磁电式传感器3

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1、物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用 第七章 磁电式传感器 第第1页页/共共48页页第一页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器7.3 磁敏式传感器磁敏式传感器7.4 磁电式传感器应用磁电式传感器应用 第七章 磁电式传感器 第第2页页/共共48页页第二页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理

2、及应用磁电感应式传感器：磁电感应式传感器：利用电磁利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感转速等）转换成电信号的一种传感器。器。有源传感器：有源传感器：不需要辅助电不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号。换成易于测量的电信号。特点：特点：输出功率大，性能稳输出功率大，性能稳定，具有一定的工作带宽（定，具有一定的工作带宽（101000 Hz）。）。一、磁电感应式传感器概述一、磁电感应式传感器概述7.1 磁电感应式传感器根据电磁感应定律，当导体根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，沿

3、垂直磁场在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应方向运动时，导体内产生的感应电势为电势为 B稳恒均匀磁场的磁感应强度；稳恒均匀磁场的磁感应强度；l导体有效长度；导体有效长度；v导体相对磁场的导体相对磁场的运动速度。运动速度。二、磁电感应式传感器工作原理二、磁电感应式传感器工作原理BlvdtdxBtdtdE1 1、恒磁通式工作原理、恒磁通式工作原理变磁通式变磁通式恒磁通式恒磁通式分分类类感生电动势原理感生电动势原理动生电动势原理动生电动势原理第第3页页/共共48页页第三页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应

4、用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器磁路系统产生恒定的磁场，磁路系统产生恒定的磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因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。而气隙中磁通也是恒定不变的。二、磁电感应式传感器工作原理二、磁电感应式传感器工作原理1 1、恒磁通式工作原理、恒磁通式工作原理弹簧较软，运动部件质量相弹簧较软，运动部件质量相对较大。对较大。当壳体随被测振动体一起振当壳体随被测振动体一起振动频率足够高（远大于传感器固有动频率足够高（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，近乎静止不及随振动体一起振动，近乎静止不动，振

5、动能量几乎全被弹簧吸收。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，从而与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势。产生感应电势。第第4页页/共共48页页第四页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器当一个当一个W匝线圈相对静止地处于匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为磁通为，则线圈内的感应电势

6、，则线圈内的感应电势E与磁与磁通变化率通变化率d/dt关系为关系为二、磁电感应式传感器工作原理二、磁电感应式传感器工作原理dtdWE2 2、变磁通式工作原理、变磁通式工作原理1永久磁铁；永久磁铁；2软磁铁；软磁铁；3感应线圈；感应线圈；4铁齿轮；铁齿轮；开磁路变磁通式：开磁路变磁通式：线圈、磁铁线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势。感应电势。感应电势变化频率等

7、于被感应电势变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘测转速与测量齿轮上齿数的乘积。积。这种传感器结构简单，这种传感器结构简单，但输出信号较小，不宜测量但输出信号较小，不宜测量高转速的场合。高转速的场合。第第5页页/共共48页页第五页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器当测量电路接入磁电传感器电路时，当测量电路接入磁电传感器电路时，Rf为为测量电路输入电阻，测量电路输入电阻，R为线圈等效电阻，则磁电为线圈等效电阻，则磁电传感器的输出电流和电压为传感器的输出电流和电压为 三、磁电感应

8、式传感器基本特性三、磁电感应式传感器基本特性ffofoofofoRRlWvRBRIURRlWvBRREI；1 1、磁电传感器的灵敏度、磁电传感器的灵敏度传感器的输出电流和电压灵敏度分别传感器的输出电流和电压灵敏度分别灵敏度为灵敏度为 ffooUfooIRRlWRBvUSRRlWBvIS；灵敏度相对误差为灵敏度相对误差为 RdRldlBdBSdSII灵敏度误差：灵敏度误差：工作温度变化、外界磁场工作温度变化、外界磁场干扰、机械振动或冲击，灵敏度会变化。干扰、机械振动或冲击，灵敏度会变化。第第6页页/共共48页页第六页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生

