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1、传感器原理及其应用第五章磁电式传感器第1页，共47页，编辑于2022年，星期三6.1 6.1 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又又称称电电动动势势式式传传感感器器，是是利利用用电电磁磁感感应应原原理理将将被被测测量量(如如振振动动、位位移移、转转速速等等)转转换换成成电电信信号号的的一一种种传传感感器器。它它是是利利用用导导体体和和磁磁场场发发生生相相对对运运动动而而在在导导体体两两端端输输出出感感应应电电动动势势的的。它它是是一一种种机机-电电能能量量变变换换型型传传感感器器，不不需需要要供供电电电电源源，电电路路简简单单，性性能能稳稳定定，输输出出阻阻抗抗
2、小小，又又具具有有一一定定的的频频率率响响应应范范围围(一一般般为为101010001000Hz)Hz)，所所以以得得到到普遍应用。普遍应用。磁磁电电感感应应式式传传感感器器是是以以电电磁磁感感应应原原理理为为基基础础的的。由由法法拉拉第第电电磁磁感感应应定定律律可可知知，N N匝匝线线圈圈在在磁磁场场中中运运动动切切割割磁磁力力线线或或线线圈圈所所在在磁磁场场的的磁磁通通变变化化时时，线线圈圈中中所所产产生生的的感感应应电电动动势势E E(V)(V)的的大大小小取取决决于于穿穿过过线圈的磁通线圈的磁通 的变化率，即的变化率，即第2页，共47页，编辑于2022年，星期三磁磁通通量量的的变变化化
3、可可以以通通过过很很多多办办法法来来实实现现，如如磁磁铁铁与与线线圈圈之之间间作作相相对对运运动动；磁磁路路中中磁磁阻阻的的变变化化；恒恒定定磁磁场场中中线线圈圈面面积积的的变变化化等等，一一般般可可将将磁磁电电感感应应式传感器分为式传感器分为恒磁通式恒磁通式和和变磁通式变磁通式两类。两类。6.1.1 6.1.1 恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割线圈切割磁力
4、线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。第3页，共47页，编辑于2022年，星期三磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度d dx/x/d dt t成正比的感应电动势成正比的感应电动势E E，其大小为，其大小为式中：式中：N N为线圈在工作气隙磁场中的匝数；为线圈在工作气隙磁场中的匝数；B B为工作气隙磁感应为工作气隙磁感应强度；强度；l l为每匝线圈平均长度。为每匝线圈平均长度。当传感器结构参数确定后，当传感器结构参数确定后，N N、B B和和l l均为恒定值，均为恒定
5、值，E E与与d dx/x/d dt t成正比，根成正比，根据感应电动势据感应电动势E E的大小就可以知道被测速度的大小。的大小就可以知道被测速度的大小。由由理理论论推推导导可可得得，当当振振动动频频率率低低于于传传感感器器的的固固有有频频率率时时，这这种种传传感感器器的的灵灵敏敏度度(E E/v v)是是随随振振动动频频率率而而变变化化的的；当当振振动动频频率率远远大大于于固固固固有有频频率率时时，传传感感器器的的灵灵敏敏度度基基本本上上不不随随振振动动频频率率而而变变化化，而而近近似似为为常常数数；当当振振动动频频率率更更高高时时，线线圈圈阻阻抗抗增增大大，传传感感器器灵灵敏敏度度随随振振
6、动动频频率率增增加加而而下下降。降。不不同同结结构构的的恒恒磁磁通通磁磁电电感感应应式式传传感感器器的的频频率率响响应应特特性性是是有有差差异异的的，但但一一般般频频响响范范围围为为几几十十赫赫至至几几百百赫赫。低低的的可可到到1010HzHz左左右右，高高的的可可达达2 2kHzkHz左右。左右。第4页，共47页，编辑于2022年，星期三6.1.2 6.1.2 变磁通式磁电感应传感器结构与工作原理变磁通式磁电感应传感器结构与工作原理变变磁磁通通式式磁磁电电感感应应传传感感器器一一般般做做成成转转速速传传感感器器，产产生生感感应应电电动动势势的的频频率率作作为为输输出出，而而电电动动势势的的频
