传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器主要内容：6.1 磁电感应式传感器6.2 霍尔式传感器 6.3 磁敏传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电磁电 式传感器式传感器概述概述传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电磁电 式传感器式传感器 磁电式传感器是利用磁电式传感器是利用电磁感应电磁感应原理，通过检测原理，通过检测磁场磁场的变化的变化 将运动的将运动的速度速度、位移、位移、振动振动等物理量转换成线圈中的感应电等物理量转换成线圈中的感应电 动势输出。动势输出。 导体和磁场发生相对运动时，在导体两端有感应电动势输导体和磁场发生相对运动时，在导体两端有感应电动势输 出，磁电感应式传感器工作时不需要外加电源，可直接将被出，磁电感应式传感器工作时不需要外加电源，可直接将被 测物体的测物体的机械能转换为电量机械能转换为电量输出。是典型的输出。是典型的有源传感器有源传感器。磁电式传感器机械能电 量概述概述传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电磁电 式传感器式传感器 电感式传感器是把被测量转换成电感量(自感、互感）的变化 磁电式传感器通过检测磁场大小和变化测量被测量.霍尔传感器测转速霍尔传感器测转速霍尔元件霍尔元件 用于手机开关用于手机开关磁电式传感器机械能电 量6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁磁 电式传感器电式传感器 霍尔传感器是一种磁 敏元件，主要用于磁场 检测; 而与人们相关的磁场 范围很宽，一般的磁敏 传感器检测的最低磁场 只能测到10-6高斯。磁场强度与磁场源的分布6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁磁 电式传感器电式传感器 测磁的方法：利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如：磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器；利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件测量磁场；利用超导效应传感器，SQVID 约瑟夫元件；利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器； 随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，微型化和集成化方向发展。概概 述述传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电磁电 式传感器式传感器 霍尔霍尔传感器属于磁敏元件，传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换磁敏元件也是基于磁电转换原理，原理，磁敏传感器是把磁敏传感器是把磁学物理量磁学物理量转换成电信号。转换成电信号。 随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展， 目前广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等目前广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。方面的电磁、压力、加速度、振动测量。 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。磁敏传感器磁学量电信号6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.1 6.2.1 霍尔效应霍尔效应传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电磁电 式传感器式传感器 把一个导体（半导体薄片）两端通 以电流，在垂直方向施加磁感强度的 磁场，在导体薄片的另外两侧会产生 一个与控制电流I和磁场强度B的乘积 成比例的电动势UH ，这种现象称霍 尔效应。电动势为 1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因 为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半 导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传感器基于霍尔效应6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.1 6.2.1 霍尔效应霍尔效应传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电磁电 式传感器式传感器 在磁场作用下导体中的自由 电子做定向运动。每个电子受 洛仑兹力作用被推向导体的另 一侧： 式中霍尔电场强度为 霍尔电场作用于电子的力第第6 6章章 磁电式磁电式 传感器传感器 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.1 6.2.1 霍尔效应霍尔效应传感器原理及应用传感器原理及应用 当两作用力相等时电荷不再向两边积累达到动态平衡：u 通过（半）导体薄片的电流 I与下列因素有关：霍尔电势：n 载流子浓度， v 电子运动速度，b d 导体薄片横截面积 ， e 为电子电荷量。第第6 6章章 磁电式磁电式 传感器传感器 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.1 6.2.1 霍尔效应霍尔效应传感器原理及应用传感器原理及应用代入后：与薄片尺寸有关与材料有关霍尔灵敏度霍尔常数式中：电阻率、n电子浓度、电子迁移率=/E 单位电场强度作用下载流子运动速度。 可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.1 6.2.1 霍尔效应霍尔效应传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电式磁电式 传感器传感器 讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件; 金属材料因电子浓度n很高，RH很小，UH很小; 绝缘材料电阻率很大，但电子迁移率很小，不适用； 半导体材料电阻率较大，电子迁移率适中，非常适于做霍尔元件；半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型半导体（多电子）; 由霍尔灵敏度可见，厚度d 越小霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔元件通常 做的较薄，近似1微米( d1m )，工作电压很低。