磁敏式传感器精选课件.ppt

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1、关于磁敏式传感器关于磁敏式传感器第一页，本课件共有91页 磁敏式传感器是通过磁电作用将被测量（如振磁敏式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。磁敏式传感器种类不同，其原理也不完全相同，因磁敏式传感器种类不同，其原理也不完全相同，因此各有各的特点和应用范围。此各有各的特点和应用范围。概述 第二页，本课件共有91页 磁电感应式传感器也称为电动式传感器或感应磁电感应式传感器也称为电动式传感器或感应式传感器。式传感器。磁电感应式传感器是利用磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对导体和磁场发生相对运动产生电动式运动产生

2、电动式的，它不需要辅助电源就能把的，它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是有源传感器。是有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定，具有一定的工由于它输出功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽（作带宽（10101000 Hz1000 Hz），所以得到普遍的应用。），所以得到普遍的应用。6.1 磁电感应式传感器 第三页，本课件共有91页6.1.1 6.1.1 磁电感应式传感器工作原理磁电感应式传感器工作原理根据电磁感应定律，当根据电磁感应定律，当w w匝线圈在恒定磁场内运动时，匝线圈在恒定磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为设穿过线圈的磁通

3、为，则线圈内的感应电势，则线圈内的感应电势E E与磁与磁通变化率通变化率d/dtd/dt有如下关系：有如下关系：根据这一原理，可以设计成两种磁电传感器结构：变磁根据这一原理，可以设计成两种磁电传感器结构：变磁通式和恒磁通式。通式和恒磁通式。图图6-16-1是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。速度。6.1 磁电感应式传感器第四页，本课件共有91页6.1 磁电感应式传感器图图6-16-1（a a）为开磁路变磁通式：）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测量齿线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随之轮安装在被测旋转体上，随之一起转动

4、。每转动一个齿，齿一起转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。这种传感器结构简单，但被测转速与测量齿轮齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速。转速。第五页，本课件共有91页6.1 磁电感应式传感器图图6-16-1（b b）为闭磁路）为闭磁路变磁通式，它由装在变磁通式，它由装在转轴上的内齿轮和外转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁

5、铁和感齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿应线圈组成，内外齿轮齿数相同。当转轴轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感生电动势。显然，感应电势的使线圈内产生周期性变化的感生电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。频率与被测转速成正比。第六页，本课件共有91页第七页，本课件共有91页图图6-2 6-2 恒磁通式磁电传感器结构原理图恒磁通式

6、磁电传感器结构原理图图图6-2 6-2 恒磁通式磁电传感器结构原理图恒磁通式磁电传感器结构原理图6.1.1 磁电感应式传感器第八页，本课件共有91页第九页，本课件共有91页第十页，本课件共有91页磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，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，大于传感器固有频率）时

7、，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。来不及随振动体一起振动，近乎静止不动。6.1.1 磁电感应式传感器第十一页，本课件共有91页 振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对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切割磁力线，从而产生感应电势为:式中：式中：B0 B0工作气隙磁感应强度；工作气隙磁感应强度；L L每匝线圈平均长度；每匝线圈平均长度；w w线圈在工作气隙磁场中的匝数；线圈在工作气隙磁场中的匝数；v v相对运动速度。

8、相对运动速度。6.1 磁电感应式传感器第十二页，本课件共有91页6.1.2 6.1.2 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输出电流I I为为:（6-36-3）式中：式中：R Rf f测量电路输入电阻；测量电路输入电阻；R R 线圈等效电阻。线圈等效电阻。传感器的电流灵敏度为传感器的电流灵敏度为:6.1 磁电感应式传感器第十三页，本课件共有91页而传感器的输出电压和电压灵敏度分别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、当传感器的工作温度发生变

9、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。相对误差为量误差。相对误差为 磁电式传感磁电式传感器在使用时存在误差，主要为器在使用时存在误差，主要为非线性误差和温度误差。非线性误差和温度误差。6.1 磁电感应式传感器第十四页，本课件共有91页图图6-3 6-3 传感器电流的磁场效应传感器电流的磁场效应1)1)非线性误差非线性误差:磁电式传感器产生非线性误差的主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要原因是：由于传感器线圈内有电流I I流过时，将产流过时，将产生一定的交变磁通生一定的交变磁通I I，此

