第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换成电信号的一种传感器。磁电式传感器有磁电感应式传感器、霍尔式传感器、磁敏电阻、磁敏二极管和磁敏晶体管等。6.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器6.2霍尔式传感器霍尔式传感器6.3磁敏电阻磁敏电阻6.4磁敏二极管和磁敏晶体管磁敏二极管和磁敏晶体管一、一、 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁磁电电感感应应式式传传感感器器是是一一种种机机电电能能量量转转换换型型传传感感器器，适适用用于于振振动动、转转速速、扭扭矩矩等等测测量量。特特别别是是由由于于这这种种传传感感器器的的“双双向向”性性质质，使使得得它它可可以以作作为为“逆逆变变器器”应应用用于于近近年年来来发发展展起起来来的的“反反馈馈式式”（也也称称为为平平衡衡式式）传传感感器器中中，只只是是这这种种传传感感器器的的尺尺寸寸和重量都比较大。和重量都比较大。（一）磁电感应式传感器的工作原理（一）磁电感应式传感器的工作原理电磁式传感器工作原理当当一一个个W匝匝线线圈圈相相对对静静止止地地处处于于随随时时间间变变化化的的磁磁场场中中时时，设设穿穿过线圈的磁通为过线圈的磁通为，则整个线圈中所产生的感应电动势，则整个线圈中所产生的感应电动势e为为（二）磁电感应式传感器的结构及特点（二）磁电感应式传感器的结构及特点1、磁电感应式传感器的结构、磁电感应式传感器的结构磁电式传感器基本上由以下三部分组成：磁路系统：它产生一个恒定的直流磁场，为了减小传感器体积，一般都采用永久磁铁；线圈：它与磁铁中的磁通相交产生感应电动势；运动机构：它感受被测体的运动使线圈磁通发生变化。(1)恒磁通式恒磁通式图为恒定磁通磁电感应式传感器典型结构图，它由永久磁铁（磁钢）、线圈、弹簧、金属框架和外壳等组成。在动铁式结构中，线圈不动，磁铁运动，线圈组件与壳体固定，永久磁铁用柔软弹簧支撑。 在动圈式结构中，磁铁不动，线圈运动，永久磁铁与传感器壳体固定，线圈和金属框架（合称线圈组件）用柔软弹簧支撑。 两者工作原理是完全相同的。 当壳体随被测振动体一起振动时, 由于弹簧较软, 运动部件质量相对较大。当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时, 运动部件惯性很大, 来不及随振动体一起振动, 近乎静止不动, 振动能量几乎全被弹簧吸收, 永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度, 磁铁与线圈的相对运动切割磁力线, 从而产生感应电势为 (2)变磁通式变磁通式 变磁通式磁电传感器又称为变磁阻式或变气隙式，常用来测量旋转体的角速度。 图为两种变磁通式结构图。图中线圈和永久磁铁(俗称磁钢)均固定不动，与被测物体连接而运动的部分是利用导磁材料制成的动铁心(衔铁)，它的运动使气隙和磁路磁阻变化引起磁通变化，而在线圈中产生感应电动势。为衔铁上下振动结构，与变气隙式电感传感器相似，但线圈是绕在永久磁铁上。通过适当的设计可使感应电动势与衔铁相对于磁钢的振动速度成线性关系，从而可以用于振动速度的测量。为衔铁旋转结构，设椭圆形动铁心以恒定的角速度旋转，线圈截面积为A，磁路中最大与最小磁通密度之差为B=Bmax-Bmin 2、磁电感应式传感器基本特性、磁电感应式传感器基本特性 当测量电路接入磁电传感器电路中, 磁电传感器的输出电流Io为式中: Rf测量电路输入电阻; R 线圈等效电阻。传感器的电流灵敏度为 而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为 当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、 机械振动或冲击时, 其灵敏度将发生变化而产生测量误差。 相对误差为 （1）非线性误差）非线性误差 当线圈的运动速度与图所示方向相反时, 感生电势E、 线圈感应电流反向, 所产生的附加磁场方向与工作磁场同向, 从而增大了传感器的灵敏度。其结果是线圈运动速度方向不同时, 传感器的灵敏度具有不同的数值, 使传感器输出基波能量降低, 谐波能量增加。即这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。显然，传感器灵敏度越高, 线圈中电流越大, 这种非线性越严重。 磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是: 由于传感器线圈内有电流I流过时, 将产生一定的交变磁通I, 此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上, 使恒定的气隙磁通变化如图所示。 当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时, 将产生较大的感生电势E和较大的电流I, 由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反, 减弱了工作磁场的作用, 从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。 （2）温度误差）温度误差 当温度变化时, 式 中右边三项都不为零, 对铜线而言每摄氏度变化量为dL/L0.16710-4, dR/R0.4310-2 , dB/B每摄氏度的变化量取决于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金, dB/B-0.0210-2, 这样由式(7 - 7)可得近似值: t(-4.5%)/10 (7 - 8) 这一数值是很可观的, 所以需要进行温度补偿。 补偿通常采用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。当温度升高时, 热磁分流器的磁导率显著下降, 经它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低, 从而保持空气隙的工作磁通不随温度变化, 维持传感器灵敏度为常数。 （三）磁电感应式传感器的转换电路三）磁电感应式传感器的转换电路 磁电式传感器直接输出感应电势, 且传感器通常具有较高的灵敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积分或微分电路。 图为一般测量电路方框图 （四）磁电感应式传感器的应用四）磁电感应式传感器的应用 1. 转速测量转速测量 式中：Z磁轮的齿数；n一磁轮的转数。 转速测量 2. 磁电式扭矩传感器磁电式扭矩传感器 磁电扭矩传感器的结构见图所示。传感器的检测元件部分由永久磁场、感应线圈和铁芯组成。 永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时, 圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化, 于是磁通量也发生变化, 在线圈中感应出交流电压, 其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。 1线圈；2永久磁铁；3铁芯；4齿轮 测量扭矩时，在转轴上固定两个齿轮，它们的材质、尺寸、齿形和齿数均相同。永久磁铁和线圈组成的磁电式传感器对着齿顶安装。如图所示。当转轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位差为零。转轴承受扭矩后，相位差不为零，且随两齿轮所在横截面之间相对扭转角的增加而加大。 霍尔传感器是利用半导体霍尔元件的霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。 1879年年美美国国物物理理学学家家霍霍尔尔首首先先在在金金属属材材料料中中发发现现了了霍霍尔尔效效应应, 但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。 霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。 （一）霍尔传感器的工作原理（一）霍尔传感器的工作原理 霍尔传感器的工作原理是基于霍尔元件的霍霍尔尔效效应应，霍尔效应是物质在磁场中表现的一种特性，它是由于运动电荷在磁场中受到洛伦兹(Lorentz)力作用产生的结果。二、霍尔式传感器二、霍尔式传感器 当把一块金属或半导体薄片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，沿着垂直于磁场方向通过电流Ic，就会在薄片的另一对侧面间产生电动势UH，如图所示。这种现象称为霍尔效应，所产生的电动势称为霍尔电动势，这种薄片（一般为半导体）称为霍尔片或霍尔元件。 霍尔传感器 当电流Ic通过霍尔元件时，假设载流子为带负电的电子，则电子沿电流相反方向运动，令其平均速度为v。在磁场中运动的电子将受到洛伦兹力fL作用，其大小为 运动电子在洛伦兹力fL的作用下，便以抛物线形式偏转至霍尔元件的一侧，并使该侧形成电子的积累。同时，使其相对一侧形成正电荷的积累，于是建立起一个霍尔电场EH。