7、频率率取取决决于于磁磁通通变变化化的的频频率率。变变磁磁通通式式转转速速传感器的结构有开磁路和闭磁路两种。传感器的结构有开磁路和闭磁路两种。如如图图所所示示开开磁磁路路变变磁磁通通式式转转速速传传感感器器。测测量量齿齿轮轮4 4安安装装在在被被测测转转轴轴上上与与其其一一起起旋旋转转。当当齿齿轮轮旋旋转转时时，齿齿的的凹凹凸凸引引起起磁磁阻阻的的变变化化，从从而而使使磁磁通通发发生生变变化化，因因而而在在线线圈圈3 3中中感感应应出出交交变变的的电电势势，其其频频率率等等于于齿齿轮轮的的齿齿数数Z和和转转速速n的的乘乘积积，即即式式中中：Z为为齿齿轮轮齿齿数数；n为为被被测测轴轴转转速速(v/
8、min)；f为为感感应应电动势频率电动势频率(Hz)。这样当已知。这样当已知Z，测得，测得f就知道就知道n了。了。第5页，共47页，编辑于2022年，星期三开开磁磁路路式式转转速速传传感感器器结结构构比比较较简简单单，但但输输出出信信号号小小，另另外外当当被被测测轴轴振振动动比比较较大大时时，传传感感器器输输出出波波形形失失真真较较大大。在在振振动动强强的的场场合合往往往往采采用闭磁路式转速传感器。用闭磁路式转速传感器。第6页，共47页，编辑于2022年，星期三被被测测转转轴轴带带动动椭椭圆圆形形测测量量轮轮5 5在在磁磁场场气气隙隙中中等等速速转转动动，使使气气隙隙平平均均长长度度周周期期性
9、性地地变变化化，因因而而磁磁路路磁磁阻阻和和磁磁通通也也同同样样周周期期性性地地变变化化，则则在在线线圈圈3 3中中产产生生感感应应电电动动势势，其其频频率率f与与测测量量轮轮5 5的的转转速速n(r/min)成成正正比比，即即f=n/30。在在这这种种结结构构中中，也也可可以以用用齿齿轮轮代代替替椭椭圆圆形形测测量量轮轮5 5，软软铁铁(极极掌掌)制制成成内内齿齿轮形式，这时输出信号频率轮形式，这时输出信号频率f 同前式。同前式。变变磁磁通通式式传传感感器器对对环环境境条条件件要要求求不不高高，能能在在-150-150+90+90的的温温度度下下工工作作，不不影影响响测测量量精精度度，也也能
10、能在在油油、水水雾雾、灰灰尘尘等等条条件件下下工工作作。但但它它的的工工作作频频率率下下限限较较高高，约约为为5050HzHz，上限可达上限可达100100kHzkHz。第7页，共47页，编辑于2022年，星期三振动测量（振动测量（p84p84图图6-76-7）工作频率工作频率1010500500 HzHz最大可测加速度最大可测加速度5g5g精度精度1010固有频率固有频率1212HzHz可测振幅范围可测振幅范围0.10.110001000 外形尺寸外形尺寸45mm45mm160160 mmmm灵敏度灵敏度604604mVmVs scmcm-1-1工作线圈内阻工作线圈内阻1.91.9质量质量0
11、.70.7kgkg1 1、8 8圆圆形形弹弹簧簧片片；2 2圆圆环环形形阻阻尼尼器器；3 3永永久久磁磁铁铁；4 4铝铝架架；5 5心心轴轴；6 6工作线圈；工作线圈；7 7壳体；壳体；9 9引线引线6.1.3 6.1.3 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用第8页，共47页，编辑于2022年，星期三3扭矩测量扭矩测量 当当转转轴轴不不受受扭扭矩矩时时，两两线线圈圈输输出出信信号号相相同同，相相位位差差为为零零。当当被被测测轴轴感感受受扭扭矩矩时时，轴轴的的两两端端产产生生扭扭转转角角，因因此此两两个个传传感感器器输输出出的的两两个个感感应应电电动动势势将将因因扭扭矩矩而而有有附附加加
12、相相位位差差 。扭扭转转角角 与与感感应应电电动动势势相相位位差差的的关关系为系为式式中中：z z为为传传感感器器定定子子、转转子子的的齿齿数。数。第9页，共47页，编辑于2022年，星期三6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 霍霍尔尔式式传传感感器器是是基基于于霍霍尔尔效效应应而而将将被被测测量量转转换换成成电电动动势势输输出出的的一一种种传传感感器器。霍霍尔尔器器件件是是一一种种磁磁传传感感器器，用用它它们们可可以以检检测测磁磁场场及及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍霍尔尔器器件件具具有有许许多多优优点点，它它们们的的结结构构牢牢固固，