10、交变磁通叠加在永久磁铁所，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产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化如图6-36-3所所示。示。6.1 磁电感应式传感器第十五页，本课件共有91页为了补偿附加磁场的干扰，可在传感器中加入为了补偿附加磁场的干扰，可在传感器中加入补偿线圈补偿线圈。补偿线圈中通以经过。补偿线圈中通以经过K K倍的放大电倍的放大电流，适当选择补偿线圈参数，使其产生的交变流，适当选择补偿线圈参数，使其产生的交变磁通与传感器线圈本身产生的交变磁通相互抵磁通与传感器线圈本身产生的交变磁通相互抵销。销。第十六页，本课件共有91页2 2）温度误差温度误差 当当温度

11、变化时，式（温度变化时，式（6-7）中右边三项都）中右边三项都不为零，对铜线而言每摄氏度变化量为不为零，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，铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金，dB/B-0.0210-2，这样由式（，这样由式（6-7）可得近似值）可得近似值：这一数值是很可观的，所以需要进行这一数值是很可观的，所以需要进行温度补偿温度补偿。补。补偿通常采用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温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

12、成。它在正常工作温度下已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。将空气隙磁通分路掉一小部分。6.1 磁电感应式传感器第十七页，本课件共有91页 磁电式传感器直接输出感应电动势，且传感器通磁电式传感器直接输出感应电动势，且传感器通常具有较高的灵敏度，不需要高增益放大器。但磁常具有较高的灵敏度，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。图速度信号，则需要配用积分或微分电路。图6-46-4为一为一般测量电路方框图。般测量电路方框图。图图6-4 6-4 磁电感应式

13、传感器测量电路方框图磁电感应式传感器测量电路方框图6.1 磁电感应式传感器6.1.3 6.1.3 磁电感应式传感器测量电路磁电感应式传感器测量电路第十八页，本课件共有91页 霍尔传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应霍尔传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应（霍尔效应）而输出电动势的一种传感器。（霍尔效应）而输出电动势的一种传感器。随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成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霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。发展。霍尔传感器广泛用于电磁测量电流、磁场、压力、霍尔传感器广泛用于电磁测量电流、磁场、压力、加

14、速度、振动等方面的测量。加速度、振动等方面的测量。6.2 霍尔传感器第十九页，本课件共有91页6.2.1 6.2.1 霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及霍尔元件1 1）霍尔效应）霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应，该电势称霍尔电势，面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应，该电势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。半导体薄片称霍尔元件。图图6-56-5所示，在垂直于外磁场所示，在垂直于外磁场B B的方

15、向上放置一个导电板，的方向上放置一个导电板，导电板通以电流导电板通以电流I I，方向如图所示。，方向如图所示。霍尔效应原理图霍尔效应原理图6.2 霍尔传感器第二十页，本课件共有91页第二十一页，本课件共有91页c cd da ab b霍尔效应第二十二页，本课件共有91页UHbldIFLFEvB第二十三页，本课件共有91页导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。此时，每个电子受洛仑磁力向运动。此时，每个电子受洛仑磁力FmFm的作用，的作用，FmFm的大小为：的大小为：式中：式中：e e-电子电荷；电子电荷；v v-电子运动平均速度；电子

16、运动平均速度；B B-磁场的磁感应强度。磁场的磁感应强度。FmFm的方向在图的方向在图6-56-5中是向上的，此时电子除了沿电流中是向上的，此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在反方向作定向运动外，还在FmFm的作用下向上漂移，结的作用下向上漂移，结果使金属导电板上底面积累电子，而下果使金属导电板上底面积累电子，而下6.2 霍尔传感器第二十四页，本课件共有91页 底面积累正电荷，从而形成了附加内电场底面积累正电荷，从而形成了附加内电场E EH H，称霍，称霍尔电场，该电场强度为尔电场，该电场强度为:当满足当满足 则则 此时电荷不再向两底面积累，达到平衡状态。此时电荷不再向两底面积累，达到平

17、衡状态。6.2 霍尔传感器第二十五页，本课件共有91页 若金属导电板单位体积内电子数为若金属导电板单位体积内电子数为n n，电子定向运动，电子定向运动平均速度为平均速度为v v，则激励电流，则激励电流I=nvbdI=nvbd（-e-e），则，则:（6-146-14）将式（将式（6-146-14）代入式（）代入式（6-126-12）得）得:（6-156-15）将上式代入式（将上式代入式（6-106-10）得）得:（6-166-16）6.2 霍尔传感器第二十六页，本课件共有91页式中令式中令R RH H=-1/=-1/（nene），称之为霍尔常数，其大小，称之为霍尔常数，其大小取决于导体载流子密度

