第七章 電磁式傳感器

1、l7.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器l 7.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)類型工作原理和結(jié)構(gòu)類型 7.1.2 動態(tài)特性動態(tài)特性l 7.1.3 誤差及其補(bǔ)償誤差及其補(bǔ)償 7.1.4 信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路l 7.1.5 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例l7.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器l 7.2.1 霍爾效應(yīng)與霍爾元件材料霍爾效應(yīng)與霍爾元件材料 7.2.2 測量電路測量電路l 7.2.3 特性和指標(biāo)特性和指標(biāo) 7.2.4 補(bǔ)償電路補(bǔ)償電路l 7.2.5 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例l7.3 磁敏傳感器磁敏傳感器l 7.3.1 磁敏電阻磁敏電阻 7.3.2 磁敏二極管磁敏二極管l 7.3.3 磁敏三極管磁敏三極管第第7 7章

2、章 磁電式傳感器磁電式傳感器知識單元知識單元與知識點(diǎn)與知識點(diǎn)電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)的基本概念；電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)的基本概念；磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理、分類（恒磁通式：動圈式和動鐵式結(jié)構(gòu)，磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理、分類（恒磁通式：動圈式和動鐵式結(jié)構(gòu)，變磁通式：開磁路和閉磁路結(jié)構(gòu)）、基本特性、測量電路與應(yīng)用；變磁通式：開磁路和閉磁路結(jié)構(gòu)）、基本特性、測量電路與應(yīng)用；霍爾式傳感器的工作原理、測量電路與應(yīng)用；霍爾式傳感器的工作原理、測量電路與應(yīng)用；霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)、基本特性、誤差及其補(bǔ)償?；魻栐幕窘Y(jié)構(gòu)、基本特性、誤差及其補(bǔ)償。能力點(diǎn)能力點(diǎn)深入理解電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)的基本概念；理解磁電感應(yīng)式傳感

3、器的工作原理、分類、基本特性、測量電路；理解霍爾式傳感器的工作原理；了解霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)、基本特性、誤差及其補(bǔ)償；了解磁電感應(yīng)式傳感器、霍爾式傳感器的應(yīng)用。重難點(diǎn)重難點(diǎn)重點(diǎn)：電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)的基本概念，磁敏式傳感器工作原理、分類、測量電路，霍爾式傳感器的工作原理。難點(diǎn)：磁敏式傳感器的基本特性。學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求熟練掌握電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)的基本概念；掌握磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理、分類、基本特性、測量電路；掌握霍爾式傳感器的工作原理；了解霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)、基本特性、誤差及其補(bǔ)償；了解磁電感應(yīng)式傳感器、霍爾式傳感器的應(yīng)用。磁電式傳感器磁電式傳感器定義：定義：通過磁電作用，將被測量的變化轉(zhuǎn)通過磁

4、電作用，將被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膫鞲衅?。變?yōu)殡娦盘柕膫鞲衅?。分類：分類?磁電感應(yīng)式傳感器：利用磁電感應(yīng)式傳感器：利用法拉第電磁法拉第電磁感應(yīng)定律感應(yīng)定律，測量磁場和位置速度等，測量磁場和位置速度等 霍爾式傳感器：利用霍爾式傳感器：利用霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)，測量，測量磁場、位置、速度、電壓、電流等磁場、位置、速度、電壓、電流等 磁敏傳感器：利用磁敏傳感器：利用磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)，測量轉(zhuǎn)，測量轉(zhuǎn)速、磁通、電流、流量等速、磁通、電流、流量等7.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器簡稱磁電感應(yīng)式傳感器簡稱感應(yīng)式傳感器感應(yīng)式傳感器，根據(jù)電磁感應(yīng)原，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對

5、運(yùn)動而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電理，利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運(yùn)動而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動勢即將運(yùn)動速度轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢輸出。是典型的無源傳感動勢即將運(yùn)動速度轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢輸出。是典型的無源傳感器。反向使用時可構(gòu)成力發(fā)生器或電磁激振器，稱為器。反向使用時可構(gòu)成力發(fā)生器或電磁激振器，稱為電動式電動式傳感器傳感器。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：一種機(jī)：一種機(jī)-電能量變換型傳感器，不需要供電電源，電電能量變換型傳感器，不需要供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應(yīng)范路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍（一般為圍（一般為101000Hz），只適用于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等），只適用于振動、轉(zhuǎn)速、扭

6、矩等動態(tài)測量。動態(tài)測量。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：尺寸和重量都較大。：尺寸和重量都較大。磁電式傳感器磁電式傳感器機(jī)械能機(jī)械能電電 量量 電感式傳感器是把電感式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換成電感量被測量轉(zhuǎn)換成電感量的變化，磁電式傳感的變化，磁電式傳感器通過檢測磁場的變器通過檢測磁場的變化測量被測量。化測量被測量。磁電傳感器磁電傳感器7.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)類型工作原理和結(jié)構(gòu)類型磁電感應(yīng)式傳感器是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的。磁電感應(yīng)式傳感器是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，N匝線圈在磁場中匝線圈在磁場中運(yùn)動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，線運(yùn)動切割磁力線或線圈所在磁場

7、的磁通變化時，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e的大小取決于穿過線圈的的大小取決于穿過線圈的磁通磁通的變化率，即的變化率，即dtdNe 磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈與磁磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈與磁場的相對運(yùn)動速度有關(guān)，故若改變其中一個因素，場的相對運(yùn)動速度有關(guān)，故若改變其中一個因素，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。 根據(jù)以上原理有兩種磁電感應(yīng)式傳感器：根據(jù)以上原理有兩種磁電感應(yīng)式傳感器： 恒磁通式恒磁通式：磁路系統(tǒng)恒定磁場，運(yùn)動部件可以是：磁路系統(tǒng)恒定磁場，運(yùn)動部件可以是線圈也可以是磁鐵。線圈也可以是磁鐵。 變磁通式變磁通式：線圈、磁鐵靜止