13、体体积积小小，重重量量轻轻，寿寿命命长长，安安装装方方便便，功功耗耗小小，频频率率高高(可可达达1 1MHz)MHz)，耐耐振振动动，不不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。按按照照霍霍尔尔器器件件的的功功能能可可将将它它们们分分为为：霍霍尔尔线线性性器器件件和和霍霍尔尔开开关关器件器件，前者输出模拟量，后者输出数字量。，前者输出模拟量，后者输出数字量。霍霍尔尔线线性性器器件件的的精精度度高高、线线性性度度好好；霍霍尔尔开开关关器器件件无无触触点点、无无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度
14、高(可达可达 级级)。采采用用了了各各种种补补偿偿和和保保护护措措施施的的霍霍尔尔器器件件的的工工作作温温度度范范围围宽，可达宽，可达-55-55+150+150。第10页，共47页，编辑于2022年，星期三6.2.1 6.2.1 霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理1 1霍尔效应霍尔效应 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流当有电流I I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势势E EH H，这种现象称为霍尔效应。，这种现象称为霍尔效应。
15、磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况A AB BC CD D第11页，共47页，编辑于2022年，星期三当有图示方向磁场当有图示方向磁场B B作用时作用时 作作用用在在半半导导体体薄薄片片上上的的磁磁场场强强度度B B越越强强，霍霍尔尔电电势势也也就就越越高高。霍霍尔尔电电势势E EH H可用下式表示：可用下式表示：EH=KHIB第12页，共47页，编辑于2022年，星期三霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片在半导体薄片A A、B B方向的端面之间建立起霍尔电势。方向
16、的端面之间建立起霍尔电势。A AB BC CD D第13页，共47页，编辑于2022年，星期三可以推出，霍尔电动势可以推出，霍尔电动势UH的大小为：的大小为：式式中中：kH为为灵灵敏敏度度系系数数，kH=RH/d，表表示示在在单单位位磁磁感感应应强强度度和和单单位位控控制制电电流流时时的的霍霍尔尔电电动动势势的的大大小小,与与材材料料的的物物理理特特性性（霍霍尔尔系系数数）和和几几何何尺尺寸寸d d有有关关；霍霍尔尔系系数数RH1/(nq)，由由材材料料物物理理性性质质所所决决定定，q为为电电子子电电荷荷量量 ；n为为材材料料中中的的电电子子浓浓度度。为为磁磁场场和薄片法线夹角。和薄片法线夹角
17、。结论：结论：霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I I、磁感应强度、磁感应强度B B成正比，且当成正比，且当B B的方向改的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。尔电势为同频率的交变电势。金金属属材材料料中中的的自自由由电电子子浓浓度度n很很高高，因因此此RH很很小小，不不宜宜作作霍霍尔尔元元件件。霍霍尔尔元元件件多多用用载载流流子子迁迁移移率率大大的的N型型半半导导体体材材料料制制作作。另另外外，霍霍尔尔元元件件越越薄薄(d越越小小)，kH就就越越大大，所所以以通通常常