9、制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器磁电式传感器产生非线性误差的主要磁电式传感器产生非线性误差的主要原因：原因：电流磁场效应。电流磁场效应。三、磁电感应式传感器基本特性三、磁电感应式传感器基本特性2 2、磁电传感器的非线性误差、磁电传感器的非线性误差传感器线圈内流过电流时，产生一定传感器线圈内流过电流时，产生一定的交变磁通，叠加在永久磁铁所产生的工作的交变磁通，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。磁通上，使恒定的气隙磁通变化。当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时，产生的附加磁场方向与原运动速度增大

10、时，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，工作磁场方向相反，减弱了工作磁场的作用，传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。传感器电流的磁场效应传感器电流的磁场效应 第第7页页/共共48页页第七页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器三、磁电感应式传感器基本特性三、磁电感应式传感器基本特性2 2、磁电传感器的非线性误差、磁电传感器的非线性误差当线圈的运动速度反向时，感应电势、当线圈的运动速度反向时，感应电势、线圈感应电流

11、反向，所产生的附加磁场方向线圈感应电流反向，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与工作磁场同向，从而增大了传感器的灵敏度。度。因此，线圈运动速度方向不同时，传因此，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，谐波能量增加输出基波能量降低，谐波能量增加,即这种即这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。真。传感器灵敏度越高，线圈中电流越大，传感器灵敏度越高，线圈中电流越大，这种非线性越严重。这种非线性越严重。传感器电流的磁场效应传感器电流的磁场效应 第第8页页/

12、共共48页页第八页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器三、磁电感应式传感器基本特性三、磁电感应式传感器基本特性3 3、磁电传感器的温度误差、磁电传感器的温度误差当温度变化每摄氏度时，对当温度变化每摄氏度时，对铜线变化量为铜线变化量为dl/l0.16710-4,dR/R0.4310-2，dB/B的变化量的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。决定于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金，对铝镍钴永久磁合金，dB/B-0.0210-2，灵敏度随温度变化误差，灵敏度随温度变化误差为为这一数值

13、是很可观的，需要进这一数值是很可观的，需要进行温度补偿。行温度补偿。Ct10%5.4热磁分流器补偿：热磁分流器补偿：热磁分流器由具有很大负热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成温度系数的特殊磁性材料做成。在正常工作温度下已将空气在正常工作温度下已将空气隙磁通分掉一小部分。当温度升隙磁通分掉一小部分。当温度升高时，热磁分流器的磁导率显著高时，热磁分流器的磁导率显著下降，经分流掉的磁通占总磁通下降，经分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降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，维持传感器灵敏不随温度变化，维持传感器灵敏度

14、为常数。度为常数。第第9页页/共共48页页第九页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用四、磁电感应式传感器测量电路四、磁电感应式传感器测量电路 7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器直接输出电动势，且通常具有高的灵敏度，一磁电感应式传感器直接输出电动势，且通常具有高的灵敏度，一般不需要高增益放大器。般不需要高增益放大器。磁电感应式传感器是速度传感器，若要获得被测位移或加速度信号，磁电感应式传感器是速度传感器，若要获得被测位移或加速度信号，则需配用积分电路或微分电路。则需配用积分电路或微分电路。第第10页

15、页/共共48页页第十页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器7.3 磁敏式传感器磁敏式传感器7.4 磁电式传感器应用磁电式传感器应用 第七章 磁电式传感器 第第11页页/共共48页页第十一页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用霍尔：霍尔：1879年年设霍尔元件为设霍尔元件为N型半导体，当通型半导体，当通电流电流I时时FL=qvB一、霍尔效应一、

16、霍尔效应7.2 霍尔式传感器UHbldIFFvB当电场力与洛仑兹力相等时，当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，有达到动态平衡，有qEH=qvB霍尔电场的强度为霍尔电场的强度为EH=vB霍尔电压霍尔电压UH可表示为可表示为UH=EH b=vBb流过霍尔元件的电流为流过霍尔元件的电流为I=dQ/dt=bdvnq；v=I/nqbdUH=BI/nqd；若取；若取RH=1/nq则有则有dIBRUHH第第12页页/共共48页页第十二页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用RH被定义为霍尔元件的霍尔系被定义为霍尔元