该电场对随后的电子施加一电场力fE，其大小为 式中：b霍尔元件的宽度；UH霍尔电势。当运动电子在霍尔片中所受的洛伦兹力fL和电场力fE相等时，则电子的积累便达到动态平衡，从而在其两侧形成稳定的电势，即霍尔电势UH，并可利用仪表进行测量。达到动态平衡时，fL=fE，则 又因为电流密度J=-nev(n为载流子浓度)，则电流 所以 霍尔系数； 霍尔元件的灵敏度。 霍尔电压与载流体中载流子(电子或空穴)的运动速度有关，亦即与载流体中载流子的迁移率有关。由于=v/E E为电流方向上的电场强度)，材料的电阻率=1/ne，所以霍尔系数与载流体材料的电阻率和载流子迁移率的关系为 因因此此，只只有有、都都大大的的材材料料才才适适合合于于制制造造霍霍尔尔元元件件，才才能能获获得得较较大大的的霍霍尔尔系系数数和和霍霍尔尔电电压压。金金属属导导体体的的载载流流子子迁迁移移率率很很大大，但但其其电电阻阻率率低低(或或自自由由电电子子浓浓度度n大大)；绝绝缘缘体体电电阻阻率率很很高高(或或n小小)，但但其其载载流流子子迁迁移移率率低低。因因此此金金属属导导体体和和绝绝缘缘体体均均不不宜宜选选作作霍霍尔尔元元件件，只只有半导体材料才是最佳霍尔元件材料。有半导体材料才是最佳霍尔元件材料。 霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍其灵敏度与霍尔常数尔常数RH成正比而与霍尔片厚度成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高成反比。为了提高灵敏度灵敏度, 霍尔元件常制成薄片形状。霍尔元件常制成薄片形状。结论结论1结论结论2 （二）（二）霍尔传感器结构及特性霍尔传感器结构及特性 1.霍尔传感器结构霍尔传感器结构 霍尔传感器的结构很简单,如图所示。图中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上印出一对电极，其中1-1/电极用于加控制电流，称控制电极。另一对2-2/电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。(a)外形结构示意图 (a)外形结构示意图；(b)图形符号；(c)霍尔电极位置1-1/控制电极；2-2/输出电极 2. 霍尔传感器基本特性霍尔传感器基本特性 (1)UHI 特性 在一定温度下，若固定磁场B，霍尔输出电势UH与控制电流I之间呈线性关系，如图所示。直线的斜率称为控制电流灵敏度，用KI表示。按照定义，控制电流灵敏度KI为 (2)UHB特性 如果固定控制电流，霍尔元件的开路霍尔输出电压与磁场B呈线性关系，但霍尔元件的开路霍尔输出随磁场的增加并不完全呈线性关系，而是有所偏离。通常霍尔元件工作在0.5Wb/m2以下时线性度较好，如图所示。使用中，若对线性度要求很高时，可采用HZ4，它的线性偏离一般不大于0.2。 (3)主要参数 霍尔传感器的基本特性与霍尔元件的主要参数也有关霍尔传感器的基本特性与霍尔元件的主要参数也有关 输入电阻Ri和输出电阻Ro 霍尔元件控制电流极间的电阻为Ri；霍尔电压极间电阻为Ro。输入电阻和输出电阻一般为1002000，而且输入电阻大于输出电阻，但相差不太大，使用时应注意。 额定控制电流Ic 额定控制电流Ic为使霍尔元件在空气中产生10温升的控制电流。Ic大小与霍尔元件的尺寸有关：尺寸愈小，Ic愈小。Ic一般为几毫安至几十毫安。 不等位电势U0和不等位电阻R0 霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时，其霍尔电势的极间电势为不等位电势(也称为非平衡电压或残留电压)。它主要是由于两个电极不在同一等位面上以及材料电阻率不均匀等因素引起的。可以用输出电压表示，或空载霍尔电压UH的百分数表示，一般U0l0mV。不等位电阻R0=U0/I0。 灵敏度KH灵敏度是在单位磁感应强度下，通以单位控制电流所产生的开路霍尔电压。 霍尔电势温度系数为温度每变化1时霍尔电势变化的百分率。这一参数对测量仪器十分重要。若仪器要求精度高时，要选择值小的元件，必要时还要加温度补偿电路。 电阻温度系数为温度每变化l时霍尔元件材料的电阻变化的百分率。 灵敏度温度系数为温度每变化l时霍尔元件灵敏度的变化率。 线性度霍尔元件的线性度常用lkGs时霍尔电压相对于5kGs时霍尔电压的最大差值的百分比表示。 (4)基本误差及其补偿基本误差及其补偿 霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精度，造成测量误差的主要因素有两类：半导体固有特性及半导体制造工艺的缺陷。其主要表现为温度误差和零位误差。