18、霍霍尔尔元元件件都较薄。薄膜霍尔元件的厚度只有都较薄。薄膜霍尔元件的厚度只有1 1 左右。左右。第14页，共47页，编辑于2022年，星期三2 2霍尔元件霍尔元件霍霍尔尔片片是是一一块块矩矩形形半半导导体体单单晶晶薄薄片片(一一般般为为4 4mm2mm2mm0.1mm0.1mm)mm)，经经研研磨磨抛抛光光，然然后后用用蒸蒸发发合合金金法法或或其其他他方方法法制制作作欧欧姆姆接接触触电电极极，最最后后焊焊上上引引线线并并封封装装。而而薄薄膜膜霍霍尔尔元元件件则则是是在在一一片片极极薄薄的的基基片片上上用用蒸蒸发发或或外外延延的的方方法法做做成成霍霍尔尔片片，然然后后再再制制作作欧欧姆姆接接触触
19、电电极极，焊焊上上引引线线最最后后封封装装。一一般般控控制制端端引引线线采采用用红红色色引引线线，而而霍霍尔尔输输出出端端引引线线则则采采用用绿绿色色引引线线。霍霍尔尔元元件件的的壳壳体体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。(a)(a)霍尔元件外形霍尔元件外形 (b)(b)电路符号电路符号 (c)(c)基本应用电路基本应用电路第15页，共47页，编辑于2022年，星期三3 3霍尔元件的主要特性及材料霍尔元件的主要特性及材料 1)1)霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数(1)(1)灵灵敏敏度度k kH H：表表示示元元件件在在单单位位磁磁感感应应强强度度和
20、和单单位位控控制制电电流流下下所所得得到到的开路霍尔电动势，单位为的开路霍尔电动势，单位为V/(AV/(AT)T)。(2)(2)霍尔输入电阻霍尔输入电阻R Rinin：霍尔控制电极间的电阻值。：霍尔控制电极间的电阻值。(3)(3)霍尔输出电阻霍尔输出电阻R Routout：霍尔输出电极间的电阻值。：霍尔输出电极间的电阻值。(4)(4)霍霍尔尔元元件件的的电电阻阻温温度度系系数数：表表示示在在不不施施加加磁磁场场的的条条件件下下，环环境温度每变化境温度每变化11时电阻的相对变化率，单位为时电阻的相对变化率，单位为%/%/。(5)(5)霍霍尔尔寄寄生生直直流流电电势势U U0 0：在在外外加加磁磁
21、场场为为零零、霍霍尔尔元元件件用用交交流流激激励励时时，霍霍尔尔电电极极输输出出除除了了交交流流不不等等位位电电动动势势外外，还还有有一一直直流流电电势势，称称为为寄寄生生直直流流电势。电势。(6)(6)霍霍尔尔最最大大允允许许激激励励电电流流I Imaxmax：以以霍霍尔尔元元件件允允许许最最大大温温升升为为限限制制所所对对应的激励电流称为最大允许激励电流。应的激励电流称为最大允许激励电流。第16页，共47页，编辑于2022年，星期三 2)2)霍尔元件的材料霍尔元件的材料锗锗(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、锑化铟、锑化铟(InSb)(InSb)、砷化铟、砷化铟(InAs)(InAs
22、)和砷化镓和砷化镓(GaAs)(GaAs)是常是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。表见的制作霍尔元件的几种半导体材料。表6-26-2所列为制作霍尔元件的所列为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。几种半导体材料主要参数。电阻率电阻率电子迁移率电子迁移率 材料材料(单晶单晶)禁带宽度禁带宽度Eg/(eV)/(cm)/(cm/Vs)霍尔系数霍尔系数RH/(cmC-1-1)N型型锗锗(Ge)0.661.0350042504000N型硅型硅(Si)1.1071.5150022501840锑锑化化铟铟(InSb)0.170.005600003504200砷化砷化铟铟(InAs)0.360.003525
23、0001001530磷砷磷砷铟铟(InAsP)0.630.08105008503000砷化砷化镓镓(GaAs)1.470.2850017003800第17页，共47页，编辑于2022年，星期三不不等等位位电电动动势势产产生生的的原原因因是是由由于于制制造造工工艺艺不不可可能能保保证证将将两两个个霍霍尔尔电电极极对对称称地地焊焊在在霍霍尔尔片片的的两两侧侧，致致使使两两电电极极点点不不能能完完全全位位于于同一等位面上。同一等位面上。6.2.2 6.2.2 霍尔元件的误差及补偿霍尔元件的误差及补偿 1 1霍尔元件的零位误差与补偿霍尔元件的零位误差与补偿霍霍尔尔元元件件的的零零位位误误差差是是指指在
