磁电式传感器PPT课件.ppt

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1、第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器三概述概述一磁电感应式传感器磁电感应式传感器二第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器概述概述一磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器被测量被测量被测量被测量电信号电信号电信号电信号振动、位移、转速磁电作用磁电式传感器磁电感应式传感器霍尔式传感器利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势的；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。有源传感器具有较大的输出功率只应用于动态测量第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器v认识磁电感应式传感器认识磁电感应式传感器v工作原理和结构类型工作原理和结构类型v测量电路测量电路v磁电感应

2、式传感器应用举例磁电感应式传感器应用举例磁电感应式传感器磁电感应式传感器二第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器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)，所所以以得到普遍应用。得到普遍应用。电动势式传感器电动势式传感器工作原理工作原理：W匝线圈在磁场中切割磁力匝线圈在磁场中切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中产生的感应电动势产生的感应电动势e取决于穿

3、过线圈磁通中取决于穿过线圈磁通中的变化率。的变化率。磁电感应式传感器磁电感应式传感器二1、概述、概述第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器2、工作原理、工作原理磁电感应式传感器磁电感应式传感器二 根据法拉第电磁感应定律，根据法拉第电磁感应定律，W匝线匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁的大小决定于穿过线圈的磁通量通量的变化率，即的变化率，即:若线圈垂直于磁场方向切割磁力线时，感应电动势若线圈垂直于磁场方向切割磁力线时，感应电动势:若线圈以角速度旋转时，

4、感应电动势若线圈以角速度旋转时，感应电动势:第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器磁磁电电感感应应式式变变磁磁通通l线圈与磁铁之间没有相对运动，线圈与磁铁之间没有相对运动，由由运动着的被测物体（导磁材料）改变运动着的被测物体（导磁材料）改变磁路的磁阻磁路的磁阻，引起磁通量变化从而在，引起磁通量变化从而在线圈中产生感应电势线圈中产生感应电势。基本类型恒恒磁磁通通l恒定的直流磁场，磁场中的工作气恒定的直流磁场，磁场中的工作气隙固定不变，因而气隙中的磁通也是隙固定不变，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。恒定不变的。线圈与磁铁间存在相对线圈与磁铁间存在相对运动，线圈切割磁力线运动，线圈切割磁力线产生与产生

5、与相对速相对速度度v v成比例的感应电势成比例的感应电势e e。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器磁磁电电感感应应式式动圈式动圈式动铁式动铁式恒恒磁磁通通磁电感应式传感器磁电感应式传感器二基本类型开磁路开磁路变变磁磁通通闭磁路闭磁路第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器（1 1）变磁通式磁电传感器结构与工作原理）变磁通式磁电传感器结构与工作原理）变磁通式磁电传感器结构与工作原理）变磁通式磁电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频率率取取决决于于磁磁通

6、通变变化化的的频频率率。变变磁磁通通式式转转速速传传感感器器的的结结构构有有开磁路开磁路和和闭磁路闭磁路两种。两种。a）开磁路b）闭磁路第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器a）开磁路b）闭磁路a a）开开磁磁路路：测测量量齿齿轮轮2 2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 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

7、转速速(r/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。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器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往往采用闭磁路式转速传感器。合往往采用闭磁路式转速传感器。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器被测转轴被测转轴带动带动椭圆形测椭圆形测量轮量轮5在磁场气隙中等在磁场气隙中等速转动，使速转动，使气隙平均长气隙平均长度周期性地变化度

8、周期性地变化，因而，因而磁路磁阻和磁通也同样磁路磁阻和磁通也同样周期性地变化周期性地变化，则在线，则在线圈圈3中产生感应电动势，中产生感应电动势，其频率其频率f与测量轮与测量轮5的转的转速速n(r/min)成正比，即成正比，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，软软铁铁制制成成内内齿齿轮轮形形式式，这这时输出信号频率时输出信号频率f同前式。同前式。b）闭磁路第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器（2 2）恒定磁通式磁电传感器结构与工作原理）恒定磁通式磁电传感器结构与工作原理）恒定磁通式磁电传感器结构与工作原理）恒定磁通式磁电传感器结