8、不動，轉(zhuǎn)動物體引起：線圈、磁鐵靜止不動，轉(zhuǎn)動物體引起磁阻、磁通變化。磁阻、磁通變化。 1.恒磁通式恒磁通式 由永久磁鐵、線圈、彈簧和骨架組成，磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒由永久磁鐵、線圈、彈簧和骨架組成，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，氣隙中的磁通定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，氣隙中的磁通也恒定不變，感應(yīng)電勢是由于線圈相對于永久磁鐵運(yùn)動時切也恒定不變，感應(yīng)電勢是由于線圈相對于永久磁鐵運(yùn)動時切割磁力線產(chǎn)生的，運(yùn)動部件可以是線圈也可以是磁鐵，結(jié)構(gòu)割磁力線產(chǎn)生的，運(yùn)動部件可以是線圈也可以是磁鐵，結(jié)構(gòu)常分為動圈式和動磁式常分為動圈式和動磁式下圖所示為動圈式磁電感應(yīng)式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖

9、。當(dāng)線圈在垂直于磁場方向作直線運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，若以線圈相對磁場運(yùn)動的速度v或角速度表示，則所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e為 式中l(wèi)每匝線圈的平均長度； B線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；NBlve式中l(wèi)每匝線圈的平均長度； B線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度； S每匝線圈的平均截面積 。 NBse 在傳感器中當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，在傳感器中當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、l、N、S均為定值，感應(yīng)電動勢均為定值，感應(yīng)電動勢e與線圈相對磁場的運(yùn)與線圈相對磁場的運(yùn)動速度動速度(v或或)成正比，所以這類傳感器的基本成正比，所以這類傳感器的基本形式是形式是速度傳感器速度傳感器，能直接測量，能直接測量線速度線速度或或角速角速度度。如果在其測

10、量電路中接入積分電路或微分。如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測量電路，那么還可以用來測量位移位移或或加速度加速度。但。但由上述工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器由上述工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適只適用于動態(tài)測量用于動態(tài)測量。NBseNBlve2變磁通式變磁通式開磁路式開磁路式閉磁路式閉磁路式 變磁通式的線圈和永久磁鐵都是靜止的，感應(yīng)電勢變磁通式的線圈和永久磁鐵都是靜止的，感應(yīng)電勢由變化的磁通產(chǎn)生。由變化的磁通產(chǎn)生。 圖為圖為開磁路開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動， 測量齒輪安裝在被測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

11、個齒，旋轉(zhuǎn)體上，隨被測體一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個齒， 齒的凹凸引起磁路磁阻變齒的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)生感應(yīng)電勢，其變化頻率等于被測化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速n與測量齒輪上齒數(shù)與測量齒輪上齒數(shù)z的乘積。由頻率計測得的乘積。由頻率計測得f，即可求得轉(zhuǎn)速，即可求得轉(zhuǎn)速n。這種。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。測量高轉(zhuǎn)速的場合。 zfn60 圖為圖為閉磁路閉磁路變磁通式傳感器，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪變磁通式傳感器

12、，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪5和和外齒輪外齒輪6、永久磁鐵、永久磁鐵1和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。 當(dāng)當(dāng)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)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)、外齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而動，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。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。 7.1.4 7.1.4 信號調(diào)理電路信號調(diào)理電

13、路 為便于各級阻抗匹配，將積分為便于各級阻抗匹配，將積分電路和微分電路置于兩極放大電路和微分電路置于兩極放大器之間。器之間。 直接輸出電動勢測量速度；直接輸出電動勢測量速度； 接入積分電路測量位移；接入積分電路測量位移； 接入微分電路測量加速度。接入微分電路測量加速度。 xvtdvadtNBlve7.1.5磁電式傳感器的應(yīng)用舉例磁電式傳感器的應(yīng)用舉例v 磁電式扭距傳感器：磁電式扭距傳感器： 當(dāng)扭距作用在轉(zhuǎn)軸上時，兩個磁電傳感器輸出的感應(yīng)當(dāng)扭距作用在轉(zhuǎn)軸上時，兩個磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓電壓u u1 1、u u2 2存在相位差，相差與扭距的扭轉(zhuǎn)角成正比，存在相位差，相差與扭距的扭轉(zhuǎn)角成正比，傳感

14、器可以將扭距引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號。傳感器可以將扭距引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號。轉(zhuǎn)軸測量電路測量電路磁電傳感器磁電傳感器1 1磁電傳感器磁電傳感器2 2齒型轉(zhuǎn)盤齒型轉(zhuǎn)盤u u1 1u u2 2u u u電磁心音傳感器電磁心音傳感器u電磁血流量計電磁血流量計例子例子1：某磁電傳感器的總剛度為某磁電傳感器的總剛度為3200N/m，測得其固有頻，測得其固有頻率為率為20Hz。若欲使其固有頻率降低為為。若欲使其固有頻率降低為為10Hz，則其剛度應(yīng)，則其剛度應(yīng)該為多大？該為多大？mc0解：解：固有頻率為：固有頻率為：其中，其中，c為彈簧剛度；為彈簧剛度；m為質(zhì)量塊質(zhì)量；為質(zhì)量塊質(zhì)量；因此

15、有：因此有：m320020 mx10 x32002 m/N 800 x 兩個式子相比：兩個式子相比：18781878年美國物理學(xué)家霍爾首先發(fā)現(xiàn)金屬中的霍爾效年美國物理學(xué)家霍爾首先發(fā)現(xiàn)金屬中的霍爾效應(yīng)，因?yàn)樘鯖]有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)，因?yàn)樘鯖]有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料現(xiàn)半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)非常明顯，并且體積的霍爾效應(yīng)非常明顯，并且體積小有利于集成化。霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)。小有利于集成化。霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)?；魻杺鞲衅魇悄壳皣鴥?nèi)外霍爾傳感器是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣應(yīng)用最廣的一種磁電式傳的一種磁電式傳感器，利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換，可以檢測微位

16、移、感器，利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換，可以檢測微位移、轉(zhuǎn)速、流量、角度，也可以制作高斯計、電流表、功轉(zhuǎn)速、流量、角度，也可以制作高斯計、電流表、功率計、乘法器、接近開關(guān)和無刷直流電機(jī)等率計、乘法器、接近開關(guān)和無刷直流電機(jī)等7.2 霍爾傳感器霍爾傳感器 1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場中，磁的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I 流過薄片時，在垂流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?，F(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B B為零時的情況