18、，则取决于导体载流子密度，则:式中式中:K KH H=R=RH H/d/d称为霍尔片的灵敏度。称为霍尔片的灵敏度。由式（由式（6-176-17）可见，霍尔电势正比于激励电流）可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔常数及磁感应强度，其灵敏度与霍尔常数R RH H成正比成正比而与霍尔片厚度而与霍尔片厚度d d成反比。为了提高灵敏度，霍成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。尔元件常制成薄片形状。6.2 霍尔传感器（6-176-17）第二十七页，本课件共有91页上述推导是针对上述推导是针对N N型半导体，对于型半导体，对于P P型半导体，则型半导体，则:式中：式中：对霍尔片

19、材料的要求，希望有较大的霍尔常数对霍尔片材料的要求，希望有较大的霍尔常数R RH H，霍尔元件激励极间电阻霍尔元件激励极间电阻 ，同时，同时，其中其中U UI I为加在霍尔元件两端的激励电压，为加在霍尔元件两端的激励电压，E EI I为霍尔元件为霍尔元件激励极间内电场，激励极间内电场，v v为电子移动的平均速度。为电子移动的平均速度。6.2 霍尔传感器第二十八页，本课件共有91页则则:解得解得 :6.2 霍尔传感器从式（从式（6-216-21）可知，霍尔常数等于霍尔片材料的电）可知，霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率阻率与电子迁移率 的乘积。若要霍尔效应强，即的乘积。若要霍尔效应强，即

20、霍尔电势大，则霍尔电势大，则R RH H值大，因此要求霍尔片材料有较值大，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。此外，大的电阻率和载流子迁移率。此外，第二十九页，本课件共有91页 霍尔电势的大小还与霍尔元件的几何尺寸有关。一霍尔电势的大小还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件的厚度般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件的厚度d d与与K KH H成反比，因此，霍尔元件的厚度越小，其灵敏成反比，因此，霍尔元件的厚度越小，其灵敏度越高。当霍尔元件的宽度度越高。当霍尔元件的宽度b b加大，或加大，或 减小时，载减小时，载流子在偏转过程中的损失将加大，使流子在偏

21、转过程中的损失将加大，使U UH H下降。通常下降。通常要对式（要对式（6-176-17）加以形状效应修正：）加以形状效应修正：6.2 霍尔传感器第三十页，本课件共有91页式中，式中，为形状效应系数，其修正值如表为形状效应系数，其修正值如表6-16-1所示。所示。6.2 霍尔传感器0.51.01.52.02.53.04.00.3700.6750.8410.9230.9670.9840.996表表6-1 6-1 形状效应系数形状效应系数第三十一页，本课件共有91页 一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁

22、移率极低。故阻率极高，但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍只有半导体材料适于制造霍尔片尔片。目前常用的霍尔元件材料有：。目前常用的霍尔元件材料有：锗、锗、硅、砷化铟、硅、砷化铟、锑锑化铟化铟等半导体材料。其中等半导体材料。其中N N型锗容易加工制造，其霍尔系数、型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。温度性能和线性度都较好。N N型硅的线性度最好，其霍尔系数、型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同温度性能同N N型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔围内温度系数大，但在

23、室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。书中表系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。书中表6-2 6-2 为常用国产霍尔元件的技术参数。为常用国产霍尔元件的技术参数。6.2 霍尔传感器第三十二页，本课件共有91页 霍尔元件的结构很简霍尔元件的结构很简 单，它由霍尔片、引单，它由霍尔片、引线和壳体组成，如图线和壳体组成，如图 6-66-6（a a）所示。霍尔片）所示。霍尔片 是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1 1、11两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2 2、

24、22引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图霍尔元件可用两种符号表示，如图6-66-6（b b）所示。）所示。6.2 霍尔传感器2 2）霍尔元件基本结构）霍尔元件基本结构第三十三页，本课件共有91页第三十四页，本课件共有91页3 3）霍尔元件基本特性）霍尔元件基本特性额定激励电流和最大允许激励电流额定激励电流和最大允许激励电流输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻 寄生直流电势寄