17、件的霍尔系数。数。霍尔系数由半导体材料性质决定，霍尔系数由半导体材料性质决定，反映材料霍尔效应的强弱。反映材料霍尔效应的强弱。一、霍尔效应一、霍尔效应7.2 霍尔式传感器UHbldIFFvB霍尔电压为霍尔电压为霍尔元件的灵敏度：霍尔元件的灵敏度：一个霍尔元件在单位控制电流和单一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小。位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小。dIBRUHHdRKHHIBKUHHnqRH1nqdKH1KH即为霍尔元件的灵敏度。即为霍尔元件的灵敏度。霍尔电压与材料的性质有关霍尔电压与材料的性质有关；与元件的尺寸有关。与元件的尺寸有关。第第13页页/共共48页页第十

18、三页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用霍尔元件：霍尔元件：基于霍尔效应工基于霍尔效应工作的半导体器件。作的半导体器件。霍尔元件材料：霍尔元件材料：多采用多采用N型型半导体材料。半导体材料。霍尔元件组成：霍尔元件组成：霍尔片、四根霍尔片、四根引线和壳体。引线和壳体。二、霍尔元件的结构与特性二、霍尔元件的结构与特性7.2 霍尔式传感器最常用的霍尔元件材料有：锗最常用的霍尔元件材料有：锗(Ge)、硅、硅(Si)、锑化铟、锑化铟(InSb)、砷化铟、砷化铟(InAs)等半导体材料。等半导体材料。霍尔元件的壳体

19、：用非导磁金霍尔元件的壳体：用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。属、陶瓷或环氧树脂封装。1 1、霍尔元件的构造、霍尔元件的构造霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片(420.1mm3)，长度方向两端面上，长度方向两端面上焊有焊有a、b两根引线，通常用红色导两根引线，通常用红色导线，称为控制电极；在另两侧端面线，称为控制电极；在另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，称为霍尔电极。称为霍尔电极。第第14页页/共共48页页第十四页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术

20、学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用二、霍尔元件的结构与特性二、霍尔元件的结构与特性7.2 霍尔式传感器锗（锗（Ge）：）：灵敏度低、温灵敏度低、温度特性及线性度好。度特性及线性度好。锑化铟（锑化铟（InSb）：）：灵敏度最灵敏度最高、受温度影响大。高、受温度影响大。1 1、霍尔元件的构造、霍尔元件的构造溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件输出1输出2输入1输入2磁性顶端引线衬底霍尔元件霍尔元件电路图形符号：霍尔元件电路图形符号：11 激励电极激励电极22 霍尔电极霍尔电极第第15页页/共共48页页第十五页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学

21、与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（1）基本连接方式与测量电路）基本连接方式与测量电路二、霍尔元件的结构与特性二、霍尔元件的结构与特性7.2 霍尔式传感器2 2、霍尔元件的、霍尔元件的测量电路测量电路W1W2UHUH（2）直流供电输出方式）直流供电输出方式控制电流端并联，输出电势两倍。控制电流端并联，输出电势两倍。（3）交流供电输出方式）交流供电输出方式控制电流端串联，绕阻叠加输出。控制电流端串联，绕阻叠加输出。WUHRLEBIIBUH第第16页页/共共48页页第十六页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿

22、生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（1）额定功耗）额定功耗在环境温度在环境温度25时，允许通过时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。霍尔元件的电流和电压的乘积。二、霍尔元件的结构与特性二、霍尔元件的结构与特性7.2 霍尔式传感器3 3、霍尔元件的技术参数霍尔元件的技术参数（4）霍尔温度系数）霍尔温度系数在一定的磁感应强度和控在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化制电流下，温度变化1时，霍时，霍尔电势变化的百分率。尔电势变化的百分率。（2）输入电阻和输出电阻）输入电阻和输出电阻输入电阻：控制电流极之间的电阻。输入电阻：控制电流极之间的电阻。输出电阻：霍尔元件电极间的电

23、输出电阻：霍尔元件电极间的电阻。阻。在无磁场时用欧姆表等测量。在无磁场时用欧姆表等测量。（3）不平衡）不平衡（等位）（等位）电势电势在额定控制电流下，不加磁场时在额定控制电流下，不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。霍尔电极间的空载霍尔电势。)1(tUUHoHt （5）内阻温度系数）内阻温度系数霍尔元件在无磁场及工作温霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化度范围内，温度每变化1时，输时，输入电阻与输出电阻变化的百分入电阻与输出电阻变化的百分率。率。)1(tRRioit )1(0tRRoot（6）灵敏度）灵敏度第第17页页/共共48页页第十七页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院