17、為零時的情況c cd da ab b7.2 .1霍爾效應(yīng)與霍爾元件霍爾效應(yīng)與霍爾元件 磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B B 較大時的情況較大時的情況 作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度B越強(qiáng)，越強(qiáng)，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱莼魻栯妱菀簿驮礁?。霍爾電勢UH可用下式表可用下式表示：示： UH=KH（霍爾常數(shù)）（霍爾常數(shù)） IB霍爾效應(yīng)演示霍爾效應(yīng)演示 當(dāng)磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖當(dāng)磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，直至在半導(dǎo)體薄向內(nèi)側(cè)偏移，直至在半導(dǎo)體薄片片c、d方向的端面之間建立起穩(wěn)定的霍爾方向的端面之間建立起穩(wěn)定的霍爾電勢。電勢。c cd da

18、ab b磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢 若磁感應(yīng)強(qiáng)度若磁感應(yīng)強(qiáng)度B B不垂直于霍爾元件，而是不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度與其法線成某一角度 時，實(shí)際上作用于霍爾時，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即片垂直的方向）的分量，即B Bcoscos ，這時的霍爾，這時的霍爾電勢為電勢為 U UH H= =K KH HIBIBcoscos 結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正成正比，且當(dāng)比，且當(dāng)B的方向改變時，霍爾電勢的方向也

19、隨之改的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。頻率的交變電勢。 工作原理工作原理 設(shè)霍爾片的長度為設(shè)霍爾片的長度為l，寬度為，寬度為b，厚度為，厚度為d。又設(shè)電子以均勻的速。又設(shè)電子以均勻的速度度v運(yùn)動，則在垂直方向施加的磁運(yùn)動，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它受到的作用下，它受到洛侖洛侖茲力茲力 q電子電量電子電量(1.6210- -19C)； v電子運(yùn)動速度。電子運(yùn)動速度。同時，作用于電子的同時，作用于電子的電場力電場力 當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時qvBfLbqU

20、qEfHHE/bqUqvBH/dnqvbdjbInqbdIv/pqbdIv/霍耳電勢UH與 I、B的乘積成正比，而與d 成反比。dIBRdnIBUHHq電流密度j=nqvnN型半導(dǎo)體中的電子濃度N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體HR 霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。材料電阻率pP型半導(dǎo)體中的空穴濃度型）（型PqpNqnRH1)(1載流子遷移率,=v/E,即單位電場強(qiáng)度作用下載流子的平均速度。定義 KH=RH / d KH霍耳器件的靈敏度。它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺霍耳器件的靈敏度。它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時霍耳電勢寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電

21、流時霍耳電勢的大小。的大小。若磁感應(yīng)強(qiáng)度若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍爾器件的平面法線夾角為的方向與霍爾器件的平面法線夾角為時，霍時，霍爾電爾電勢勢應(yīng)為：應(yīng)為： UH KH I B UH KH I B cos 注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出霍爾電霍爾電勢的勢的方向也改變。但當(dāng)磁場與電流同時改變方向時，方向也改變。但當(dāng)磁場與電流同時改變方向時，霍爾電霍爾電勢并不勢并不改變方向。改變方向。HHRKd1HRnq HHUKIB討論討論： 任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不是都可任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不是都可 以制造霍爾元件以

22、制造霍爾元件; ; 絕緣材料電阻率絕緣材料電阻率很大，電子遷移率很大，電子遷移率很小，不適用；很小，不適用； 金屬材料電子濃度金屬材料電子濃度n n很高，很高，R RHH很小，很小，U UH H很小很小; ; 半導(dǎo)體材料電阻率半導(dǎo)體材料電阻率較大較大 R RH H大，非常適于做霍爾元件，大，非常適于做霍爾元件，半半導(dǎo)體中電子遷移率一般大于空穴的遷移率導(dǎo)體中電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多，所以霍爾元件多采用采用 N N 型半導(dǎo)體（多電子）型半導(dǎo)體（多電子）; ; 由上式可見，厚度由上式可見，厚度d d越小，霍爾靈敏度越小，霍爾靈敏度 K KH H 越大，越大， 所以霍爾元件做的較

23、薄，通常近似所以霍爾元件做的較薄，通常近似1 1微米微米(d1(d1m)m) 。 當(dāng)當(dāng)RH ，d一定時，即載流材料和幾何尺寸一定時，即載流材料和幾何尺寸一定時，霍爾電勢一定時，霍爾電勢電流電流I（磁場（磁場B一定時）或一定時）或磁場磁場B（電流（電流I一定時），所以霍爾傳感器可一定時），所以霍爾傳感器可以用來測量磁場或檢測電流。以用來測量磁場或檢測電流。dIBRUHH 當(dāng)霍爾元件在一個線性梯度磁場中移動時，當(dāng)霍爾元件在一個線性梯度磁場中移動時，輸出霍爾電勢的大小反映了磁場變化，即可測量輸出霍爾電勢的大小反映了磁場變化，即可測量微小位移、壓力或者機(jī)械振動等微小位移、壓力或者機(jī)械振動等優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：

24、霍爾元件使用壽命長、可靠性高、霍爾元件使用壽命長、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)簡單，外圍電路簡單、外圍電路簡單、體積小、體積小、動態(tài)動態(tài)特性好、頻帶寬、特性好、頻帶寬、易微型化集成化易微型化集成化 。因而。因而在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率低，受溫度影響大。轉(zhuǎn)換效率低，受溫度影響大。習(xí)題習(xí)題8：已知霍爾元件厚度已知霍爾元件厚度1mm，沿長度方向通有，沿長度方向通有1mA電流，電流，在垂直方向加均勻磁場在垂直方向加均勻磁場B=0.3T，靈敏度，靈敏度SH=22V/(AT)，試求，試求輸出霍爾電勢及載流子濃度？輸出霍爾電勢及載流子濃度？nedIBUH(V)