9、构与工作原理v 工作原理：当壳体随被测振动体一起工作原理：当壳体随被测振动体一起振动时，使永久磁铁与线圈产生相对运振动时，使永久磁铁与线圈产生相对运动，切割磁力线，相对运动速度接近于动，切割磁力线，相对运动速度接近于振动体振动速度。切割磁力线产生感应振动体振动速度。切割磁力线产生感应电势电势e第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器n结构特点v动圈式：永久磁铁与传感器壳体固定，线圈组件用柔软的弹簧支撑。v动铁式：线圈组件与传感器壳体固定，永久磁铁用柔软的弹簧支撑。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器动圈式NS永久磁铁线圈弹簧第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器动圈式第第5章章 磁电式传感器磁电式传

10、感器SN壳体线圈永久磁铁弹簧动铁式第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器动态特性分析动态特性分析1、系统模拟和简化、系统模拟和简化第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器2、系统传递矩阵、系统传递矩阵1）机械阻抗的传递矩阵）机械阻抗的传递矩阵b阻尼系数；阻尼系数；c弹簧刚度；弹簧刚度；m质量块质量；质量块质量；第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器第5章磁电式传感器一一.机械阻抗机械阻抗.机械阻抗图5.3(a)所示的质量为m、弹簧刚度为k，阻尼系数为c的单自由度机械振动系统。设在力F作用下产生的振动速度和位移分别为v(图中即)和x，由此可列出力平衡方程第二节第二节磁

11、电式传感器的传递矩阵磁电式传感器的传递矩阵(5-4)第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器 图5.3(b)所示的由电阻R、电感L和电容C组成的串联电路，设电源电压为u，回路电流为i、电荷为q。由此可列出电压平衡方程这两个微分方程式虽然机电内容不同，但形式相同。因此，这两个系统为一对相似系统。一个系统可以根据求解它的微分方程来讨论其动态特性，故上述两相似系统的动态特性必然一致，可以实现机电模拟。第5章磁电式传感器(5-5)第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器图5.3一对相似系统(a)单自由度机械振动系统；(b)RLC串联电路第5章磁电式传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器第5章磁电式传感器

12、在电路中存在着电阻抗，它是将电流与电压联系起来的一个参数，可以设想，如同电路中的电阻抗一样，假设机械系统存在“机械阻抗”ZM。类似于电系统，由式(5-4)(5-4)可得(5-6)可见ZM是将机械系统 中某一点上的运动响应与引起这个运动的力联系起来的一个参数。由此可得，作简谐运动的线性机械系统的机械阻抗的定义为机械阻抗机械阻抗ZM(复数复数)=激振力激振力(复数复数)/运动响应运动响应(复数复数)（5-7）第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器2、系统传递矩阵、系统传递矩阵1）机械阻抗的传递矩阵）机械阻抗的传递矩阵b阻尼系数；阻尼系数；c弹簧刚度；弹簧刚度；m质量块质量；质量块质量；第第5章章 磁

13、电式传感器磁电式传感器2）理想传感器的传递矩阵）理想传感器的传递矩阵3）传感器电阻抗的传递矩阵）传感器电阻抗的传递矩阵4）实际传感器的传递矩阵）实际传感器的传递矩阵第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器3、系统传递函数和特性、系统传递函数和特性第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器第5章磁电式传感器图5.4 磁电式传感器的频响特性第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器第5章磁电式传感器传感器作为电压输出时，一般 ，故式(5-13)(5-13)可简化为(5-14)由式(5-14)和图5.4可以看出：(1).当被测振动体的振动频率低于传感器的固有频率 ，即(/)1时，传感器的灵敏度随频率变化而明显地变化

14、第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器第5章磁电式传感器(2).当被测体振动频率远高于传感器的固有频率时，灵敏度接近为一常数，它基本上不随频率变化。在这一频率范围内，传感器的输出电压与振动速度成正比。这一频段即传感器的工作频段，或称作频响范围。这时传感器可看作是一个理想的速度传感器。(3).当频率更高时，由于线圈阻抗的增加，灵敏度也将随着频率的增加而下降。必须指出，以上是对惯性式磁电传感器而言的。对于动圈与测杆相固连的直接式磁电传感器，其上限工作频率取决于传感器的弹篑刚度k值。一般说来，直接式传感器频响范围可从零到几百Hz，高至 10kHz。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器3 3、磁电感应

