電壓，稱為霍爾靈敏系數(shù)出端的開路電壓，稱為霍爾靈敏系數(shù)KH，霍爾靈敏系數(shù)，霍爾靈敏系數(shù)KH的的單位為單位為V/（AT）。）。dRKHH/ 5.2.3 霍爾元件的主要特性參數(shù)：(6) 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(dāng)沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流當(dāng)沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時(shí)，霍爾電極的輸出有一個直流電勢控制電時(shí)，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極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時(shí)，

26、會產(chǎn)生整流效應(yīng)。觸時(shí)，會產(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個霍爾電極焊點(diǎn)的不一致，引起兩電極溫兩個霍爾電極焊點(diǎn)的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢度不同產(chǎn)生溫差電勢時(shí)，霍爾電勢變化的百時(shí)，霍爾電勢變化的百分率分率 型型號號 材材料料 控控制制 電電流流(mA) 霍霍爾爾 電電壓壓 (mV, 0.1T) 輸輸入入 電電阻阻 () 輸輸出出 電電阻阻 () 靈靈敏敏度度(mV/mA.T) 不不等等位位電電勢勢(mV) VH溫溫度度 系系數(shù)數(shù)(%/) EA218 InAs 100 8 8. .5 5 3 3 1 1. .5 5 0 0. .3 35 5 1 13 3 6 6. .5 5 2 2. .4 4 0 0

27、. .7 75 5 1 1 0 0. .0 07 7 VHG-110 GaAs 5 5 5 - -1 10 0 2 20 00 0- -8 80 00 0 2 20 00 0- -8 80 00 0 3 30 0- -2 22 20 0 5 5 4 40 0 3 30 0 2 2. .5 5 _ _ - -0 0. .0 02 2 MF07FZZ InSb 10 4 40 0- -2 29 90 0 8 8- -6 60 0 8 8- -6 65 5 _ _ 1 10 0 - -2 2 MF19FZZ InSb 10 8 80 0- -6 60 00 0 8 8- -6 60 0 8 8- -

28、6 65 5 _ _ 1 10 0 - -2 2 MH07FZZ InSb 1V 8 80 0- -1 12 20 0 8 80 0- -4 40 00 0 8 80 0- -4 43 30 0 _ _ 1 10 0 - -0 0. .3 3 MH19FZZ InSb 1V 1 15 50 0- -2 25 50 0 8 80 0- -4 40 00 0 8 80 0- -4 43 30 0 _ _ 1 10 0 - -0 0. .3 3 KH-400A InSb 5 2 25 50 0- -5 55 50 0 2 24 40 0- -5 55 50 0 5 50 0- -1 11 10 0

29、5 50 0- -1 11 10 00 0 1 10 0 - -0 0. .3 3 5.2.1 霍爾傳感器工作原理5.2.2 霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路5.2.3 霍爾元件的主要特性參數(shù)5.2.4 霍爾元件誤差及補(bǔ)償霍爾元件誤差及補(bǔ)償5.2.5 霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾式傳感器在實(shí)際使用中常常有很多因素影響其測量霍爾式傳感器在實(shí)際使用中常常有很多因素影響其測量精度，造成測量誤差。精度，造成測量誤差。常見的主要因素有半導(dǎo)體本身固有的特性，半導(dǎo)體制造常見的主要因素有半導(dǎo)體本身固有的特性，半導(dǎo)體制造的工藝水平，環(huán)境溫度的變化情況，霍爾傳感器的安裝的工藝水平，環(huán)境溫度的變化情況，霍爾傳感器的安裝是否合理等

30、。是否合理等。測量誤差一般表現(xiàn)為測量誤差一般表現(xiàn)為零位誤差和溫度誤差零位誤差和溫度誤差。 1.溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差及其補(bǔ)償2.不等位電勢誤差的補(bǔ)償不等位電勢誤差的補(bǔ)償霍爾元件的溫度特性是指元件的內(nèi)阻及輸出與溫度之間的關(guān)霍爾元件的溫度特性是指元件的內(nèi)阻及輸出與溫度之間的關(guān)系。系。與一般半導(dǎo)體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃與一般半導(dǎo)體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的內(nèi)阻、輸出電壓等參數(shù)也將度隨溫度變化，所以霍爾元件的內(nèi)阻、輸出電壓等參數(shù)也將隨溫度而變化。不同材料的內(nèi)阻及霍爾電壓與溫度的關(guān)系曲隨溫度而變化。不同材料的內(nèi)阻及霍爾電壓與溫度的關(guān)系曲線見圖線見圖3