25、 106 . 63 . 01012233IBSUHHnedSH131012211eedSnH解：解：習(xí)題習(xí)題9：霍爾元件靈敏度霍爾元件靈敏度SH=40V/(AT)，控制電流為，控制電流為3mA，將，將其置于其置于B=1*10-45*10-4 T的線性變化磁場中，其輸出霍爾電的線性變化磁場中，其輸出霍爾電勢的范圍有多大？勢的范圍有多大？IBSUHH(V) 102 . 110110340543minminIBSUHH(V) 10610510340543maxmaxIBSUHH解：解：霍爾電勢變化范圍在霍爾電勢變化范圍在12uV60uV之間。之間?；魻栐牧匣魻栐牧?材材 料料電阻率電阻率（m

26、）載流子遷移載流子遷移率率（cm2v-1s-1）霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)（cm2c-1）鍺（鍺（Ge）10-23.61034.25103硅（硅（Si）（溫度）（溫度系數(shù)小，線性好）系數(shù)小，線性好）1.510-22.25103砷化銦（砷化銦（InAs）（溫度系數(shù)小，（溫度系數(shù)小，線性好）線性好）2.510-33104350銻化銦（銻化銦（InAb）（溫度系數(shù)大）（溫度系數(shù)大）710-3610410002 霍爾元件霍爾元件霍爾元件構(gòu)造霍爾元件構(gòu)造控制電極控制電極 國產(chǎn)霍爾元件別號的命名方法如下：國產(chǎn)霍爾元件別號的命名方法如下：常見的國產(chǎn)霍爾元件型號有常見的國產(chǎn)霍爾元件型號有HZ1HZ1、HZ2HZ2、HZ

27、3HZ3、HT1HT1、HT2HT2、HS1HS1等。等。控制電流控制電流I；霍爾電勢霍爾電勢UH；控制電壓控制電壓V；輸出電阻輸出電阻R0；輸入電阻輸入電阻Ri；霍爾負(fù)載電阻霍爾負(fù)載電阻RL；霍爾電流霍爾電流IH。 圖中控制電流圖中控制電流I由電源由電源E供給供給, ,R為調(diào)節(jié)電阻為調(diào)節(jié)電阻, ,保證器件內(nèi)所需控制電流保證器件內(nèi)所需控制電流I?；??；魻栞敵龆私迂?fù)載爾輸出端接負(fù)載RL， RL可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場磁場B垂直通過垂直通過霍爾霍爾器件器件, ,在磁場與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。在磁場與控制電流作用下，

28、由負(fù)載上獲得電壓。VHRLVBIEIH霍爾器件的基本電路R實(shí)際使用時實(shí)際使用時, ,器件輸入信號可以是器件輸入信號可以是I I或或B B，或者，或者IBIB, ,而輸出可以正比于而輸出可以正比于I I或或B B, , 或者正比于其乘積或者正比于其乘積IBIB。7.2.27.2.2信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路霍爾元件的測量電路及符號霍爾元件的測量電路及符號霍耳輸出端的端子C、D相應(yīng)地稱為霍耳端或輸出端。若霍耳端子間連接負(fù)載,稱為霍耳負(fù)載電阻或霍耳負(fù)載。電流電極間的電阻，稱為輸入電阻，或者控制內(nèi)阻?；舳俗娱g的電阻，稱為輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻。 器件電流(控制電流或輸入電流):流入到器件內(nèi)的電流。電

29、流端子A、B相應(yīng)地稱為器件電流端、控制電流端或輸入電流端。H霍耳器件符號AAABBBCCCDDDHHIRUBIK Id11HIHVRKUBUUKURdR上兩式是霍爾器件中的基本公式。即：輸入電流或輸入電壓和霍爾輸出電勢完全呈線性關(guān)系。如果輸入電流或電壓中任一項(xiàng)固定時，磁感應(yīng)強(qiáng)度和輸出電勢之間也完全呈線性關(guān)系。同樣，若給出控制電壓U，由于U=R1I，可得控制電壓和霍爾電勢的關(guān)系式設(shè)霍爾片厚度d均勻，電流I和霍爾電場的方向分別平行于長、短邊界，則控制電流I和霍耳電勢UH的關(guān)系式 霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類?；魻柤呻娐房煞譃榫€性型和開關(guān)型兩大類。 線性型集成電路是將霍線性型集成電路是將

30、霍爾元件和恒流源、線性差動爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，放大器等做在一個芯片上，輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系。廣泛用于位置、線性關(guān)系。廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁力、重量、厚度、速度、磁場、電場等的測量和控制。場、電場等的測量和控制。輸出電壓為伏級，比直接使輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。較典用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如型的線性型霍爾器件如UGN3501等。等。 線性型三端線性型三端 霍爾集成電路霍爾集成電路霍爾集成傳感器霍爾集成傳感器單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H穩(wěn)壓H3V

31、CC地4輸出輸出18675 雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖 單端輸出的傳感器是一個三端器件，它的輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線性響應(yīng)，通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。其典型產(chǎn)品是UGN3501T。 雙端輸出的傳感器是一個8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是UGN3501M。開關(guān)型霍爾集成電路開關(guān)型霍爾集成電路 開關(guān)型霍爾集成電路將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)開關(guān)型霍爾集成電路將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。特點(diǎn)是輸門（集電極開路輸出門

32、）等電路做在同一個芯片上。特點(diǎn)是輸出電壓為高低電平兩種狀態(tài)。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時，出電壓為高低電平兩種狀態(tài)。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)殚T由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖降碗娖剑划?dāng)外加磁場強(qiáng)度低于；當(dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時，釋放點(diǎn)時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平高電平。較典型的開關(guān)型霍爾。較典型的開關(guān)型霍爾器件如器件如CS系列和系列和UGN3020等。可做成無觸點(diǎn)、無抖動、高可靠、長壽等?？勺龀蔁o觸點(diǎn)、無抖動、高可靠、長壽命的接近開關(guān)或按鍵開關(guān)，廣泛用于計數(shù)裝置以及汽車點(diǎn)火等系統(tǒng)。命的接近開關(guān)或按鍵開關(guān)，廣泛