25、生直流电势 霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 6.2 霍尔传感器图图6-7 6-7 不等位电阻不等位电阻第三十五页，本课件共有91页 1 1额定功耗额定功耗P P0 0 霍尔元件在环境温度T=25时，允许通过霍尔元件的电流I和电压E的乘积，分最小、典型、最大三档，单位为mW。当供给霍尔元件的电压确定后，根据额定功耗可以知道额定控制电流I，因此有些产品提供控制电流，则不给出额定功耗P0。2 2输入电阻输入电阻R Ri i 霍尔元件两控制电流端的直流电阻称为输入电阻Ri。它的数值从几十欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高，输入电阻变小，从而使输入控制电流I变大，最终引起霍尔电动势变大。为了减

26、小这种影响，最好采用恒流源作为激励源。3 3）霍尔元件基本特性）霍尔元件基本特性第三十六页，本课件共有91页 3 3输出电阻输出电阻R R0 0 两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻R0，它的数值与输入电阻为同一数量级。它也随温度改变而改变。选择适当的负载电阻RL与之匹配，可以使由温度引起的霍尔电动势的漂移减至最小。4 4不等位电动势不等位电动势U U0 0 在额定控制电流下，当外加磁场为零时，霍尔元件输出端之间的开路电压称为不等位电动势U0，它是由霍尔电极2和之间的电阻决定的，r 0称不等位电阻。第三十七页，本课件共有91页 5.寄生直流电势 当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍

27、尔电极的输出有一个直流电势。控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势。第三十八页，本课件共有91页 6 6霍尔电动势温度系数霍尔电动势温度系数 在一定磁场强度和控制电流的作用下，温度每变化1时霍尔电动势变化的百分数称为霍尔电动势温度系数，它与霍尔元件的材料有关，一般约为0.1%，在要求较高的场合下，应选择低温漂的霍尔元件。7 7最大控制电流最大控制电流I Imm 由于霍尔电势随控制电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的控制电流。但控制电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因

28、此每种型号的元件均规定了相应的最大控制电流Im，它的数值从几毫安至几十毫安。第三十九页，本课件共有91页6.2.2 6.2.2 霍尔传感器的基本电路霍尔传感器的基本电路1 1）简单的恒电压工作电路）简单的恒电压工作电路 恒电压工作电路恒电压工作电路 如图如图6-86-8所示，是所示，是 一种非常简单的一种非常简单的 施加控制电流的施加控制电流的 方法。恒电压工方法。恒电压工 作电路比较适合于精度要求不是很高的数字方面作电路比较适合于精度要求不是很高的数字方面的应用，例如录像机的电动机位置检测等。的应用，例如录像机的电动机位置检测等。6.2 霍尔传感器第四十页，本课件共有91页 霍尔效应传感器的

29、恒电流霍尔效应传感器的恒电流 工作电路适于高精度测工作电路适于高精度测 量，可以充分发挥霍尔效量，可以充分发挥霍尔效 应传感器的性能。应传感器的性能。在恒电在恒电 流工作时输出特性不受输流工作时输出特性不受输 入电阻温度系数以及磁阻效应的影响入电阻温度系数以及磁阻效应的影响。当然，与恒。当然，与恒电压工作电路相比，某些电路会变得复杂，不过这电压工作电路相比，某些电路会变得复杂，不过这个问题不那么严重。霍尔效应传感器的恒电流工作个问题不那么严重。霍尔效应传感器的恒电流工作电路如图电路如图6-96-9所示。所示。6.2 霍尔传感器2 2）简单的恒电流工作电路）简单的恒电流工作电路第四十一页，本课件

30、共有91页 6.2 霍尔传感器图图6-10 a 6-10 a 一个运算放大器构成的差动放大器一个运算放大器构成的差动放大器3 3）霍尔效应传感器放大电路基本的差动放大电路）霍尔效应传感器放大电路基本的差动放大电路霍尔效应传感器的输出电压通常只有数毫伏至数霍尔效应传感器的输出电压通常只有数毫伏至数 百百 毫伏，因而需要有放大电路。霍尔效应传感器是一种毫伏，因而需要有放大电路。霍尔效应传感器是一种4 4端器件，为了消除非磁场因素引入的同向电压的影响，端器件，为了消除非磁场因素引入的同向电压的影响，必须构成差动放大器，如图必须构成差动放大器，如图6-106-10。第四十二页，本课件共有91页图图6-