15、式传感器的测量电路、磁电感应式传感器的测量电路 磁电传感器直接输出电动势，灵敏度高，不磁电传感器直接输出电动势，灵敏度高，不需要增益放大器。只用于动态测量，可直接测量需要增益放大器。只用于动态测量，可直接测量线速度和角速度。加入积分和微分电路则可测量线速度和角速度。加入积分和微分电路则可测量位移和加速度。位移和加速度。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器4、磁电感应式传感器应用举例、磁电感应式传感器应用举例 （1 1）振动测量）振动测量（2 2）转速测量）转速测量第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器（1 1）振动测量）振动测量 磁电感应式振动速度传感器磁电感应式振动速度传感器工作时，将传感器安

16、装在机器工作时，将传感器安装在机器上，在机器振动时，在传感器工上，在机器振动时，在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁相对作频率范围内，线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，在线圈内产运动、切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比于振生感应电压，该电压值正比于振动速度值。动速度值。与二次仪表相配接，即可显示与二次仪表相配接，即可显示振动速度或位移量的大小。也可振动速度或位移量的大小。也可以输送到其它二次仪表或交流电以输送到其它二次仪表或交流电压表进行测量压表进行测量。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器在测振时，传感器固定或紧压于被在测振时，传感器固定或紧压于被测系统，永久磁铁测系统，永久磁铁4

17、4与壳体与壳体2 2一起随被一起随被测系统的振动而振动。测系统的振动而振动。装在芯轴装在芯轴6 6上的线圈上的线圈5 5和阻尼环和阻尼环3 3组成组成惯性系统的质量块并在磁场中运动。惯性系统的质量块并在磁场中运动。动圈式振动传感器1 1圆形弹簧片；圆形弹簧片；2 2壳体；壳体；3 3圆环形阻尼器；圆环形阻尼器；4 4永久磁铁；永久磁铁；5 5工作线圈；工作线圈；6 6心轴；心轴；9 9引线引线第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器由于感应电压与磁通由于感应电压与磁通的变化率成比例，即的变化率成比例，即 (W是线圈匝数）是线圈匝数）故随着转速下降输出电压幅值减小

18、当转故随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一定程度时，电压幅值会减小到无速低到一定程度时，电压幅值会减小到无法检测出来的程度。故这种传感器不适合法检测出来的程度。故这种传感器不适合于低速测量。于低速测量。为提高低转速的测量效果，可采用电涡流为提高低转速的测量效果，可采用电涡流式转速传感器。式转速传感器。磁电感应式转速传感器的结构原理如图所示。磁电感应式转速传感器的结构原理如图所示。当安装在被测转轴上的齿轮（导磁体）旋转时，其齿依次通过当安装在被测转轴上的齿轮（导磁体）旋转时，其齿依次通过永久磁铁两磁极间的间隙，从而在线圈上输出频率和幅值均与轴永久磁铁两磁极间的间隙，从而在线圈上输出频率和

19、幅值均与轴转速成比例的交流电压信号转速成比例的交流电压信号u0。（2 2）转速测量）转速测量第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器v霍尔式传感器的工作原理v霍尔元件构造及测量电路v霍尔元件的主要技术指标和补偿电路v霍尔式传感器的应用举例霍尔式传感器霍尔式传感器三第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器 首先来看一个利用首先来看一个利用霍霍尔式传感器尔式传感器将将非电量非电量转化为转化为磁磁场变化场变化，从而进行测量的例子。，从而进行测量的例子。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器与与电感式微压力传感器电感式微压力传感器具有类似结构。具有类似结构。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器霍霍尔尔式式传传感

20、感器器：是是利利用用半半导导体体材材料料的的霍霍尔尔效效应进行测量的一种传感器。应进行测量的一种传感器。霍霍尔尔式式传传感感器器的的核核心心是是霍霍尔尔元元件件，霍霍尔尔式式传传感感器器是是由由霍霍尔尔元元件件及及相相关关的的测测量量电电路路共共同同构构成成的的一一种种测量装置。测量装置。应应用用：电电流流、压压力力、加加速速度度、振振动动等等方方面面的的测量。测量。特特点点：体体积积小小，外外围围电电路路简简单单，频频带带宽宽，动动态特性好，寿命长，可实现非接触测量。态特性好，寿命长，可实现非接触测量。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器1、霍尔式传感器的工作原理（1 1）霍尔效应）霍尔效应