温度误差及其补偿 霍尔元件是采用半导体材料制成的, 因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时, 霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化, 从而使霍尔元件产生温度误差。 为了减小霍尔元件的温度误差, 除选用温度系数小的元件或采用适当的补偿电路a.采用恒流源供电和输入回路并联电阻采用恒流源供电和输入回路并联电阻当温度由T0升为T()时，上述参数均改变为：RiRit，R0R，I0I0t ， Ic0Ic，KH0KH。则有如下关系：因为当温度改变T时，为使霍尔电势不变则必须有如下关系：因此对一个确定的霍尔元件，其参数Ri，是确定值，可由上式求得分流电阻R0及要求的温度系数。为满足R0及两个条件，此分流电阻可取温度系数不同的两种电阻实行串、并联组合。b. 选取合适的负载电阻选取合适的负载电阻为使负载上的电压不随温度而变化，应使得c采用恒压源和输入回路串联电阻采用恒压源和输入回路串联电阻d采用温度补偿元件采用温度补偿元件(如热敏电阻、电阻丝等如热敏电阻、电阻丝等)(a)电压源与热敏电阻并联； (b)电压源与热敏电阻串联；(c)电压源与热敏电阻串并联；(d)电流源与热敏电阻并联(2)零位误差及其补偿零位误差及其补偿除了工艺上采取措施降低U0外，还需采用补偿电路加以补偿。霍尔元件可等效为一个四臂电桥，如图所示，当两霍尔电极在同一等位面上时，R1=R2=R3=R4，则电桥平衡，U0=0；当两电极不在同一等位面上时（如R3R4）则电桥不平衡，U00。可以采用图所示方法进行补偿，外接电阻R值应大于霍尔元件的内阻，调整R，可使U0=0。改变工作电流方向，取其霍尔电势平均值，或采用交流供电亦可以。（三）霍尔传感器转换电路（三）霍尔传感器转换电路 在实际使用中，为了获得较大的霍尔输出电压，可以采用几片霍尔传感器叠加的联结方式，如图所示。（四）霍尔式传感器的应用（四）霍尔式传感器的应用1. 霍尔式位移传感器霍尔式位移传感器霍尔元件处于中间位置位移x=0时，由于B=0，所以UH=0霍尔元件右移, x0，合成磁感应强度B向左,B0， UH0 霍尔元件左移，x0，合成磁感应强度B向右,B0，UH0。 2. 霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器 3.霍尔式汽车点火器霍尔式汽车点火器霍尔式汽车点火器霍尔式汽车点火器4.霍尔接近开关霍尔接近开关5.霍尔微压传感器霍尔微压传感器6.霍尔电流传感器霍尔电流传感器三、三、 磁敏电阻磁敏电阻（一）磁敏电阻的工作原理l 磁敏电阻的工作原理是基于磁阻效应，将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场而变化。这种现象称为磁电阻效应，简称磁阻效应。磁阻效应是伴随霍尔效应同时发生的一种物理效应。当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。 对于只有电子参与导电的最简单的情况，理论推出磁阻效应的表达式为 设电阻率的变化为=B/0，则电阻率的相对变化为上式是在忽略磁敏元件的几何形状得到的，如果考虑其形状的影响,电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可以近似用下式表示：因此，磁场一定时，迁移率越高，其磁阻效应明显。因此，磁敏电阻常选用InSb、InAs和NiSb等半导体材料；若考虑形状的影响，其长宽比(l/b)越小，则磁阻效应也越明显。（二）磁敏电阻结构及特性（二）磁敏电阻结构及特性 1.磁敏电阻结构磁敏电阻结构 磁敏电阻外形呈扁平状，非常薄，它是在0.10.5mm的绝缘基片上蒸镀上约2025m的一层半导体材料制成的，也可在半导体薄片上光刻或腐蚀成型，为了增加有效电阻，将其制成像电阻应变片那样的弯曲栅格。 l磁敏电阻有两端型和三端型两种，如图所示，其结构简单，安装方便，但它的缺点是电特性比霍尔元件的复杂，且输出是非线性的。在实用上，往往在衬底上做两个相互串联的磁敏电阻，或四个磁敏电阻接成电桥形式，以便用于不同的场合， 2.磁敏电阻主要特性磁敏电阻主要特性(1)磁电特性(电阻变化与磁感应强度的关系)由图可知磁感应强度B0.3T时则成线性关系。 (2)温度特性由于磁敏电阻是由半导体材料制作的，因此，它受温度影响极大，可采用差动式磁阻元件接成桥式电路来进行温度补偿。 (3)频率特性磁敏电阻的工作频率范围一般为l10MHz。（三）磁敏电阻应用（三）磁敏电阻应用 磁敏电阻因其结构简单，而得到了广泛应用。其主要应用在位移测量、无触点开关、转速测量、计数器等电路中。1.无触点开关2.转速测量转速测量