33、用于計數(shù)裝置以及汽車點(diǎn)火等系統(tǒng)。溫度特性溫度特性（a）RH與溫度的關(guān)系；與溫度的關(guān)系； （b）與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系RH/cm2/A-1-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/0246/710-3cmLnAs20015010050LnSbT/07.2.3誤差分析及補(bǔ)償方法誤差分析及補(bǔ)償方法1、溫度補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償 霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時，霍爾元件的載流子濃度、溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時，霍爾元件的載流子濃度、 遷移率、電阻率及霍爾遷移率、

34、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化，從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。系數(shù)都將發(fā)生變化，從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。溫度誤差的補(bǔ)償溫度誤差的補(bǔ)償 溫度變化會引起霍爾元件輸入電阻變化，才用恒溫度變化會引起霍爾元件輸入電阻變化，才用恒壓源供電時，控制電流將發(fā)生變化而帶來誤差。為了壓源供電時，控制電流將發(fā)生變化而帶來誤差。為了減小輸入電阻隨溫度變化而引起的誤差，減小輸入電阻隨溫度變化而引起的誤差， 除選用溫度除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外，采用系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外，采用恒流源恒流源供電是供電是個有效措施，可以使霍爾電勢穩(wěn)定。個有效措施，可以使霍爾電勢穩(wěn)定。 電路中電路中I Is s為恒流源，分流

35、電阻為恒流源，分流電阻R RT T與霍爾元件的激勵電極與霍爾元件的激勵電極相并聯(lián)。為了使霍爾電勢在溫度升高前后保持不變，當(dāng)霍爾相并聯(lián)。為了使霍爾電勢在溫度升高前后保持不變，當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻R RT T自動自動地增大分流，減小了霍爾元件的激勵電流地增大分流，減小了霍爾元件的激勵電流I IH H，從而達(dá)到補(bǔ)償，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹５哪康摹?T 2 不等位電勢和不等位電阻不等位電勢和不等位電阻 當(dāng)霍爾元件的控制電流為當(dāng)霍爾元件的控制電流為I時，不加外磁場時，時，不加外磁場時， 則則它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零。這

36、時測得的它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢?？蛰d霍爾電勢稱為不等位電勢。 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有：有： 霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；上； 半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是半導(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；幾何尺寸不均勻； 電極與霍爾元件接觸不良造成激勵電流不均勻電極與霍爾元件接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。分布等。 霍爾元件不等位電勢補(bǔ)償霍爾元件不等位電勢補(bǔ)償 不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超過不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超

37、過霍爾電勢，霍爾電勢， 而實(shí)用中要消除不等位電勢是極其困難的，因而必而實(shí)用中要消除不等位電勢是極其困難的，因而必須采用補(bǔ)償?shù)姆椒?。分析不等位電勢時，可以把霍爾元件等效須采用補(bǔ)償?shù)姆椒ā７治霾坏任浑妱輹r，可以把霍爾元件等效為一個電橋，為一個電橋， 用分析電橋平衡來補(bǔ)償不等位電勢。用分析電橋平衡來補(bǔ)償不等位電勢。 不等位電勢的補(bǔ)償：不等位電勢的補(bǔ)償： 分析不等位電勢時可把霍爾元件等效為一個電橋，不等位電壓分析不等位電勢時可把霍爾元件等效為一個電橋，不等位電壓相當(dāng)于橋路四個電阻不相等，初始有不平衡輸出相當(dāng)于橋路四個電阻不相等，初始有不平衡輸出U U0 000，可在電，可在電阻大的橋臂上并聯(lián)電阻。或在

38、相鄰橋臂上同時并聯(lián)電阻，仔細(xì)阻大的橋臂上并聯(lián)電阻?；蛟谙噜彉虮凵贤瑫r并聯(lián)電阻，仔細(xì)調(diào)節(jié)并聯(lián)電阻的阻值，就可以補(bǔ)償霍爾元件的不等位電勢。調(diào)節(jié)并聯(lián)電阻的阻值，就可以補(bǔ)償霍爾元件的不等位電勢。7.2.4 霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾式傳感器的應(yīng)用1、霍爾式位移傳感器、霍爾式位移傳感器2、霍爾式壓力傳感器、霍爾式壓力傳感器7.2.4霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾元件霍爾元件測量鐵心測量鐵心 氣隙的氣隙的B值值霍爾傳感器用于測量磁場強(qiáng)度霍爾傳感器用于測量磁場強(qiáng)度霍爾轉(zhuǎn)速表霍爾轉(zhuǎn)速表60 22fn 在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取在被測轉(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

39、系機(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。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霍爾轉(zhuǎn)速表原理霍爾轉(zhuǎn)速表原理 當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，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

40、時，輸出為低電平。的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時，輸出為低電平。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用中的應(yīng)用 若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微帶有微型磁鐵型磁鐵的霍爾的霍爾傳感器傳感器鋼質(zhì)鋼質(zhì)霍爾霍爾霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置 采用霍爾式采用霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置能較好地克裝置能較好地克服汽車合金觸點(diǎn)服汽車合金觸點(diǎn)點(diǎn)火時間不準(zhǔn)確、點(diǎn)火時間不準(zhǔn)確、觸

41、點(diǎn)易燒壞、高觸點(diǎn)易燒壞、高速時動力不足等速時動力不足等缺點(diǎn)。缺點(diǎn)。 汽車點(diǎn)火線圈汽車點(diǎn)火線圈高壓輸出高壓輸出接頭接頭12V低壓電源低壓電源輸入接頭輸入接頭汽車電子點(diǎn)火裝置使用的汽車電子點(diǎn)火裝置使用的 點(diǎn)火控制器、霍爾傳感器點(diǎn)火控制器、霍爾傳感器及點(diǎn)火總成及點(diǎn)火總成磁鐵磁鐵點(diǎn)火總成點(diǎn)火總成霍爾式無刷電動機(jī)霍爾式無刷電動機(jī) 霍爾式無刷電動機(jī)取消了換霍爾式無刷電動機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的電子線路，從而控制電樞電流的換