24、在无无外外加加磁磁场场或或无无控控制制电电流流的的情情况况下下，霍霍尔尔元元件件产产生生输输出出电电压压并并由由此此而而产产生生的的误误差差。它它主主要要表表现现为为以以下下几几种种具体形式。具体形式。1)1)不等位电动势不等位电动势不不等等位位电电动动势势是是零零位位误误差差中中最最主主要要的的一一种种，它它是是当当霍霍尔尔元元件件在在额额定定控控制制电电流流(元元件件在在空空气气中中温温升升1010所所对对应应的的电电流流)作作用用下下，不不加加外外磁磁场场时时，霍霍尔尔输输出出端之间的空载电动势。端之间的空载电动势。第18页，共47页，编辑于2022年，星期三此此外外,霍霍尔尔片片电电阻
25、阻率率不不均均匀匀，或或片片厚厚薄薄不不均均匀匀，或或控控制制电电流流极极接接触触不不良良都都将将使使等等位位面面歪歪斜斜，如如图图所所示示，致致使使两两霍霍尔尔电电极极不不在在同同一一等等位位面面上上而而产产生生不不等等位位电电动势。动势。2)2)寄生直流电势寄生直流电势在在无无磁磁场场的的情情况况下下，元元件件通通入入交交流流电电流流，输输出出端端除除交交流流不不等等位位电电压压以以外外的的直直流流分分量量称称为为寄寄生生直直流流电电势势。产产生生寄寄生生直直流流电电势势的的原原因因有有两两个个方方面面：(1)(1)由由于于控控制制电电极极焊焊接接处处接接触触不不良良而而造造成成一一种种整
26、整流流效效应应，使使控控制制电电流流因因正正、反反向向电电流流大大小小不不等等而而具具有有一一定定的的直直流流分分量量。(2)(2)输输出出电电极极焊焊点点热热容容量量不不相相等等产产生生温温差差电电动动势势。对对于于锗锗霍霍尔尔元元件件，当当交交流流控控制制电电流流为为2020 mAmA时时，输输出出电电极极的的寄寄生生直直流流电电压压小小于于100 100 。第19页，共47页，编辑于2022年，星期三 3)3)感应零电动势感应零电动势感感应应零零电电动动势势是是在在未未通通电电流流的的情情况况下下，由由于于脉脉动动或或交交变变磁磁场场的的作作用用，在在输输出出端端产产生生的的电电动动势势
27、。根根据据电电磁磁感感应应定定律律，感感应应电电动动势势的的大大小小与与霍霍尔尔元元件件输出电极引线构成的感应面积成正比，如图所示。输出电极引线构成的感应面积成正比，如图所示。4)4)自激场零电动势自激场零电动势霍霍尔尔元元件件控控制制电电流流产产生生自自激激场场，如如图图所所示示。由由于于元元件件的的左左右右两两半半场场相相等等，故故产产生生的的电电动动势势方方向向相相反反而而抵抵消消。实实际际应应用用时时由由于于控控制制电电流流引引线线也也产产生生磁磁场场，使使元元件件左左右右两两半半场场强强不不等等，因因而而有有霍霍尔尔电电动动势势输输出出，这这一一输输出出电电动动势即是自激场零电动势。
28、势即是自激场零电动势。第20页，共47页，编辑于2022年，星期三在在上上述述的的4 4种种零零位位误误差差中中，寄寄生生直直流流电电动动势势、感感应应零零电电动动势势以以及及自自激激场场零零电电动动势势，可可以以通通过过工工艺艺水水平平的的提提高高加加以以解解决决。而而不不等等位位电电动动势势所所造造成成的的零零位误差，则必须通过补偿电路给予克服。位误差，则必须通过补偿电路给予克服。在在理理想想情情况况下下R R1 1=R R2 2=R R3 3=R R4 4，即即可可取取得得零零位位电电动动势势为为零零(或或零零位位电电阻阻为为零零)，从从而而消消除除不不等等位位电电动动势势。实实际际上上