21、 半导体薄片半导体薄片置于磁场置于磁场B B 中，在相对两中，在相对两侧侧通以电流通以电流I I，在垂直于电流和磁场的方，在垂直于电流和磁场的方向上将向上将产生产生一个大小与电流一个大小与电流I I和磁感应强和磁感应强度度B B的乘积成正比的的乘积成正比的电动势电动势。这一现象称。这一现象称为为霍尔效应霍尔效应。该电势称为。该电势称为霍尔电势霍尔电势，该薄，该薄片称为片称为霍尔元件霍尔元件。霍尔效应的实质霍尔效应的实质：是电磁学一种重要的：是电磁学一种重要的电磁感应现象电磁感应现象。产生。产生霍尔效应的微观原因是霍尔效应的微观原因是洛仑兹力的作用洛仑兹力的作用，载流子（电子）在，载流子（电子）

22、在磁场中作定向运动，将受到洛仑兹力的作用，分布产生一定磁场中作定向运动，将受到洛仑兹力的作用，分布产生一定的偏离，其结果是宏观上的偏离，其结果是宏观上感应电动势感应电动势。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔效应演示霍尔效应演示c cd da ab b第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器（2 2）霍尔效应原理分析）霍尔效应原理分析霍尔效应原理图 一块长为一块长为l、宽为、宽为b、厚为、厚为d的的N型半导体薄片置于磁感应强度型半导体薄片置于磁感应强度为为B的磁场的磁场(磁场方向垂直于薄片磁场方向垂直于薄片)中。当有电流中。当有电流I流过时，在垂流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势直

23、于电流和磁场的方向上将产生电动势UH。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器（2 2）霍尔效应原理分析）霍尔效应原理分析电电子子以以均均匀匀的的速速度度v运运动动，则则在在垂垂直直方方向向施施加加的的磁磁感感应应强强度度B的的作作用用下下，每每个个电电子子受受到到洛洛仑仑兹力兹力N N型半导体：型半导体：型半导体：型半导体：FL=evBe电子电量电子电量(1.602(1.6021010-19-19C)C)根据左手定则，电子运动方根据左手定则，电子运动方向发生偏移，则在后端产生向发生偏移，则在后端产生电子积聚，前端失去电子产电子积聚，前端失去电子产生正电荷积聚。从而形成电生正电荷积聚。从而形成电场

24、场EH。EH电场强度电场强度霍尔效应原理图第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器（2 2）霍尔效应原理分析）霍尔效应原理分析bUEHH=电场强度电场强度同时，每个电子所受电场力为同时，每个电子所受电场力为=bU-e-eEFHHE霍尔效应原理图第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器当当电子所受洛伦兹力与霍尔电场作用力大小相等方向相反电子所受洛伦兹力与霍尔电场作用力大小相等方向相反，即，即（2 2）霍尔效应原理分析）霍尔效应原理分析=evBFL=evBbUeFHE=霍尔电动势霍尔电动势 UH=vBb 此时此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。霍尔效应原理图第第5章

25、章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔电势霍尔电势UH与与 I、B的乘积成正比，而与的乘积成正比，而与d成反比。可改写成：成反比。可改写成：霍尔系数，由材料物理性质决定。霍尔系数，由材料物理性质决定。材料电阻率材料电阻率载流子迁移率载流子迁移率nN型半导体型半导体中的电子浓度中的电子浓度电流密度电流密度j=-nevkH霍尔元件的灵敏度系数霍尔元件的灵敏度系数第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器金属材料金属材料电子浓度电子浓度n很高，很高，RH很小，很小，UH很小很小，绝，绝缘材料缘材料很高但很高但很小。很小。半导体材料电阻率半导体材料电阻率较大较大 RH大，非常适于做霍尔元件大，非常适于做霍尔元件。