42、向，維持電動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。換向，維持電動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無刷電動機(jī)不產(chǎn)生電火花及由于無刷電動機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在電刷磨損等問題，所以它在錄像錄像機(jī)、機(jī)、CD唱機(jī)唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用得到越來越廣泛的應(yīng)用。 普通直流電動機(jī)使用普通直流電動機(jī)使用的電刷和換向器的電刷和換向器無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用 電動自行車電動自行車可充電可充電電池組電池組無刷電動機(jī)無刷電動機(jī)無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用 無刷直流電無刷直流電動機(jī)的動機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用外轉(zhuǎn)子采用高性能位置傳感器高性能位置傳感

43、器產(chǎn)生六個狀態(tài)編碼產(chǎn)生六個狀態(tài)編碼信號，控制逆變橋信號，控制逆變橋各功率管通斷，使各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無火花、可靠高、無火花、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。性強(qiáng)等特點(diǎn)。電動自行車的電動自行車的無刷電動機(jī)及控制電路無刷電動機(jī)及控制電路 去速度去速度控制器控制器 利用利用PWM調(diào)速調(diào)速光驅(qū)用的無刷電動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)光驅(qū)用的無刷電動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)霍爾式接近開關(guān)霍爾式接近開關(guān) 當(dāng)磁鐵的有效磁當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動作極接近、并達(dá)到動作距離時，霍爾式接近距離時，霍爾式接近開關(guān)動作?；魻柦咏_關(guān)動作。霍爾接近開關(guān)一般還配一塊釹

44、開關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。鐵硼磁鐵?；魻柺浇咏_關(guān)用于轉(zhuǎn)霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示速測量演示n= = 6060f4(r/min)軟鐵分流翼片 開關(guān)型霍爾開關(guān)型霍爾IC IC T T霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器 將被測電流的導(dǎo)線將被測電流的導(dǎo)線穿過霍爾電流傳感器穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當(dāng)有電流的檢測孔。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，磁周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵心內(nèi)，力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產(chǎn)過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍生與電流成正比的霍爾電壓。爾電壓?；魻栯娏鱾鞲衅餮菔净魻栯娏鱾鞲衅餮菔捐F心鐵心 線

45、性霍爾線性霍爾IC EH=KH IB 所實(shí)現(xiàn)的多媒體界面：所實(shí)現(xiàn)的多媒體界面：其他霍爾其他霍爾 電電流傳感器流傳感器其他霍爾電流傳其他霍爾電流傳感器（續(xù)）感器（續(xù)）霍爾鉗形電流表（交直流兩用）霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌壓舌豁口豁口霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示直流直流200A量程量程被測電流的被測電流的導(dǎo)線未放入導(dǎo)線未放入鐵心時示值鐵心時示值為零為零70.9A70.9A鉗形表的環(huán)形鐵鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開，心可以張開， 導(dǎo)線由此穿過導(dǎo)線由此穿過霍爾鉗形霍爾鉗形 電電流表演示流表演示霍爾鉗形霍爾鉗形 電流表演示電流表演示霍爾鉗形霍爾鉗形 電流表演示電流表演示70.9A70.9A霍爾

46、鉗形電流表的使用霍爾鉗形電流表的使用被測電流的導(dǎo)線從此處穿入被測電流的導(dǎo)線從此處穿入鉗形表的環(huán)形鐵心鉗形表的環(huán)形鐵心手指按下此處，將鉗形表的手指按下此處，將鉗形表的鐵心張開鐵心張開將被測電流導(dǎo)線逐根夾將被測電流導(dǎo)線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中到鉗形表的環(huán)形鐵心中霍爾鉗形電流表的使用（續(xù)）霍爾鉗形電流表的使用（續(xù)） 叉形叉形鉗形表鉗形表漏磁稍大，漏磁稍大，但使用方便但使用方便 用用鉗形表測量鉗形表測量 電動機(jī)的相電流電動機(jī)的相電流霍爾式電流諧霍爾式電流諧波分析儀波分析儀 被測電流的被測電流的諧波頻譜諧波頻譜鐵心的鐵心的 開合縫隙開合縫隙 鐵心的鐵心的 杠桿壓舌杠桿壓舌霍爾元件在無損損傷中的應(yīng)用霍爾

47、元件在無損損傷中的應(yīng)用鐵磁材料具有高磁導(dǎo)特性，外加磁場作用鐵磁材料具有高磁導(dǎo)特性，外加磁場作用下無缺陷時，磁力線絕大部分通過鐵磁材下無缺陷時，磁力線絕大部分通過鐵磁材料且材料內(nèi)部磁力線均勻分布。料且材料內(nèi)部磁力線均勻分布。有缺陷時，缺陷處磁導(dǎo)率遠(yuǎn)比鐵磁材料本有缺陷時，缺陷處磁導(dǎo)率遠(yuǎn)比鐵磁材料本身小，則磁力線發(fā)生彎曲，且有一部分磁身小，則磁力線發(fā)生彎曲，且有一部分磁力線泄漏出材料表面，采用霍爾元件檢測力線泄漏出材料表面，采用霍爾元件檢測出該泄漏磁場強(qiáng)度的變化，即可有效檢測出該泄漏磁場強(qiáng)度的變化，即可有效檢測出缺陷的存在。出缺陷的存在。7.4.1 磁敏電阻磁敏電阻7.4 磁敏傳感器磁敏傳感器 磁敏

48、電阻是一種電阻值隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。1 1、磁阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng) 將通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片置于與將通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片置于與電流相垂直的磁場中，除產(chǎn)生電流相垂直的磁場中，除產(chǎn)生霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)外，由于運(yùn)動外，由于運(yùn)動的載流子收到磁場力的作用會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，使載流子經(jīng)的載流子收到磁場力的作用會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，使載流子經(jīng)過的路程增加，遷移率減小，電阻率增加，電阻值就過的路程增加，遷移率減小，電阻率增加，電阻值就增加。此種現(xiàn)象稱為增加。此種現(xiàn)象稱為磁致電阻變化效應(yīng)磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為，簡稱為磁阻磁阻效應(yīng)效應(yīng)。選擇合適的磁敏電阻。選擇合適的磁

