第07章磁電式傳感器

第7章磁敏式傳感器磁敏傳感器是通過磁電作用將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。本章主要介紹:磁電感應(yīng)式傳感器霍爾傳感器7.1磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將運(yùn)動速度轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電勢輸出。特點(diǎn):

1)工作不需要外加電源，而是直接從被測物體吸取機(jī)械能量并轉(zhuǎn)換成電信號輸出，這是一種典型的發(fā)電型傳感器。

2)傳感器輸出功率大，簡化了配用的二次儀表電路。3)它的性能穩(wěn)定，還可以針對使用對象做成不同的結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，線圈兩端的感應(yīng)電勢e正比于匝鏈線圈的磁通的變化率，即

Φ—匝鏈線圈的磁通；W—線圈匝數(shù)。

★若線圈在恒定磁場中作直線運(yùn)動并切割磁力線時(shí)，則線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e為式中：W—線圈的有效匝數(shù)；

B—磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；

l—每匝線圈的平均長度。x—線圈與磁場相對運(yùn)動的位移；v—線圈與磁場相對運(yùn)動的速度；θ—線圈運(yùn)動方向與磁場方向之間的夾角；當(dāng)θ=90o（線圈垂直切割磁力線）時(shí)，有：

★若線圈相對磁場作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動切割磁力線，感應(yīng)電勢為式中，ω—旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的相對角速度；

S—每匝線圈的截面積。

θ—線圈平面的法線方向與磁場方向間的夾角。●當(dāng)θ=90o時(shí)，可寫成

由上可見：當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定后，B、S、W、均為定值，因此，感應(yīng)電勢e與相對速度v（或ω

）成正比。根據(jù)上述基本原理，磁電式傳感器可分為兩種基本類型：變磁通式恒定磁通式1．變磁通式永久磁鐵與線圈均不動，感應(yīng)電勢是由變化的磁通產(chǎn)生的。如圖7-1所示的轉(zhuǎn)速傳感器。

●結(jié)構(gòu)特點(diǎn)永久磁鐵、線圈和外殼均固定不動，齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體軸上。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時(shí)，齒輪與軟鐵磁軛之間的氣隙距離隨之變化，從而導(dǎo)致氣隙磁阻和穿過氣隙的主磁通發(fā)生變化。結(jié)果在線圈中感應(yīng)出電勢。

圖(b)為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。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時(shí)，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，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。2．恒定磁通式工作氣隙中的磁通保持不變，而線圈中的感應(yīng)電勢是由于工作氣隙中的線圈相對永久磁鐵運(yùn)動，并切割磁力線產(chǎn)生的，輸出感應(yīng)電勢與相對速度成正比。磁電式振動傳感器由永久磁鐵（磁鋼）、線圈、彈簧、阻尼器和殼體等組成，如圖7-2所示。按活動部件是磁鐵還是線圈：動鋼型和動圈型。

磁電式振動傳感器的工作原理永久磁鐵相當(dāng)于二階系統(tǒng)中的質(zhì)量塊m；阻尼c大多是由金屬線圈骨架在磁場中運(yùn)動產(chǎn)生的電磁阻尼提供的，有的傳感器還兼有空氣阻尼器；測量結(jié)構(gòu)振動時(shí)傳感器殼體剛性地固定在振動物體上，傳感器殼體隨物體一起振動。它是一種典型的二階傳感器，可以用一個(gè)由集中質(zhì)量m、集中彈簧K和集中阻尼器C組成的二階系統(tǒng)來表示，如右圖磁電式傳感器接入測量電路時(shí)，若測量電路輸入電阻為Ri，則輸出電流i0

為式中，R—線圈電阻。電流靈敏度Si為電壓靈敏度Su為2基本特性說明：

B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高靈敏度，但這是有條件的，要考慮兩種情況：（1）線圈電阻與指示器電阻匹配問題因傳感器相當(dāng)于一個(gè)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。（2）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(fù)載后，線圈中有電流流過而發(fā)熱。

●當(dāng)傳感器的工作環(huán)境溫度發(fā)生變化，或受到外界磁場的干擾，或受到機(jī)械振動和沖擊時(shí)，其靈敏度都將發(fā)生變化而產(chǎn)生測量誤差。相對誤差公式如下：3磁電式傳感器的誤差1．溫度誤差