31、和圖和圖4所示。所示。當(dāng)溫度變化時(shí)，這些參數(shù)值都會發(fā)生變化，溫度的變化會引當(dāng)溫度變化時(shí)，這些參數(shù)值都會發(fā)生變化，溫度的變化會引起霍爾電勢的改變，稱為溫度誤差。起霍爾電勢的改變，稱為溫度誤差。 1. 溫度誤差及其補(bǔ)償1)溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償為了減小溫度誤差，除了采用溫度系數(shù)小的材料作為霍爾元件或采取恒溫槽外，還可以采取其他適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路。 020406080100-20-40100200300?t( )Rt/R0(%)圖3 內(nèi)阻與溫度的關(guān)系020406080100-20-40100200300?t( )UHt/UH0(%)圖4 霍爾電動勢與溫度的關(guān)系Si(1)Si(2)Ge(Hz-4)Ge(Hz-2

32、)InAsInSb-1-3InSbInAs?Ge(Hz-1 2 3)Sil選用溫度系數(shù)小的元件l采用恒溫措施l采用恒流源供電 1)溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償我們把溫度每變化我們把溫度每變化1時(shí)，霍爾元件輸入電阻或輸出電阻的相時(shí)，霍爾元件輸入電阻或輸出電阻的相對變化率稱為對變化率稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)，用內(nèi)阻溫度系數(shù)，用表示表示。把溫度每變化。把溫度每變化1時(shí)，時(shí)，霍爾電壓的相對變化率稱為霍爾電壓的相對變化率稱為霍爾電壓溫度系數(shù)，用霍爾電壓溫度系數(shù)，用表示。表示。 1)溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償a.恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻溫度變化會引起霍爾元件的輸出電阻發(fā)生變化，在恒壓源供溫度變化會引起霍

33、爾元件的輸出電阻發(fā)生變化，在恒壓源供電時(shí)，引起激勵電流發(fā)生變化，帶來誤差。為了減小這種誤電時(shí)，引起激勵電流發(fā)生變化，帶來誤差。為了減小這種誤差，通常采用恒流源提供電流。差，通常采用恒流源提供電流。 1)溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償a.恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻溫度變化會引起霍爾元件的輸出電阻發(fā)生變化，在恒壓源供溫度變化會引起霍爾元件的輸出電阻發(fā)生變化，在恒壓源供電時(shí)，引起激勵電流發(fā)生變化，帶來誤差。為了減小這種誤電時(shí)，引起激勵電流發(fā)生變化，帶來誤差。為了減小這種誤差，通常采用恒流源提供電流。差，通常采用恒流源提供電流。 I R IH UH A B IR 圖5 恒流源溫度補(bǔ)償電

34、路 )1 (TKKHOH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)系霍爾電勢的變化，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(shí)，是正值時(shí)，它們的霍爾電勢隨溫度的升高而增加（它們的霍爾電勢隨溫度的升高而增加（1+t）倍。）倍。同時(shí)，讓控制電流同時(shí)，讓控制電流I相應(yīng)地減小，能保持相應(yīng)地減小，能保持KHI不變就不變就抵消了靈敏系數(shù)值增加的影響抵消了靈敏系數(shù)值增加的影響 當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí)，當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí)，旁

35、路分流電阻自動地加強(qiáng)分流，減少了霍爾元件的控制電流旁路分流電阻自動地加強(qiáng)分流，減少了霍爾元件的控制電流控制電流控制電流 siPPIRRRI00020溫度升到溫度升到T時(shí)，電路中各參數(shù)變?yōu)闀r(shí)，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。 為使霍爾電勢不變，補(bǔ)償電路必須滿足為使霍爾電勢不變，補(bǔ)償電路必須滿足: 升溫前、后的霍爾電勢不變，升溫前、后的霍爾電勢不變， BIKUBIKUHHHH220002200IKIKHH)