24、物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用霍尔元件不等位电动势也叫传感霍尔元件不等位电动势也叫传感器输出电压的零位误差。器输出电压的零位误差。三、霍尔元件测量误差和补偿三、霍尔元件测量误差和补偿7.2 霍尔式传感器1 1、零位误差零位误差及补偿方法及补偿方法AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4不等位电动势与等效电路不等位电动势与等效电路电桥补偿原理：电桥补偿原理：在阻值较大的桥在阻值较大的桥臂上并联电阻。臂上并联电阻。ABCDWABCDWABCDW1R2R4R3RWABCDI第第18页页/共共48页页第十八页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技

25、术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用温度影响电阻率、迁移率、载流子温度影响电阻率、迁移率、载流子浓度，导致霍尔元件内阻、霍尔电势随浓度，导致霍尔元件内阻、霍尔电势随温度变化。温度变化。三、霍尔元件测量误差和补偿三、霍尔元件测量误差和补偿7.2 霍尔式传感器2 2、温度误差及补偿方法温度误差及补偿方法基本电路与等效电路基本电路与等效电路（1）输入回路串联电阻补偿）输入回路串联电阻补偿EIUHRUHtRt(t)RIUHERi(t)（2）输出回路负载）输出回路负载电阻补偿电阻补偿霍尔元件的输入采霍尔元件的输入采用恒流源，使控制电流用恒流源，使控制电流

26、稳定不变。稳定不变。基本电路基本电路第第19页页/共共48页页第十九页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（3）恒流源补偿）恒流源补偿当负载电阻比霍尔元件输出电当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，输出电阻变化对霍尔电阻大得多时，输出电阻变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，压输出的影响很小。在这种情况下，可考虑在输入端采用恒流源补偿。输可考虑在输入端采用恒流源补偿。输入电阻随温度变化而引起控制电流的入电阻随温度变化而引起控制电流的变化极小，减少了输入端温度影响。变化极小，减少了输入端温度影响。三

27、、霍尔元件测量误差和补偿三、霍尔元件测量误差和补偿7.2 霍尔式传感器2 2、温度、温度误差误差及补偿方法及补偿方法（4）热敏电阻补偿）热敏电阻补偿对于用温度系数大的半导体材料对于用温度系数大的半导体材料制成的霍尔元件，常采用热敏电阻进制成的霍尔元件，常采用热敏电阻进行补偿。行补偿。霍尔输出随温度升高而下降，霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度升高而只要能使控制电流随温度升高而上升，就能补偿。上升，就能补偿。输入回路补偿：输入回路补偿：在输入回路在输入回路串入热敏电阻，当温度上升时其串入热敏电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。阻值下降，从而使控制电流上升。第第20页页

28、/共共48页页第二十页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用三、霍尔元件测量误差和补偿三、霍尔元件测量误差和补偿7.2 霍尔式传感器2 2、温度、温度误差误差及补偿方法及补偿方法（4）热敏电阻补偿）热敏电阻补偿输出回路补偿：输出回路补偿：在负载在负载RL上的霍上的霍尔电势随温度上升而下降的量被热敏尔电势随温度上升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。电阻阻值减小所补偿。实际使用热敏电阻补偿时，热实际使用热敏电阻补偿时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠近，温度变化一致。近，温

29、度变化一致。（5）电桥补偿）电桥补偿调节电位器调节电位器W1可消除不等可消除不等位电势。电桥由温度系数低的位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上电阻构成，在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。并联一热敏电阻。第第21页页/共共48页页第二十一页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（1）霍尔电压的温度稳定性好霍尔电压的温度稳定性好最大优点是在恒流工作时温度稳定最大优点是在恒流工作时温度稳定性好，温度变化性好，温度变化10，输出电压变化不，输出电压变化不超过超过-0.6。（2）输出线性好输出线性好最