49、敏電阻形狀形狀，可以使霍爾效應(yīng)減，可以使霍爾效應(yīng)減弱或消除，磁阻效應(yīng)增強(qiáng)。弱或消除，磁阻效應(yīng)增強(qiáng)。 在磁場中，電流的流動路徑會因磁場的作用而加長，使得材料的電阻在磁場中，電流的流動路徑會因磁場的作用而加長，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導(dǎo)體材料的兩種載流子率增加。若某種金屬或半導(dǎo)體材料的兩種載流子 (電子和空穴電子和空穴 )的遷移率十的遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化分懸殊，主要由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化 ,它可表示為：它可表示為：2000npPBN 為磁感應(yīng)強(qiáng)度；為磁感應(yīng)強(qiáng)度；N,P:電子和空穴的數(shù)量；電子和空穴的數(shù)量；材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為時的電材料

50、在磁感應(yīng)強(qiáng)度為時的電阻率；阻率；0 材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時的電阻率；時的電阻率；載流子的遷移率。載流子的遷移率。20(1)BnpPBN 電阻率變化主要由遷移率較大的一種載流子引起，它可表示為：電阻率變化主要由遷移率較大的一種載流子引起，它可表示為：22000273. 0B當(dāng)材料中僅存在一種載流子時磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略，此時霍耳效應(yīng)更為強(qiáng)烈。當(dāng)材料中僅存在一種載流子時磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略，此時霍耳效應(yīng)更為強(qiáng)烈。若在電子和空穴都存在的材料（如若在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應(yīng)很強(qiáng)。）中，則磁阻效應(yīng)很強(qiáng)。 磁阻效應(yīng)還與樣品的形狀、磁阻效應(yīng)還與樣品的形狀、尺寸密切

51、相關(guān)。尺寸密切相關(guān)。這種與樣品形這種與樣品形狀、尺寸有關(guān)的磁阻效應(yīng)稱為狀、尺寸有關(guān)的磁阻效應(yīng)稱為幾何磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng)。 長方形磁阻器件只有在長方形磁阻器件只有在L(長度長度)W（寬度）的條件下，（寬度）的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。才表現(xiàn)出較高的靈敏度。把把LW長方形磁阻材料上面制作長方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬條（即許多平行等間距的金屬條（即短短路柵格路柵格），），以短路霍耳電勢以短路霍耳電勢，這，這種柵格磁阻器件種柵格磁阻器件,如圖如圖b）所示，就）所示，就相當(dāng)于許多相當(dāng)于許多LW扁條狀磁阻串聯(lián)。扁條狀磁阻串聯(lián)。所以柵格磁阻器件既增加了零磁所以柵格磁阻器件既增加了零磁場電

52、阻值、又提高了磁場電阻值、又提高了磁阻器件的阻器件的靈敏度。靈敏度。 L幾何磁阻效應(yīng)WBIa)BIb) 常用的磁阻元件有半導(dǎo)體磁阻元件和強(qiáng)磁磁阻元件。其常用的磁阻元件有半導(dǎo)體磁阻元件和強(qiáng)磁磁阻元件。其內(nèi)部有制作成半橋或全橋等多種形式。內(nèi)部有制作成半橋或全橋等多種形式。1） 靈敏度特性靈敏度特性 磁阻元件的靈敏度特性是在我國某些廠家是用在一定磁場強(qiáng)度下的電阻變化率一定磁場強(qiáng)度下的電阻變化率來表示來表示，即磁場電阻特性的斜率。國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)是用RB/R0求得，R0表示無磁場情況下，磁阻元件的電阻值，RB為在施加0.3T磁感應(yīng)強(qiáng)度時磁阻元件表現(xiàn)出來的電阻值，這種情況下，一般磁阻元件的靈敏度大于2.

53、7。 2 2、磁阻元件的主要特性、磁阻元件的主要特性2）磁場電阻特性 15RBR0105溫度(25)弱磁場下呈平方特性變化強(qiáng)場下呈直線特性變化0(b) 電阻變化率特性0.2 0.40.6 0.81.0 1.21.4B/T在0.1T以下的弱磁場中，曲線呈現(xiàn)平方特性，而超過0.1T后呈現(xiàn)線性變化 當(dāng)輸入電流當(dāng)輸入電流I，在垂直方向外加磁感應(yīng)強(qiáng)度，在垂直方向外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B時，由于磁感應(yīng)強(qiáng)度時，由于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用會使的作用會使電流方向發(fā)生傾斜而導(dǎo)致電阻值增大，其電阻值與磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化曲線如圖電流方向發(fā)生傾斜而導(dǎo)致電阻值增大，其電阻值與磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化曲線如圖a0.30.20.100.10.2

54、0.3R/1000500S級級(a) S、N級之間電阻特性B/TN級級磁阻元件的電阻值與磁場的極性無關(guān)，它只隨磁場強(qiáng)度的增加而增加3）電阻溫度特性 半導(dǎo)體磁阻元件半導(dǎo)體磁阻元件的溫度特性不好。電阻值在的溫度特性不好。電阻值在35的變化范圍的變化范圍內(nèi)減小了內(nèi)減小了1/2。因此，在應(yīng)用時，一般都要設(shè)計溫度補(bǔ)償電路。因此，在應(yīng)用時，一般都要設(shè)計溫度補(bǔ)償電路。10384210242106-4002060100溫度/電阻變化率% 半導(dǎo)體元件電阻-溫度特性曲線 7.4.2 7.4.2 磁敏二極管和磁敏三極管磁敏二極管和磁敏三極管 霍爾元件和磁敏電阻是用霍爾元件和磁敏電阻是用N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體材材料制成的