36、1()1()1()1(00000000TRTRTRTKIRRRKiPPHsiPPH00iPRR經(jīng)整理，忽略經(jīng)整理，忽略 高次項(xiàng)后得高次項(xiàng)后得 用上式即可計(jì)算出分流電阻及所需的溫度系數(shù)值用上式即可計(jì)算出分流電阻及所需的溫度系數(shù)值 2T1)溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償b.恒壓源供電和輸入回路串聯(lián)電阻恒壓源供電和輸入回路串聯(lián)電阻當(dāng)霍爾元件采用恒壓源供電時(shí)，且霍爾輸出端處于開路狀態(tài)，可在輸入回路中串聯(lián)補(bǔ)償電阻R來進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償電路如圖4所示。 圖 6 恒壓源溫度補(bǔ)償電路 I=IH R UH A B E iRR1)溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償c.利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償 1)溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償b.利用

37、輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償 ) 1( ) 1(00tUUtRRHHtOOt LLLOHLtRRtRtUU ) 1() 1(00 在溫度影響下，元件輸出電阻和電勢變?yōu)椋?)溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償b.利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償 負(fù)載電阻RL上電壓隨溫度變化最小的極值條件為0 dtdULt)2,yxyyxyx （ 0) 1) 100 tRRtROLO （0OLRR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，不等位電勢就相當(dāng)于電橋的不等位電勢就相當(dāng)于電橋的初始不平衡輸初始不平衡輸出電壓出電壓。 不等位電動勢補(bǔ)償不等位電動勢補(bǔ)償當(dāng)霍爾元

38、件當(dāng)霍爾元件B=0，I0，UH=U00。這時(shí)測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。這時(shí)測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有: 霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；霍爾電極安裝位置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；勻； 圖圖8 兩電極電不在同一等電位面上兩電極電不在同一等電位面上圖圖9等電位面歪斜等電位面歪斜不等位電動勢補(bǔ)償不等位電動勢補(bǔ)償圖10 不等位電勢圖11 霍爾元件的等效電路BBBWACDWACD (b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R

39、3R4R1C（a） （b） （c）WCDAR2R3R4R1B不等位電動勢補(bǔ)償不等位電動勢補(bǔ)償不等位電勢補(bǔ)償?shù)姆椒ú坏任浑妱菅a(bǔ)償?shù)姆椒ɡ硐肭闆r下理想情況下, R, R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4, U, U0 00 0由于不等位電阻的存在由于不等位電阻的存在, ,說明此四個電阻值不相等說明此四個電阻值不相等, , 則則電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡，可在阻值較大的橋臂電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻，或在兩個橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻。上并聯(lián)電阻，或在兩個橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻。圖12 不等位電勢補(bǔ)償電路不對稱電路簡單，而對稱補(bǔ)償?shù)臏囟确€(wěn)定性要好些不對稱電路簡單，而對

40、稱補(bǔ)償?shù)臏囟确€(wěn)定性要好些 5.2.1 霍爾傳感器工作原理5.2.2 霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路5.2.3 霍爾元件的主要特性參數(shù)5.2.4 霍爾元件誤差及補(bǔ)償5.2.5 霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾式傳感器的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，頻帶寬，動態(tài)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(qiáng)：測量恒定的或交變的磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率、無功功率、相位、電能度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數(shù)；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。 霍爾電勢是關(guān)于霍爾電勢是關(guān)于I、B

41、、 三個變量的函數(shù)，三個變量的函數(shù)，即即 EH=KHIBcos 。 利用這個關(guān)系可以使利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變其中兩個量不變，將，將第第三個量作為變量三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。 霍爾傳感器主要用于測量霍爾傳感器主要用于測量能夠轉(zhuǎn)換為磁場變能夠轉(zhuǎn)換為磁場變化的其他物理量化的其他物理量。測量原理測量原理：霍爾電勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，若磁感霍爾電勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，若磁感應(yīng)強(qiáng)度是位置的函數(shù)，則霍爾電勢的大應(yīng)強(qiáng)度是位置的函數(shù)，則霍爾電勢的大小就可以用來反映霍爾元件