31、10 b 6-10 b 3 3个运算放大器构成的差动放大器个运算放大器构成的差动放大器6.2 霍尔传感器第四十三页，本课件共有91页 在图在图6-106-10的电路中，既可以使用霍尔效应传的电路中，既可以使用霍尔效应传感器的交流电压输出，也可以使用它的直流输感器的交流电压输出，也可以使用它的直流输出，则可以构成如图出，则可以构成如图6-116-11所示的电路，使用了所示的电路，使用了隔直流电容器。隔直流电容器。6.2 霍尔传感器I Ig g：电电容容器器的的漏漏电电流（直流成分）流（直流成分）图图6-11 a 6-11 a 电容器漏电流的影响电容器漏电流的影响第四十四页，本课件共有91页6.2

32、 霍尔传感器图图6-11 b 36-11 b 3个运算放大器构成的差动放大（个运算放大器构成的差动放大（1 1）第四十五页，本课件共有91页6.2 霍尔传感器图图6-11 c 36-11 c 3个运算放大器构成的差动放大（个运算放大器构成的差动放大（2 2）第四十六页，本课件共有91页6.2.3 6.2.3 霍尔元件的补偿电路霍尔元件的补偿电路1 1）霍尔元件不等位电势补偿）霍尔元件不等位电势补偿 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，因而必须采用补偿的方法。如图电势，因而必须采用补偿的方法。如图 6-12 6-12

33、所示所示。6.2 霍尔传感器图图6-126-12不等位电势补偿电路不等位电势补偿电路第四十七页，本课件共有91页 其中其中A A、B B为激励电极，为激励电极，C C、D D为霍尔电极，为霍尔电极，极分布电阻分别用极分布电阻分别用R1R1、R2R2、R3R3、R4R4表示。理表示。理想情况下，想情况下，R1=R2=R3=R4R1=R2=R3=R4，即可取得零位电势，即可取得零位电势为零（或零位电阻为零）。实际上，由于不等为零（或零位电阻为零）。实际上，由于不等位电阻的存在，说明此四个电阻值不相等，可位电阻的存在，说明此四个电阻值不相等，可将其视为电桥的四个桥臂，则电桥不平衡。为将其视为电桥的四

34、个桥臂，则电桥不平衡。为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联电使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联电阻（如图阻（如图6-126-12（a a）所示），或在两个桥臂上同）所示），或在两个桥臂上同时并联电阻（如图时并联电阻（如图6-126-12（b b）所示）。）所示）。6.2 霍尔传感器第四十八页，本课件共有91页2 2）霍尔元件温度补偿）霍尔元件温度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。都具有较大的温度系数。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为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小

35、的元件或采用恒温措施外，由采用恒温措施外，由U UH H=K KH HIB IB 可看出：采用恒流源供电是可看出：采用恒流源供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定。但也只能减小由于个有效措施，可以使霍尔电势稳定。但也只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流输入电阻随温度变化而引起的激励电流I I变化所带来的影变化所带来的影响。霍尔元件的灵敏系数响。霍尔元件的灵敏系数K KH H也是温度的函数，它随温度也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数与温的变化引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成：度的关系可写成：（6-236-23）6.2 霍尔传感

36、器第四十九页，本课件共有91页式中：式中：K KHO-HO-温度温度T0T0时的时的K KH H值；值；T=T-T0-T=T-T0-温度变化量；温度变化量；-霍尔电势温度系数。霍尔电势温度系数。并且大多数霍尔元件的温度系数并且大多数霍尔元件的温度系数 是正值，它们的霍是正值，它们的霍尔电势随温度升高而增加（尔电势随温度升高而增加（1+T1+T）倍。如果，与）倍。如果，与此同时让激励电流此同时让激励电流I I相应地减小，并能保持相应地减小，并能保持K KHIHI乘积乘积不变，也就抵消了灵敏系数不变，也就抵消了灵敏系数K KH H增加的影响。图增加的影响。图6-136-13就是按此思路设计的一个既

37、简单、就是按此思路设计的一个既简单、补偿效果又较好补偿效果又较好的补偿电路。电路中用一个分流电阻的补偿电路。电路中用一个分流电阻R Rp p与霍尔元件与霍尔元件的激励电极相并联从而达到补偿的目的。的激励电极相并联从而达到补偿的目的。6.2 霍尔传感器第五十页，本课件共有91页图图6-13 6-13 恒流源温度补偿电路恒流源温度补偿电路 在图在图6-136-13所示的温度补偿电路中，设初始温度为所示的温度补偿电路中，设初始温度为T T0 0，霍，霍尔元件输入电阻为尔元件输入电阻为R Ri0 i0，灵敏系数为，灵敏系数为K KH1H1，分流电阻为，分流电阻为R Rp0p0，根据分流概念得，根据分流