29、，若若存存在在零零位位电电动动势势，则则说说明明此此4 4个个电电阻阻不不完完全全相相等等，即即电电桥桥不不平平衡衡。为为使使其其达达到到平平衡衡，可可在在阻阻值值较较大大的的桥桥臂臂上并联可调电阻上并联可调电阻R RP P或在两个臂上同时并联电阻或在两个臂上同时并联电阻R RP P和和R R。霍尔元件结构及等效电路如图霍尔元件结构及等效电路如图第21页，共47页，编辑于2022年，星期三霍尔元件零位误差补偿电路霍尔元件零位误差补偿电路 2 2霍尔元件的温度误差及补偿霍尔元件的温度误差及补偿与与一一般般半半导导体体一一样样，由由于于电电阻阻率率、迁迁移移率率以以及及载载流流子子浓浓度度随随温温
30、度度变变化化，所所以以霍霍尔尔元元件件的的性性能能参参数数如如输输入入、输输出出、电电阻阻、霍霍尔尔常常数数等等也也随随温温度度而而变变化化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。致使霍尔电动势变化，产生温度误差。第22页，共47页，编辑于2022年，星期三将将温温度度每每变变化化11时时，霍霍尔尔元元件件输输入入电电阻阻或或输输出出电电阻阻的的相相对对变变化化率率R Ri i/R Ro o称称为为内内阻阻温温度度系系数，用数，用 表示。表示。将将温温度度每每变变化化11时时，霍霍尔尔电电压压的的相相对对变变化化率率U UHtHt/U UH0H0称称为为霍霍尔电压温度系数，用尔电压温度系数，用 表
31、示。表示。第23页，共47页，编辑于2022年，星期三几种温度误差的补偿方法几种温度误差的补偿方法1)1)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 补偿基本电路及等效电路如图补偿基本电路及等效电路如图霍尔电压随温度变化的关系式为：霍尔电压随温度变化的关系式为：对对上上式式求求温温度度的的导导数数得得，要要使使温温度度变变化化时时霍霍尔尔电电压压不不变变，必必须须使外接电阻：使外接电阻：第24页，共47页，编辑于2022年，星期三 2)2)合理选择负载电阻合理选择负载电阻R RL L的阻值的阻值霍尔元件的输出电阻霍尔元件的输出电阻R Ro o和霍尔电动势和霍尔电动势U UH H都
32、是温度的函数都是温度的函数(设为正温度系设为正温度系数数)，当霍尔元件接有负载，当霍尔元件接有负载R RL L时，在时，在R RL L上的电压为：上的电压为：为了负载上的电压不随温度变化，应使为了负载上的电压不随温度变化，应使dUL/d(t-t0)=0，即，即式中：式中：R Ro0o0为温度为温度t t0 0时的霍尔元件输出电阻。时的霍尔元件输出电阻。可采用串、并连电阻的方法使上式成立来补偿温度误差，但可采用串、并连电阻的方法使上式成立来补偿温度误差，但霍尔元件的灵敏度将会降低。霍尔元件的灵敏度将会降低。第25页，共47页，编辑于2022年，星期三 3)3)采用温度补偿元件采用温度补偿元件(如
33、热敏电阻、电阻丝如热敏电阻、电阻丝)这是一种常用的温度误差补偿方法。由于热敏电阻具有负温度系数，电这是一种常用的温度误差补偿方法。由于热敏电阻具有负温度系数，电阻丝具有正温度系数，可采用输入回路串接热敏电阻，输入回路并接电阻阻丝具有正温度系数，可采用输入回路串接热敏电阻，输入回路并接电阻丝，或输出端串接热敏电阻对具有负温度系数的锑化铟材料霍尔元件进行丝，或输出端串接热敏电阻对具有负温度系数的锑化铟材料霍尔元件进行温度补偿。可采用输入端并接热敏电阻方式对输出具有正温度系数的霍尔温度补偿。可采用输入端并接热敏电阻方式对输出具有正温度系数的霍尔元件进行温度补偿。一般来说，温度补偿电路、霍尔元件和放大
34、电路应集元件进行温度补偿。一般来说，温度补偿电路、霍尔元件和放大电路应集成在一起制成集成霍尔传感器。成在一起制成集成霍尔传感器。6.2.3 6.2.3 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍霍尔尔元元件件具具有有结结构构牢牢固固、工工艺艺成成熟熟、体体积积小小、寿寿命命长长、线线性性度度好好、频频率率高高、耐耐振振动动、不不怕怕灰灰尘尘、油油污污、水水汽汽及及盐盐雾雾等等的的污污染染或或腐腐蚀蚀的的优优点点，目目前前，霍霍尔尔传传感感器器是是全全球球使使用用量量排排名名第第三三的的传传感感器器产产品品，它它被被广广泛泛应应用用到到工工业业、汽汽车车业业、计计算算机机、手手机机以以及及新兴消费电子领