42、的位置。小就可以用來反映霍爾元件的位置。 應(yīng)用應(yīng)用：位移測量、力、壓力、應(yīng)變、機(jī)械振動、位移測量、力、壓力、應(yīng)變、機(jī)械振動、加速度加速度 位移量較小，適于測量微位移和機(jī)械振動位移量較小，適于測量微位移和機(jī)械振動 彈簧管彈簧管 磁鐵磁鐵 霍爾片霍爾片 2.霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）（檢測磁場）霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）（檢測磁場） 5.2.5 霍爾式傳感器的應(yīng)用 1.霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）（檢測磁場）霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）（檢測磁場） 在磁場強(qiáng)度為在磁場強(qiáng)度為0.IT時(shí)，時(shí)，UGN3501M的典型輸出電壓為的典型輸出電壓為1400mV，因此可以制成，因此可以制成0.1T的高斯計(jì)，如圖的高斯計(jì)，如圖 18

43、所示。電源電壓為所示。電源電壓為816V。在。在5、6腳接一個腳接一個 20的調(diào)零電位器，在的調(diào)零電位器，在1、8腳接一可腳接一可調(diào)靈敏度的調(diào)靈敏度的10k電位器及內(nèi)阻常數(shù)最小為電位器及內(nèi)阻常數(shù)最小為10k/V的電壓表。的電壓表。若在若在5、 6兩腳上各接一只兩腳上各接一只47電阻后，再接電阻后，再接20電位器，其線電位器，其線性范圍可達(dá)性范圍可達(dá)0.3T。圖圖18 簡易高斯計(jì)簡易高斯計(jì) 14585.2.5 霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾元霍爾元件件霍爾元霍爾元件件磁鐵磁鐵3.計(jì)數(shù)器由于UGN3501T具有較高的靈敏度,它能感受很小磁場變化。因而檢測黑色金屬的有無。我們利用它的這一特性可制成計(jì)數(shù)裝車。

44、圖圖19 鋼球計(jì)數(shù)裝置及電路圖鋼球計(jì)數(shù)裝置及電路圖5.2.5 霍爾式傳感器的應(yīng)用當(dāng)鋼球(永磁體)滾過霍爾傳感器位置時(shí),傳感器輸出一個峰值為20mV的脈沖,此脈沖信號經(jīng)A741運(yùn)放放大后驅(qū)動2N5812三極管,使之完成導(dǎo)通、截止過程。把計(jì)數(shù)器接于2N5812輸出端即可構(gòu)成計(jì)數(shù)器。圖圖19 鋼球計(jì)數(shù)電路圖鋼球計(jì)數(shù)電路圖5.2.5 霍爾式傳感器的應(yīng)用4.霍爾式接近開關(guān)霍爾式接近開關(guān)當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動作距離時(shí)，霍爾式接近開關(guān)動作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。5.2.5 霍爾式傳感器的應(yīng)用4.霍爾式接近開關(guān)霍爾式接近開關(guān)當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時(shí)，霍爾IC的輸出由高

45、電平變?yōu)榈碗娖?，使繼電器吸合或釋放，控制運(yùn)動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC），起限位的作用。 用霍爾IC只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強(qiáng)的閉合磁場。 圖圖20 霍爾接近開關(guān)霍爾接近開關(guān)5.2.5 霍爾式傳感器的應(yīng)用n= = 6060f4(r/min)軟鐵分流翼片軟鐵分流翼片 開關(guān)型霍爾開關(guān)型霍爾IC IC T T5.霍爾轉(zhuǎn)速表霍爾轉(zhuǎn)速表在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使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經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。S SN N線性霍爾線性霍爾磁鐵磁鐵圖圖21 霍爾轉(zhuǎn)速表霍爾轉(zhuǎn)速表5.2.5 霍爾式傳感器的應(yīng)用5.霍爾轉(zhuǎn)速表霍爾轉(zhuǎn)速表原理：當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。5.2.5 霍爾式傳感器的應(yīng)用5.霍爾轉(zhuǎn)速表霍爾轉(zhuǎn)速表應(yīng)