6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.2 6.2.2 霍尔传感器基本电路霍尔传感器基本电路传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电磁电 式传感器式传感器霍尔元件外形和符号 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.2 6.2.2 霍尔传感器基本电路霍尔传感器基本电路传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁磁 电式传感器电式传感器 霍尔晶体的外形为矩形薄片,有四根引线， 两端加激励，两端为输出，RL为负载电阻 ； 电源E通过R控制激励电流 I； B 磁场与元件面垂直（向里） 实测中可把 IB 作输入，也可把 I 或 B单独做输入；通过霍尔电势输出测量结果。 输出UH与I或B成正比关系，或与 IB 成正比关系。6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.3 6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿霍尔传感器的误差及补偿传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电磁电 式传感器式传感器 当霍尔元件通以激励电流I时，若磁场 B=0，理论上 霍尔电势 UH=0, 但实际 UH0，这时测得的空载电势称 不等位电势 U0 。 产生的原因：霍尔引出电极安装不对称不在 同一等位面上，或激励电极接 触不良。半导体材料不均匀，几何尺 寸不均匀，造成电阻率不均 匀。(1) 不等位电势6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.3 6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿霍尔传感器的误差及补偿传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电磁电 式传感器式传感器 不等位电势的补偿分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥不等位电压相当于桥路 初始有不平衡输出， U00，可在电阻大的桥 臂上并联电阻。不等位电势可表示为U0 = r0 IH r0为不等位电阻6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.3 6.2.3 霍尔传感器的误差及补霍尔传感器的误差及补 偿偿传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电磁电 式传感器式传感器 霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。 当温度变化时，载流子浓度n、迁移率、电阻率， 霍尔系数RH都会变化。(2) 温度误差及补偿 多数霍尔器件是正温度系数，T KH ，可通过减小 I 保持 KHI 不变，抵消温度造成KH增加的影响。 灵敏度与温度系数关系 恒流源补偿： 由 UH = KH I B 可见，恒流源 I 供电可使UH稳定，但灵敏度系数 KH = RH/d = /d 也是温度的函数，温度T变化时，灵敏度KH也变化。6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.3 6.2.3 霍尔传感器的误差及补霍尔传感器的误差及补 偿偿传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电磁电 式传感器式传感器 具体补偿方法:在霍尔元件上并联一分流电阻RpIHRIN当TIPUH 由于恒流源电流I不变，Rp自动增加分流，使Ip增大，IH 下降，UH下降；补偿电阻Rp可选择负温度系数.IHRPTIPUH6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.4 6.2.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电磁电 式传感器式传感器 位移测量 测转速 测磁场 计数装置(导磁产品)检缺口 检齿磁 场 测 量6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.4 6.2.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电磁电 式传感器式传感器1.霍尔传感器位移测量原理 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.4 6.2.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电磁电 式传感器式传感器2.霍尔压力传感器结构原理 6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.4 6.2.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电磁电 式传感器式传感器3.交直流钳形数字电流表 霍尔元件的磁感应强度与导线电流 成正比，B IX，可求出测量电路的霍尔 输出电势，输出电势与导线电流成正比 。H = KHC B = KHCKBIX 霍尔元件灵敏度； C 控制电流, X为导线电流； KB 为比例系数；KHc KB 为一定值； 环形磁集束器作用是将载流导体中被 测电流产生的磁场集中到霍尔元件上， 以提高灵敏度。霍尔元件磁集束器导线电流 IX钳口6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.5 6.2.5 霍尔集成传感器霍尔集成传感器 线性、开关线性、开关传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电磁电 式传感器式传感器1.线性霍尔集成电路(测位移、测振动)输出电压在一定范围与磁感应强度B成线性关系，四端输出6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6.2.5 6.2.5 霍尔集成传感器霍尔集成传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 磁电磁电 式传感器式传感器2.开关型集成器件(测转速、开关控制、判断N S极性) 输出两种状态H、L，高低电平转换的磁场强度B不同B、B形成切换回差,这是位置式作用传感器的特点 , 作无触点