38、概念得：6.2 霍尔传感器第五十一页，本课件共有91页6.2 霍尔传感器当温度升至当温度升至T T时，电路中各参数变为时，电路中各参数变为:式中：式中：霍尔元件输入电阻温度系数；霍尔元件输入电阻温度系数；分流电阻温度系数。分流电阻温度系数。则则：第五十二页，本课件共有91页6.2 霍尔传感器温度升高温度升高 T T，为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足温升前、，为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电势不变，即后的霍尔电势不变，即:将将式式（6-206-20）、（6-216-21）、（6-246-24）代代入入上上式式，经经整整理理并并略略去去、T2T2高次项后得高次项后得:第五十三

39、页，本课件共有91页当霍尔元件选定后，当霍尔元件选定后，它的输入电阻它的输入电阻R Ri0 i0和温度系和温度系数数 及霍尔电势温度系数及霍尔电势温度系数 是确定值是确定值。由式（。由式（6-6-2929）即可计算出分流）即可计算出分流电阻电阻R Rp0p0及所需的及所需的温度系数温度系数 值值。为了满足。为了满足R Rp p0 0及及 两个条件，分流电阻可取两个条件，分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合，这温度系数不同的两种电阻的串、并联组合，这样虽然麻烦但效果很好。样虽然麻烦但效果很好。6.2 霍尔传感器第五十四页，本课件共有91页 磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。磁敏电阻

40、磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。磁敏电阻是磁阻位移传感器、无触点开关等的核心部件。是磁阻位移传感器、无触点开关等的核心部件。6.3.1 6.3.1 磁阻效应磁阻效应当一载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种现当一载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种现象被称为象被称为磁阻效应磁阻效应。当温度恒定时，在磁场内，磁阻和磁感。当温度恒定时，在磁场内，磁阻和磁感应强度应强度B B的平方成正比。理论推导出来的磁阻效应方程为：的平方成正比。理论推导出来的磁阻效应方程为：式中，式中，是磁感应强度为是磁感应强度为B B的电阻率；的电阻率；是零磁场下的电阻率；是零磁场下的电阻率；是电子迁移率

41、；是电子迁移率；B B是磁感应强度。是磁感应强度。6.3 磁敏电阻器第五十五页，本课件共有91页当电阻率的变化为当电阻率的变化为 时，则电阻率的相对变化为：时，则电阻率的相对变化为：可以看出可以看出 ，在磁感应强度，在磁感应强度一定时，迁移率越高的材料一定时，迁移率越高的材料（如（如InSbInSb、InAsInAs、NiSbNiSb等半导体材料）磁阻效应越明显。从等半导体材料）磁阻效应越明显。从微观上讲，材料的微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因磁电阻率增加是因为电流的流动路径因磁场的作用而加长所致场的作用而加长所致。6.3 磁敏电阻器第五十六页，本课件共有91页6.3.2 6.

42、3.2 磁敏电阻的结构磁敏电阻的结构 磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。考虑形状影响因素时，电阻率的相对变化为：关。考虑形状影响因素时，电阻率的相对变化为：式中，式中，l l、b b分别为电阻的长和宽；分别为电阻的长和宽；是形状效应系数。是形状效应系数。图图6-146-14画出了三种不同形状的半导体内电流线的分布，第一行画出了三种不同形状的半导体内电流线的分布，第一行为不加磁场的情况，第二行为加磁场的情况。为不加磁场的情况，第二行为加磁场的情况。6.3 磁敏电阻器第五十七页，本课件共有91页6.3 磁敏电阻器图图6-14 6-14

43、半导体内电流分布半导体内电流分布（a a）长方形）长方形lblb（b b）长方形）长方形lblb（c c）科比诺圆盘）科比诺圆盘第五十八页，本课件共有91页6.3.3 6.3.3 磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性1 1）灵敏度特性）灵敏度特性 磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁的影响较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即场强度下的电阻变化率来表示，即磁场磁场电阻变电阻变化率特性曲线的斜率化率特性曲线的斜率。在运算时常用。在运算时常用R RB B/R/R0 0求得，求得，R R