30、大误差只有最大误差只有2%。完全可以满。完全可以满足一般的用途。足一般的用途。（3）灵敏度低）灵敏度低在在500高斯左右开始达到饱和。高斯左右开始达到饱和。（4）不平衡电压随温度变化大）不平衡电压随温度变化大在弱磁场中在弱磁场中(10高斯以下高斯以下)不如不如InSb霍尔传感器。霍尔传感器。四、常用霍尔传感器四、常用霍尔传感器GaAsGaAs和和InSbInSb7.2 霍尔式传感器1 1、GaAsGaAs霍尔传感器霍尔传感器第第22页页/共共48页页第二十二页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用InSb

31、霍尔传感器与霍尔传感器与GaAs的特性几乎的特性几乎相反。相反。（1）不平衡电压稳定性好）不平衡电压稳定性好InSb霍尔传感器在恒压工作时不霍尔传感器在恒压工作时不平衡电压的稳定性很好，噪音也小，可平衡电压的稳定性很好，噪音也小，可很好地在弱磁场中工作测量。很好地在弱磁场中工作测量。（2）霍尔电压的温度稳定性不好）霍尔电压的温度稳定性不好在恒流工作时其温度系数最大为在恒流工作时其温度系数最大为-2%/，GaAs的的3040倍。倍。为了改善为了改善InSb霍尔传感器的温度特性，霍尔传感器的温度特性，采用恒压工作，可降低温度系数近采用恒压工作，可降低温度系数近10倍。倍。四、常用霍尔传感器四、常用

32、霍尔传感器GaAsGaAs和和InSbInSb7.2 霍尔式传感器2 2、InSbInSb霍尔传感器霍尔传感器（3）InSb霍尔传感器霍尔传感器的频率特性不太好的频率特性不太好在理论上在理论上GaAs霍尔传霍尔传感器的频带在兆赫以上，而感器的频带在兆赫以上，而实际上是达不到的，但无论实际上是达不到的，但无论如何也会有如何也会有InSb霍尔传感器霍尔传感器（大约在数（大约在数kHz至数十至数十kHz）数十倍以上的带宽。数十倍以上的带宽。第第23页页/共共48页页第二十三页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应

33、用集成霍尔传感器：集成霍尔传感器：利用硅集成电利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的霍尔传感器，取消了传感器和一起的霍尔传感器，取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了测量电路之间的界限，实现了材料、材料、元件、电路三位一体元件、电路三位一体。集成霍尔传感器由于减少了焊点，集成霍尔传感器由于减少了焊点，显著地提高了可靠性，还具有显著地提高了可靠性，还具有体积小、体积小、重量轻、功耗低等优点重量轻、功耗低等优点，应用越来越广泛。，应用越来越广泛。五、集成霍尔传感器五、集成霍尔传感器 7.2 霍尔式传感器1 1、开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器霍

34、尔开关电路霍尔开关电路开关型集成霍尔传感器是把霍尔开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器和输出分放大器，施密特触发器和输出级五部分组成。级五部分组成。第第24页页/共共48页页第二十四页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用五、集成霍尔传感器五、集成霍尔传感器 7.2 霍尔式传感器2 2、

35、线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器：线性集成霍尔传感器：霍霍尔元件与放大线路集成在一起的尔元件与放大线路集成在一起的传感器。输出电压与外加磁场成传感器。输出电压与外加磁场成线性比例关系。线性比例关系。一般由霍尔元件、差分放一般由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分大、射极跟随输出及稳压四部分组成。组成。线性霍尔集成传感器广线性霍尔集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的度、速度、磁场、电流等的测量或控制。测量或控制。第第25页页/共共48页页第二十五页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生

36、王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器7.3 磁敏式传感器磁敏式传感器7.4 磁电式传感器应用磁电式传感器应用 第七章 磁电式传感器 第第26页页/共共48页页第二十六页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用The Nobel Prize in Physics 2011 Saul Perlmutter Brian P.Schmidt Adam G.Riess 1/2 of the prize 1/4 of the p