35、域中。新兴消费电子领域中。第26页，共47页，编辑于2022年，星期三 1 1霍尔元件基本电路连接方法霍尔元件基本电路连接方法 霍霍尔尔元元件件有有无无铁铁心心型型、铁铁心心型型、测测试试用用探探针针霍霍尔尔集集成成电电路路等等几几种种类类型型，有有3 3脚脚、4 4脚脚、5 5脚脚元元件件等等几几种种结结构构形形式式,如如图图是是3 35 5脚脚(端端子子)的的霍霍尔尔元元件件的的基本电路连接方法。基本电路连接方法。(a)3(a)3脚元件脚元件 (b)4(b)4脚元件脚元件 (c)5(c)5脚元件脚元件 第27页，共47页，编辑于2022年，星期三两种霍尔元件定电压驱动电路两种霍尔元件定电压
36、驱动电路 两种霍尔元件定电流驱动电路两种霍尔元件定电流驱动电路第28页，共47页，编辑于2022年，星期三 2 2霍尔集成电路霍尔集成电路在在一一个个晶晶片片中中形形成成有有霍霍尔尔元元件件及及放放大大并并控控制制其其输输出出电电压压的的电电路路，而而具有磁场具有磁场-电气变换机能的固态组件称为霍尔集成电路。电气变换机能的固态组件称为霍尔集成电路。霍尔集成电路的构造如图。霍尔集成电路的构造如图。依依输输出出信信号号的的性性质质不不同同，霍霍尔尔集集成成电电路路可可分分为为线线性性型型和和开开关关性性型型两两类类。线线性性型型霍霍尔尔集集成成电电路路可可以以获获得得与与磁磁场场强强度度成成正正比
37、比的的输输出出电电压压。磁磁场场灵灵敏敏度度虽虽然然可可利利用用电电路路的的放放大大加加以以调调节节。较较典典型型的的线线性性型型霍霍尔尔器器件件如如UGN3501UGN3501等。等。第29页，共47页，编辑于2022年，星期三 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、触发器、OCOC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，当外加磁场强度超过规定的工作点时，OCOC门由高阻态变为导通状态，门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；
38、当外加磁场强度低于释放点时，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OCOC门重新变为高阻门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020UGN3020等。等。.第30页，共47页，编辑于2022年，星期三开关型霍尔集成电路的外形及内部电路开关型霍尔集成电路的外形及内部电路 OC OC门门施密特触发施密特触发电路电路 双端输入、双端输入、单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件元件.VccVcc第31页，共47页，编辑于2022年，星期三开关型霍尔集成电路（开关型霍尔集成电路（OC门输出）的与继电器的连接门输出）的与继电器的连接第3
39、2页，共47页，编辑于2022年，星期三3 3霍尔传感器在汽车中的应用霍尔传感器在汽车中的应用霍尔转速传感器霍尔转速传感器 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。以确定被测物的转速。S SN N霍尔器件霍尔器件磁铁磁铁第33页
40、，共47页，编辑于2022年，星期三霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。尔元件时，输出为低电平。第34页，共47页，编辑于2022年，星期三霍尔转速表的其他安装方法霍尔转速表的其他安装方法 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。强度的