26、一般电子的迁移率。一般电子的迁移率比空穴大，所以比空穴大，所以霍尔元件多采用霍尔元件多采用 N 型半导体，由型半导体，由上式可见，厚度上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度越小，霍尔灵敏度 kH越大，所越大，所以霍尔元件做的较薄以霍尔元件做的较薄。（2 2）霍尔效应原理分析）霍尔效应原理分析P P型半导体型半导体pP P型半导体中的型半导体中的空穴浓度空穴浓度第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器结论：结论：注意：注意：（1）当控制电流（或磁场）方向改变时，霍尔）当控制电流（或磁场）方向改变时，霍尔电动势的方向也将改变，但电流与磁场方向同电动势的方向也将改变，但电流与磁场方向同时改变时，霍尔电动势方向

27、不变；时改变时，霍尔电动势方向不变；（2）当载流材料和几何尺寸确定后，霍尔电动）当载流材料和几何尺寸确定后，霍尔电动势的大小正比于控制电流势的大小正比于控制电流 I和磁感应强度和磁感应强度B。（3）如果所加磁场方向与半导体薄片的表面垂）如果所加磁场方向与半导体薄片的表面垂直方向的夹角为直方向的夹角为，则，则第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔式传感器可以检测什么量？霍尔式传感器可以检测什么量？检测电流，或者检测能够引起磁场变化的物检测电流，或者检测能够引起磁场变化的物理量（位移、压力、振动）理量（位移、压力、振动）如何提高传感器的灵敏度？如何提高传感器的灵敏度？减小元件厚度，采用减小元件厚

28、度，采用薄薄的霍尔元件可以获得更大的的霍尔元件可以获得更大的电势输出。电势输出。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器2、霍尔元件构造及测量电路（1 1）构造）构造 霍尔元件是一霍尔元件是一种四端元件种四端元件一种封装的贴片式霍尔元件第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器（1 1）构造）构造由霍尔片、四根引线和壳体组成。由霍尔片、四根引线和壳体组成。v霍尔片：矩形半导体薄片；霍尔片：矩形半导体薄片；v四极引线：长度方向两端面四极引线：长度方向两端面（控制电流端引线）和侧边（控制电流端引线）和侧边两端面中点（霍尔电势输出两端面中点（霍尔电势输出引线）引线）v壳体：非导磁金属、陶瓷或壳体：非导磁金属、

29、陶瓷或环氧树脂封装。环氧树脂封装。控制电流极控制电流极霍尔电极霍尔电极第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器国产霍尔元件的命名方法（补充）国产霍尔元件的命名方法（补充）第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器 目前目前常用的霍尔元件材料常用的霍尔元件材料有：有：锗、硅、砷化铟、锗、硅、砷化铟、锑化锑化铟等半导体材料铟等半导体材料。其中。其中N型锗型锗容易加工制造，其霍尔系数、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型硅型硅的线性度最好，其霍尔系的线性度最好，其霍尔系数、数、温度性能同温度性能同N型锗。型锗。锑化铟锑化铟对温度最敏感，尤其在低对温度最敏感，尤其在低温

30、范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化砷化铟铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。霍尔元件常用材料（补充）霍尔元件常用材料（补充）第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器（2 2）测量电路）测量电路 霍尔元件的外形为矩形薄片有四根引线，霍尔元件的外形为矩形薄片有四根引线，两端加激励，两端为输出，两端加激励，两端为输出，RL为负载电阻为负载电阻；电源电源E通过通过Rp控制激励电流控制激励电流I；B 磁场与元件面垂直（向里）磁场与元件面垂直（向里）实测中可把实测中可把I*B作输入，作

31、输入，也可把也可把I或或B单独做输入；单独做输入；通过霍尔电势输出测量结果。通过霍尔电势输出测量结果。输出输出UH与与I或或B成正比关系，或与成正比关系，或与I*B成正比关系。成正比关系。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器3、霍尔元件的主要技术指标和补偿电路（1 1）额定激励电流）额定激励电流）额定激励电流）额定激励电流 I IHH 霍尔元件温升霍尔元件温升霍尔元件温升霍尔元件温升10 10 10 10 时所加的电流时所加的电流时所加的电流时所加的电流通过电流通过电流通过电流通过电流I IHH的载流体产生焦尔热的载流体产生焦尔热的载流体产生焦尔热的载流体产生焦尔热WW1H1H霍尔元件的散热霍