★補(bǔ)償?shù)霓k法是采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成，它在正常工作溫度下將空氣磁通分路掉一小部分。當(dāng)溫度升高時(shí)熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降，經(jīng)它分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低，從而保持空氣隙中的工作磁通不隨溫度變化，維持傳感器的靈敏度為一常數(shù)。2．磁電式傳感器的非線性誤差主要原因：

當(dāng)磁電式傳感器在進(jìn)行測量時(shí)，傳感器線圈會有電流流過，這時(shí)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)生的傳感器工作磁通上，導(dǎo)致氣隙磁通變化。這種影響分為兩種情況:附加電場與工作電場方向相同（靈敏度增大），或反之。

★為了補(bǔ)償這種磁場效應(yīng)，常在傳感器中加入“補(bǔ)償線圈”。“補(bǔ)償線圈”原理圖如圖7-4所示。3．永久磁鐵的不穩(wěn)定性誤差當(dāng)測量電路的輸入電阻Ri>>R時(shí)，磁電式傳感器的電壓靈敏度Su可近似寫成誤差公式可寫成此時(shí)永久磁鐵的穩(wěn)定性將成為誤差的決定性因素，因?yàn)橛谰么盆F磁感應(yīng)強(qiáng)度的穩(wěn)定性直接影響工作氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的穩(wěn)定性。

★永久磁鐵的磁性能會隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，為提高永磁材料的時(shí)間穩(wěn)定性，永磁材料在充磁前需要先進(jìn)行退火處理消除內(nèi)應(yīng)力。

★為了提高永久磁鐵耐受機(jī)械沖擊或振動的能力，可以事先使永久磁鐵經(jīng)受約上千次的機(jī)械振動或沖擊的環(huán)境實(shí)驗(yàn)，最后使材料的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定下來。

★

經(jīng)過這些穩(wěn)定措施之后，磁電式傳感器的靈敏度就可以穩(wěn)定在某一數(shù)值上

，不隨環(huán)境的變化而變化，可以提高測量精度，減小測量誤差。7.1.2測量電路7.1.3磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用磁電感應(yīng)式振動速度傳感器

磁電感應(yīng)式扭矩傳感器電磁流量計(jì)測量導(dǎo)電液體的體積流量7.2霍爾式傳感器霍爾式傳感器是基于霍爾效應(yīng)將被測量（如電流、磁場、位移、壓力、壓差、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器?；魻柺絺鞲衅魈攸c(diǎn):

★優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單、體積小、堅(jiān)固、頻率響應(yīng)寬（從直流到微波）、動態(tài)范圍（輸出電動勢的變化）大、非接觸、使用壽命長、可靠性高、易于微型化和集成化?！锶秉c(diǎn)：轉(zhuǎn)換率較低、溫度影響大、要求轉(zhuǎn)換精度較高時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。7.2.1霍爾效應(yīng)圖7-5霍爾效應(yīng)N型半導(dǎo)體簿片：長度l

、寬度w、厚度d位于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，B垂直于l-w平面。沿l通電流I。UHwldIFBFHvBEHabcd

半導(dǎo)體薄片置于磁場強(qiáng)度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電動勢稱為霍爾電勢，上述半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。當(dāng)N型半導(dǎo)體通電流I時(shí)，半導(dǎo)體中電子受到洛倫茲力霍爾電場產(chǎn)生的電場力FH為當(dāng)電場力與洛侖茲力相等時(shí)，達(dá)到動態(tài)平衡，這時(shí)有故霍爾電場的強(qiáng)度為流過霍爾元件的電流為所以：RH被定義為霍爾元件的霍爾系數(shù)。顯然，霍爾系數(shù)由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)決定，它反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。1)當(dāng)電子運(yùn)動的方向與外磁場強(qiáng)度的方向相互垂直時(shí)，則有霍爾電勢n是單位體積中的載流子數(shù)設(shè)KH即為霍爾元件的靈敏度，它表示一個(gè)霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓的大小.單位是mV/（mA·T）結(jié)論：

霍爾器件的靈敏度，不僅與霍爾器件的材料有關(guān)，還與尺寸有關(guān)。當(dāng)外界磁場強(qiáng)度B和激勵(lì)電流I中的一個(gè)量為常數(shù)而另一個(gè)為輸入量時(shí)，則輸出霍爾電勢正比于B或I。當(dāng)B和I均為輸入變量時(shí)，則輸出霍爾電勢正比于B和I的乘積。