41、脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁第35页，共47页，编辑于2022年，星期三4 4磁场检测磁场检测磁场测量高斯计磁场测量高斯计第36页，共47页，编辑于2022年，星期三5 5电流测量电流测量霍尔钳形电流表霍尔钳形电流表 第37页，共47页，编辑于2022年，星期三6 6旋转参数测量旋转参数测量(a)(a)径向磁极径向磁极(b)(b)轴向磁极轴向磁极 (c)(c)遮断式遮断式第38页，共47页，编辑于2022年，星期三7 7霍尔机械振动传感器霍尔机械振动传感器11霍尔元件；霍尔元件；22平板；平板；33顶杆；顶杆；44触触点；点；55外壳；外壳；66磁系统磁
42、系统第39页，共47页，编辑于2022年，星期三8 8霍尔加速度传感器霍尔加速度传感器第40页，共47页，编辑于2022年，星期三6.3 6.3 磁栅式传感器磁栅式传感器 6.3.1 6.3.1 磁栅式传感器的工作原理和结构磁栅式传感器的工作原理和结构 磁磁栅栅式式传传感感器器主主要要由由磁磁栅栅和和磁磁头头组组成成。磁磁栅栅上上录录有有等等间间距距的的磁磁信信号号，它它是是利利用用磁磁带带录录音音的的原原理理将将等等节节距距的的周周期期变变化化的的电电信信号号(正正弦弦波波或或矩矩形形波波)用用录录磁磁的的方方法法记记录录在在磁磁性性尺尺子子或或圆圆盘盘上上而而制制成成的的。装装有有磁磁栅栅
43、传传感感器器的的仪仪器器或或装装置置工工作作时时，磁磁头头相相对对于于磁磁栅栅有有一一定定的的相相对对位位置置，在在这这个个过过程程中中，磁磁头头把把磁磁栅栅上上的的磁磁信信号号读读出出来来，这这样样就就把把被被测测位位置置或或位位移移转转换成电信号。换成电信号。1 1磁栅磁栅1)1)磁栅的结构磁栅的结构第41页，共47页，编辑于2022年，星期三 2)2)磁栅的类型磁栅的类型磁磁栅栅分分为为长长磁磁栅栅和和圆圆磁磁栅栅两两大大类类，分分别别用用于于测测量量直直线线位位移移和和角角位位移。移。长磁栅又可分为尺型、带型和同轴型三种。长磁栅又可分为尺型、带型和同轴型三种。第42页，共47页，编辑于
44、2022年，星期三磁栅式传感器实物图磁栅式传感器实物图第43页，共47页，编辑于2022年，星期三 2 2磁头及其工作原理磁头及其工作原理磁磁头头的的作作用用是是读读取取磁磁栅栅上上的的记记录录信信号号，按按读读取取方方式式不不同同，磁磁头头可可分为动态磁头和静态磁头两种。分为动态磁头和静态磁头两种。1)1)动态磁头动态磁头 动动态态磁磁头头又又称称速速度度响响应应磁磁头头。它它由由铁铁镍镍合合金金材材料料制制成成的的铁铁心心和和一组线圈组成，如图。一组线圈组成，如图。第44页，共47页，编辑于2022年，星期三 2)2)静态磁头静态磁头 静静态态磁磁头头是是一一种种调调制制式式磁磁头头，又又
45、称称磁磁通通响响应应式式磁磁头头，它它由由铁铁心心和和两两组组线线圈圈组组成成，如如图图所所示示。它它与与动动态态磁磁头头的的根根本本不不同同就就是是在在磁磁头头与与磁磁栅栅之之间间没没有有相相对对运动的情况下也有信号输出。运动的情况下也有信号输出。第45页，共47页，编辑于2022年，星期三6.3.2 6.3.2 磁栅式传感器的信号处理方法磁栅式传感器的信号处理方法动动态态磁磁头头只只有有一一个个磁磁头头和和一一组组线线圈圈，利利用用磁磁栅栅与与磁磁头头间间以以一一定定速速度度的的相相对对移移动读出磁栅上的信号，将此信号进行处理后使用。检测电路也较为简单。动读出磁栅上的信号，将此信号进行处理
46、后使用。检测电路也较为简单。静静态态磁磁头头在在实实际际应应用用中中总总是是成成对对使使用用，两两个个磁磁头头布布置置成成在在空空间间相相差差9090。其其信信号号处处理理方方式式分分为为鉴鉴幅幅和和鉴鉴相相型型两两种种，其其中中鉴鉴相相型型信信号号处处理理方式应用广泛，方式应用广泛，将将一一组组磁磁头头的的励励磁磁信信号号移移相相45(45(或或把把其其输输出出信信号号移移相相90)90)，则两磁头输出电压分别为则两磁头输出电压分别为第46页，共47页，编辑于2022年，星期三两电压相加得总输出电压为两电压相加得总输出电压为 输输出出信信号号是是一一个个幅幅值值不不变变、相相位位随随磁磁头头与与磁磁栅栅相相对对位位置置而而变变化化的信号，可由鉴相型检测电路测量出来。的信号，可由鉴相型检测电路测量出来。第47页，共47页，编辑于2022年，星期三