32、尔元件的散热霍尔元件的散热霍尔元件的散热WW2H2H（主要由没有电极的两个侧面承担）（主要由没有电极的两个侧面承担）（主要由没有电极的两个侧面承担）（主要由没有电极的两个侧面承担）热平衡时热平衡时热平衡时热平衡时TT：限定的温升；：限定的温升；A：散热系数：散热系数第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器以元件允许最大温升为限制所对应的激以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为励电流称为最大允许激励电流最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而增加因霍尔电势随激励电流增加而增加,所所以以,使用中希望选用尽可能大的激励电使用中希望选用尽可能大的激励电流流,因而需要知道元件的最大允许激励因而需要

33、知道元件的最大允许激励电流。电流。最大允许激励电流（补充）第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器（2）输入电阻输入电阻Ri和输出电阻和输出电阻Rsv以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在205时确定的。时确定的。R Ri i 控制电流电极间的电阻控制电流电极间的电阻控制电流电极间的电阻控制电流电极间的电阻R RS S 输出霍尔电势电极间的电阻输出霍尔电势电极间的电阻输出霍尔电势电极间的电阻输出霍尔电势电极间的电阻第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器（3 3）不等位电势）不等位电势不等位电势（零位电势）不等位电势（零位电势）不等位电势（零位电势）不等位电势

34、零位电势）I IHH、B B=0=0、空载霍尔电势。、空载霍尔电势。、空载霍尔电势。、空载霍尔电势。不等位电阻：不等位电阻：r0=U0/IH产生原因产生原因:霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上;半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀;控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等（工艺决定的）。后果：后果：零位误差。补偿方法补偿方法直流下测得第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器v不等位电势补偿的方法不等位电势补偿的方法理想情况下,R1=R2=R3=R4,U00由于不等位电阻的存在,说明此四个电阻值不相等,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阻，或在两个桥臂

35、上同时并联电阻。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器（4 4）霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度在一定磁感应强度和激励电流下和激励电流下,温度每变化温度每变化11时时,霍尔电势霍尔电势变化的百分率变化的百分率称霍尔电势温度系数。它同时称霍尔电势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。也是霍尔系数的温度系数。后果后果：当温度变化时，霍尔元件的载流子浓当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔灵敏度、输入、度、迁移率、电阻率及霍尔灵敏度、输入、输出电阻都将发生变化，从而使霍尔元件产输出电阻都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。生

36、温度误差。解决方法：温度误差补偿解决方法：温度误差补偿第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器v温度误差补偿温度误差补偿霍尔元件是霍尔元件是半导体元件半导体元件，它的许多参数与温度有关。，它的许多参数与温度有关。当温度当温度T变化时，载流子浓度变化时，载流子浓度n、迁移率、迁移率、电阻率、电阻率，霍尔系数，霍尔系数 RH 都会变化。都会变化。常用方法：常用方法：选用温度系数小的元件；选用温度系数小的元件；采用恒温措施；采用恒温措施；由由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电是个有效措施，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；可以使霍尔电势稳定；第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器检

37、测技术检测技术第第7 7章章 磁敏式传感器磁敏式传感器恒流源温度补偿：恒流源温度补偿：大多数霍尔元件的温度系数大多数霍尔元件的温度系数是正值时，是正值时，它们的霍尔电势随温度的升高而增加（它们的霍尔电势随温度的升高而增加（1+t）倍。）倍。同时，让控制电流同时，让控制电流I相应地减小，能保持相应地减小，能保持kHI不变就不变就抵消了灵敏系数值增加的影响抵消了灵敏系数值增加的影响 霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系 第第5章章 磁电式传

38、感器磁电式传感器当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流恒流源温度补偿电路第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器控制电流控制电流 温度升到温度升到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。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器 为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足:升温前、后的霍尔电势不变，升温前、后的霍尔电势不变，经整理，

39、忽略经整理，忽略 高次项后得高次项后得 用上式即可计算出分流电阻及所需的温度系数值用上式即可计算出分流电阻及所需的温度系数值 第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器v输出电极串连温度补偿电桥输出电极串连温度补偿电桥温度变化引起并联的温度变化引起并联的热敏电阻热敏电阻变化，从而调节输出电势变化，从而调节输出电势。热敏电阻热敏电阻 采用补偿电路采用补偿电路电桥补偿法电桥补偿法。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器四、霍尔传感器的应用 v优点优点:结结构构简简单单，体体积积小小，重重量量轻轻，频频带带宽宽，动动态态特特性性好好和寿命长和寿命长v应用：应用：电电磁磁测测量量：测测量量恒恒定定的的或或交交