44、0 0表示无磁场情况下磁阻元件的电阻值，表示无磁场情况下磁阻元件的电阻值，R RB B为施为施加加0.3T0.3T磁感应强度时磁阻元件的电阻值。磁感应强度时磁阻元件的电阻值。6.3 磁敏电阻器第五十九页，本课件共有91页6.3 磁敏电阻器这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于2.7，如图，如图6-156-15所示。所示。由图由图6-15(a)6-15(a)所示磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁所示磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加。由图场强度的增加而增加。由图6-15(b)6-15(b)所示，在所示，在0.2T0.2T以下的弱

45、磁场中，以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过曲线呈现平方特性，而超过0.2T0.2T后呈现线性变化。后呈现线性变化。图图6-15 6-15 磁阻元件的灵敏度特性磁阻元件的灵敏度特性第六十页，本课件共有91页2 2）电阻）电阻 温度特性温度特性6.3 磁敏电阻器图图6-16 6-16 半导体元件的电阻半导体元件的电阻-温度特性曲线温度特性曲线第六十一页，本课件共有91页图图6-166-16是一般半导体磁阻元件的电阻是一般半导体磁阻元件的电阻温度温度特性曲线，由图可知，半导体磁阻元件的温度特性曲线，由图可知，半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的电阻值在不大的温度变化范特性不好。元件的电阻值在不

46、大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用时，一般都要围内减小的很快。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。设计温度补偿电路。6.3 磁敏电阻器第六十二页，本课件共有91页检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将霍尔器件做成各种形式的探头，放一。将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。成线性正比的电压。6.4 磁敏式传感器的应用第六十三页，本课件共有91页6.4 磁敏式传感器的应用第六十四页，本课

47、件共有91页将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从方向向下，从方向向下，从方向向下，从 a a端通人电流端通人电流I I，根据霍尔效应，左半部产生，根据霍尔效应，左半部产生，根据霍尔效应，左半部产生，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势霍尔电势霍尔电势霍尔电势V V V VH1H1，右半部产生霍尔电势，右半部产生霍尔电势，右半部产生霍尔电势，右半部产生霍尔电势V V V VH2H2，其方向相反。因，其方向相反。因此，此

48、，c c、d d两端电势为两端电势为V V V VH1H1VVVVH2H2。如果霍尔元件在初始。如果霍尔元件在初始位置时位置时V VH1H1H1H1=V=VH2H2，则输出为零；当改变磁极系统与霍，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。比于位移量。第六十五页，本课件共有91页霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器 霍尔压力传感器结构原理图霍尔压力传感器结构原理图霍尔压力传感器结构原理图霍尔压力传感器结构原理图霍尔元件霍尔元件霍尔元件霍尔元件磁钢磁钢磁钢磁钢压力压力压力压力P

49、 P波登管波登管波登管波登管N SN SS NS N第六十六页，本课件共有91页霍尔转速传感器霍尔转速传感器霍尔转速传感器结构霍尔转速传感器结构霍尔转速传感器结构霍尔转速传感器结构输入轴输入轴输入轴输入轴输入轴输入轴输入轴输入轴霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器（a a）（b b）第六十七页，本课件共有91页霍尔计数装置霍尔计数装置霍尔计数装置霍尔计数装置霍尔计数装置及电路霍尔计数装置及电路霍尔计数装置及电路霍尔计数装置及电路(a)(a)(a)(a)工作示意图工作示意图工作示意图工作示意图霍尔开关传感器霍尔开关传感器霍尔开关传感器霍尔开关传感器绝缘板绝缘板绝缘板绝缘板磁铁磁铁磁铁磁铁N

50、NS S(b)(b)(b)(b)电路图电路图电路图电路图 +12V+12VSL3051SL3051A AS SV VT T+V VC CR R5 5R RL LR R4 4R R3 3R R1 1R R2 2计数计数计数计数器器器器第六十八页，本课件共有91页汽车霍尔电子点火器汽车霍尔电子点火器汽车霍尔电子点火器汽车霍尔电子点火器霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器隔磁罩隔磁罩隔磁罩隔磁罩磁钢磁钢磁钢磁钢缺口缺口缺口缺口霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器隔磁罩隔磁罩隔磁罩隔磁罩磁钢磁钢磁钢磁钢缺口缺口缺口缺口当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔传感器形成闭合回路，当缺口对准霍尔元件时，