55、體型元件。料制成的體型元件。 磁敏二極管、三極管是繼霍爾元件和磁磁敏二極管、三極管是繼霍爾元件和磁敏電阻之后迅速發(fā)展起來的敏電阻之后迅速發(fā)展起來的PN結(jié)型結(jié)型的新型磁的新型磁電轉(zhuǎn)換元件。它們具有磁靈敏度高（電轉(zhuǎn)換元件。它們具有磁靈敏度高（磁靈敏磁靈敏度比霍爾元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍度比霍爾元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍）；輸出信）；輸出信號大；能識別磁場的極性；體積小、電路簡號大；能識別磁場的極性；體積小、電路簡單等特點(diǎn)，因而正日益得到重視，并在檢測、單等特點(diǎn)，因而正日益得到重視，并在檢測、控制等方面得到普遍應(yīng)用。控制等方面得到普遍應(yīng)用。 （一）磁敏二極管（一）磁敏二極管 1 1磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理磁

56、敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理 （1）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)）磁敏二極管的結(jié)構(gòu) 有硅磁敏二級管和鍺磁敏二級有硅磁敏二級管和鍺磁敏二級管兩種。磁敏二級管的結(jié)構(gòu)是管兩種。磁敏二級管的結(jié)構(gòu)是P+iN+型。與普通二極管區(qū)型。與普通二極管區(qū)別：別：普通二極管普通二極管PN結(jié)的基區(qū)結(jié)的基區(qū)i很很短，以避免載流子在基區(qū)里復(fù)短，以避免載流子在基區(qū)里復(fù)合，磁敏二級管的合，磁敏二級管的PN結(jié)卻有結(jié)卻有很很長的基區(qū)長的基區(qū)i，大于載流子的擴(kuò)散，大于載流子的擴(kuò)散長度。長度。H+H-N+區(qū)p+區(qū)i區(qū)r區(qū)電流（a）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(a)結(jié)構(gòu); (b)電路符號+（b）H+H-N+區(qū)p+區(qū)i區(qū)r區(qū)電流（a）以以2ACM1A2A

57、CM1A磁敏二級管為例，在高純度鍺半導(dǎo)體的兩磁敏二級管為例，在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的端用合金法制成高摻雜的P P型和型和N N型兩個區(qū)域，并在本型兩個區(qū)域，并在本征區(qū)（征區(qū)（i i）區(qū)的一個側(cè)面上，設(shè)置表面粗糙的高復(fù)合區(qū)）區(qū)的一個側(cè)面上，設(shè)置表面粗糙的高復(fù)合區(qū)(r(r區(qū)區(qū)) )，而與，而與r r區(qū)相對的另一側(cè)面，保持為光滑無復(fù)合區(qū)相對的另一側(cè)面，保持為光滑無復(fù)合表面。這就構(gòu)成了磁敏二極管的管芯，其結(jié)構(gòu)如圖。表面。這就構(gòu)成了磁敏二極管的管芯，其結(jié)構(gòu)如圖。 圖圖a）當(dāng)磁敏二極管的）當(dāng)磁敏二極管的P區(qū)接電源正極，區(qū)接電源正極，N區(qū)接區(qū)接電源負(fù)極電源負(fù)極,即即外加正偏壓外加正偏壓時時

58、，P+向向I區(qū)注入大量空區(qū)注入大量空穴，穴，N+區(qū)向區(qū)向I區(qū)注入大量區(qū)注入大量電子，只有少數(shù)電子和空電子，只有少數(shù)電子和空穴在穴在I區(qū)復(fù)合掉，大部分區(qū)復(fù)合掉，大部分的電子和空穴通過的電子和空穴通過I區(qū)分區(qū)分別到達(dá)別到達(dá)P+和和N+區(qū)，從而區(qū)，從而產(chǎn)生電流。產(chǎn)生電流。2 2）磁敏二極管的工作原理）磁敏二極管的工作原理 PNPNPNB=0B+B-電流電流電流（a）（b）（c）磁敏二極管的工作原理示意圖iii電子空穴復(fù)合區(qū) 圖圖b）當(dāng)磁敏二極管受到正）當(dāng)磁敏二極管受到正向磁感應(yīng)強(qiáng)度向磁感應(yīng)強(qiáng)度B+作用時，電作用時，電子和空穴受到洛倫茲力向子和空穴受到洛倫茲力向r區(qū)區(qū)偏移，由于偏移，由于r區(qū)電子和空穴

59、復(fù)區(qū)電子和空穴復(fù)合速度很快，進(jìn)入合速度很快，進(jìn)入r區(qū)的電子區(qū)的電子和空穴很快被復(fù)合掉，因此電和空穴很快被復(fù)合掉，因此電流迅速減小。流迅速減小。2 2）磁敏二極管的工作原理）磁敏二極管的工作原理 PNPNPNB=0B+B-電流電流電流（a）（b）（c）磁敏二極管的工作原理示意圖iii電子空穴復(fù)合區(qū) 圖圖c）當(dāng)磁敏二極管受到反）當(dāng)磁敏二極管受到反向磁感應(yīng)強(qiáng)度向磁感應(yīng)強(qiáng)度B-作用時，電作用時，電子和空穴受到洛倫茲力偏離子和空穴受到洛倫茲力偏離r區(qū)，電流明顯增大。區(qū)，電流明顯增大。結(jié)論：結(jié)論：磁敏二極管不僅能實(shí)現(xiàn)磁敏二極管不僅能實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換，而且隨著磁場大小磁電轉(zhuǎn)換，而且隨著磁場大小和方向的變化，可產(chǎn)

60、生正負(fù)輸和方向的變化，可產(chǎn)生正負(fù)輸出電壓的變化、也能判斷磁場出電壓的變化、也能判斷磁場的方向。特別是在較弱的磁場的方向。特別是在較弱的磁場作用下，可獲得較大輸出電壓。作用下，可獲得較大輸出電壓。若若r區(qū)和區(qū)和r區(qū)之外的復(fù)合能力之區(qū)之外的復(fù)合能力之差越大，那么磁敏二極管的靈差越大，那么磁敏二極管的靈敏度就越高。敏度就越高。 磁敏二極管反向偏置時，磁敏二極管反向偏置時，則在則在 r區(qū)僅流過很微小的電流，區(qū)僅流過很微小的電流，顯得幾乎與磁場無關(guān)。顯得幾乎與磁場無關(guān)。磁敏二極管的工作原理示意圖PNPNPNB=0B+B-電流電流電流（a）（b）（c）iii電子空穴復(fù)合區(qū)1 1磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理磁敏三