40、变变的的磁磁感感应应强强度度、有有功功功率、无功功率、相位、电能等参数；功率、无功功率、相位、电能等参数；自动检测自动检测系统：多用于位移、压力的测量。系统：多用于位移、压力的测量。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器1.微位移和压力的测量v测量原理测量原理：霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。霍尔元件的位置。v应用应用：位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度 第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器产生梯

41、度磁场的示意图由两个结构相同的磁路组成的由两个结构相同的磁路组成的为了获得较好的线性分布为了获得较好的线性分布,在磁极端面装有在磁极端面装有极靴（磁极头）极靴（磁极头）,霍尔元件调整好初始位置时霍尔元件调整好初始位置时,可以使霍尔电压可以使霍尔电压UH=0。这种传感器灵敏度很高这种传感器灵敏度很高,但它所能检测的位移量较小但它所能检测的位移量较小,适合于适合于微位移量及振动的测量微位移量及振动的测量。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器a)传感器结构原理图传感器结构原理图b)均匀梯度磁场的磁钢外形均匀梯度磁场的磁钢外形 第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器第第5

42、章章 磁电式传感器磁电式传感器2.磁场的测量在控制电流恒定条件下，霍尔电势大小与磁感应强度成正比，由于霍尔元件的结构特点，它特别适用于微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线方向之间夹角的函数。霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线方向之间夹角的函数。应用：应用：霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器v 霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器 在被测转速的转轴上安装一个在被测转速的转轴上安装一个齿盘齿盘，也可选取机械系统中，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

43、系统靠近齿盘。齿盘的的一个齿轮，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变而周期性地变化，霍尔器件输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、整形后可以确定被测物的转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。速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁N峰值个数第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器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；反产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之

44、当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器另一种转速测量安装方法v磁性转盘的输入轴与被测转轴相连,当被测转轴转动时,磁性转盘随之转动,固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲,检测出单位时间的脉冲数,便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器v将被测电流的导线穿过霍尔将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将流通过导线时

45、在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。比的霍尔电压。3.霍尔电流传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示v铁铁心心 线性霍尔线性霍尔IC UH=KH IB 第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器其他霍尔电流传感器其他霍尔电流传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器其他霍尔电流传其他霍尔电流传感器（续）感器（续）第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口

46、豁口第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示直流直流200A量程量程被测电流的被测电流的导线未放入导线未放入铁心时示值铁心时示值为零为零70.9A70.9A第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器钳形表的环形铁钳形表的环形铁心可以张开，心可以张开，导线由此穿过导线由此穿过霍尔钳形电霍尔钳形电流表演示流表演示70.9A70.9A第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔钳形电流表的使用霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入钳被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的手指按下此处，将钳形表的铁心张开铁心张开将被测电流导线逐根夹将被

47、测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中到钳形表的环形铁心中第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔钳形电流表的使用（续）霍尔钳形电流表的使用（续）叉形叉形钳形表钳形表漏磁稍大，漏磁稍大，但使用方便但使用方便 用用钳形表测量钳形表测量 电动机的相电流电动机的相电流第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器4.霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用

48、电器中得到越来越广泛的应用。普通直流电动机使普通直流电动机使用的电刷和换向器用的电刷和换向器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车可充电电池组可充电电池组无刷电动机无刷电动机 无刷直流电动机的无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆料；三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转子之间产生变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。连续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特

49、点。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器光驱用的无刷电动机内部结构第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔式接近开关霍尔式接近开关v 当磁铁的有效磁极接近、当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。硼磁铁。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔式接近开关霍尔式接近开关v 用霍尔用霍尔ICIC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。在右图中，当磁铁在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，尔接近开关几毫米时，霍尔霍尔ICIC的输出由高电平的输出由高电平变为低电平，经驱动电变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔（否则将撞坏霍尔ICIC）起到限位的作用。起到限位的作用。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器习题1.何谓霍尔效应？说明霍尔灵敏度系数的物理意义。2.图2为哪类磁电式传感器，说明其工作原理。图1