2）如果磁場方向與半導(dǎo)體簿片法線方向不垂直，其角度為α，則霍爾電勢為霍爾元件的外形如圖7-6所示，它是由霍爾片、4根引線和殼體組成，如圖7-6（b）所示。7.2.2霍爾元件7.2.3霍爾元件的測量誤差和補(bǔ)償1.不等位電勢的產(chǎn)生及補(bǔ)償方法定義：霍爾元件在額定激勵(lì)電流作用下，不加外磁場時(shí)，霍爾電極間的空載電勢Uo，稱為不等位電勢，它是一個(gè)主要的零位誤差。產(chǎn)生原因：

1）在制作霍爾元件時(shí)，兩個(gè)霍爾電極不可能保證裝在同一等位面上，如圖7-7所示；

2）霍爾元件材料的電阻率不均，霍爾片的厚度、寬度不一致，電極與片子的接觸不良等也會產(chǎn)生不等位電勢。

圖7-7不等位電勢圖7-8霍爾元件的等效電路AIU0BCDDAR1R2BCR3R4不等位電勢幾種常用補(bǔ)償方法WCDAR2R3R4R1BWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）圖7-9不等位電勢的補(bǔ)償電路WABCDWABCD(b)WCABD2．溫度誤差及補(bǔ)償霍爾元件與一般半導(dǎo)體元件一樣，對溫度的變化是很敏感的。這是因?yàn)榛魻栐碾娮杪省⑤d流子遷移率、濃度等都是溫度的函數(shù)。因此，在工作溫度變化時(shí)，它的一些特性參數(shù)，如內(nèi)阻、霍爾電勢等都要發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使霍爾傳感器產(chǎn)生溫度誤差，必須采用適當(dāng)電路進(jìn)行補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償

（1）輸入端并聯(lián)電阻法

由，因Ri隨溫度變化，影響流過Ri的控制電流IH?，F(xiàn)采用恒流源供電，使總電流I保持不變。為補(bǔ)償IH和KH隨溫度的變化，可在輸入端并聯(lián)一適當(dāng)?shù)碾娮鑂P，如圖7-10所示。圖7-10輸入端并聯(lián)電阻補(bǔ)償（2）采用熱敏元件法圖7-11給出了幾種最常用的補(bǔ)償電路的例子。圖7-11采用熱敏元件的溫度誤差補(bǔ)償電路1、磁電式傳感器是一種把非電量的變化轉(zhuǎn)換為_______的傳感器。它的基本型是一種

傳感器。2、電感式傳感器的基本型是

傳感器。3、霍爾靈敏度，它是表示

。4、什么是霍爾效應(yīng)？為什么半導(dǎo)體材料適合于作霍爾元件？練習(xí)7.2.4集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的霍爾傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器由于減少了焊點(diǎn)，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。1）霍爾式傳感器按被測量的性質(zhì)可分成電量型和非電量型兩大類，電量型又有電流型、電壓型兩類；非電量型按用途可分為開關(guān)型（用于控制）和線性型（用于測量）兩大類。

2）按被檢測的對象的性質(zhì)可將霍爾開關(guān)的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢測對象上人為設(shè)置的磁場，用這個(gè)磁場來作被檢測信息的載體。1開關(guān)型集成霍爾傳感器開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號?；魻栭_關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級五部分組成?；魻栭_關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍爾元件放大BT整形地H2線性集成霍爾傳感器

線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。其輸出電壓與外加磁場成線性比例關(guān)系。一般由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成。

霍爾線性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制。7.2.5霍爾式傳感器的典型應(yīng)用例7-1檢測磁場檢測磁場是霍爾式傳感器最典型的應(yīng)用之一。將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，使磁力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性正比的電壓。例7-2霍爾位移傳感器將霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半部磁場方向向下，從a端通入電流I，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢VH1，右半部產(chǎn)生露爾電勢VH2，其方向相反。因此，c、d兩端電勢為VH1-VH2。如果霍爾元件在初始位置時(shí)VH1=VH2，則輸出為零；當(dāng)改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時(shí)，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。例7-3霍爾轉(zhuǎn)速傳感器輸入軸輸入軸霍爾傳感器下圖所示為兩種形式的霍爾轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖。例7-4汽車霍爾電子點(diǎn)火器霍爾傳感器隔磁罩磁鋼缺口霍爾傳感器隔磁罩磁鋼缺口當(dāng)缺口對準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁通通過霍爾傳