37、rize 1/4 of the prize第第27页页/共共48页页第二十七页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用磁阻效应：磁阻效应：当载流体置于磁场中，当载流体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。其电阻会随磁场而变化的现象。当温度恒定时，在磁场中磁阻与磁当温度恒定时，在磁场中磁阻与磁感应强度感应强度B的平方成正比。的平方成正比。若器件只有在电子参与导电的情况若器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为下，理论推导出来的磁阻效应方程为一、磁敏电阻元件一、磁敏电阻元件7.3 磁敏式传

38、感器圆盘形的磁阻最大。磁敏圆盘形的磁阻最大。磁敏电阻大多做成圆盘结构。电阻大多做成圆盘结构。1 1、磁阻效应磁阻效应)273.01220BB（22220273.0BKB 迁移率越高的材料（如迁移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半导体材料）磁阻等半导体材料）磁阻效应越明显。效应越明显。从微观上讲，材料的电阻从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因率增加是因为电流的流动路径因磁场的作用而加长所致。磁场的作用而加长所致。磁阻效应除与材料有关外，磁阻效应除与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。还与磁敏电阻的形状有关。在恒定磁感应强度下，磁敏在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽

39、度的比越小，电阻电阻的长度与宽度的比越小，电阻率的相对变化越大。率的相对变化越大。第第28页页/共共48页页第二十八页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（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，磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响较大。且受温度的影响较大。一、磁敏电阻元件一、磁敏电阻元件7.3 磁敏式传感器2 2、磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场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，即磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁

40、场电电阻变化率特性曲线的斜率。阻变化率特性曲线的斜率。在运算时常用在运算时常用RB/R0求得，求得，R0表示表示无磁场情况下磁阻元件的电阻值，无磁场情况下磁阻元件的电阻值，RB为施加为施加0.3T磁感应强度时磁阻元件的电阻磁感应强度时磁阻元件的电阻值。值。第第29页页/共共48页页第二十九页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（2）电阻）电阻 温度特性温度特性半导体磁阻元件的温度特性不好。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围内元件的电阻值在不大的温度变化范围内减小的很快。减小的

41、很快。因此，在应用时，一般都要设计因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。温度补偿电路。一、磁敏电阻元件一、磁敏电阻元件7.3 磁敏式传感器2 2、磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性温度温度/电电阻阻/巨磁阻元件巨磁阻元件 第第30页页/共共48页页第三十页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用磁敏二极管的磁敏二极管的P型和型和N型电极由高型电极由高阻材料制成，在阻材料制成，在P、N之间有一个较长之间有一个较长的本征区的本征区I。本征区。本征区I的一面磨成光滑的的一面磨成光滑的无复合表面（为无复合表面

42、（为I区），另一面打毛，区），另一面打毛，设置成高复合区（为设置成高复合区（为r区），因为电区），因为电子子空穴对易于在粗糙表面复合而消空穴对易于在粗糙表面复合而消失。失。二、磁敏二极管和三极管二、磁敏二极管和三极管1 1、磁敏二极管磁敏二极管磁敏二极管的符号磁敏二极管的符号基本原理：基本原理：在磁场强度和方向变化在磁场强度和方向变化下，电子和空穴复合率明显变化，导致磁下，电子和空穴复合率明显变化，导致磁敏二极管的电流发生变化，实现磁电转换。敏二极管的电流发生变化，实现磁电转换。磁敏二极管的结构磁敏二极管的结构7.3 磁敏式传感器第第31页页/共共48页页第三十一页，编辑于星期三：十四点 一分

43、。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用在弱在弱P型或弱型或弱N型本征半导体型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。基极和集电极。基区较长。基区结构类似磁基区较长。基区结构类似磁敏二极管，有高复合速率的敏二极管，有高复合速率的r区区和本征和本征I区。长基区分为运输基区区。长基区分为运输基区和复合基区。和复合基区。二、磁敏二极管和三极管二、磁敏二极管和三极管2 2、磁敏磁敏三三极管极管基本原理：基本原理：在正、反向磁场作在正、反向磁场作用下，磁敏三极管集电极电流出现用下，磁敏三极管集电极电流

44、出现明显变化。明显变化。磁敏三极管可测量弱磁场、电磁敏三极管可测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。流、转速、位移等物理量。磁敏三极管的结构磁敏三极管的结构7.3 磁敏式传感器磁敏三极磁敏三极管的符号管的符号第第32页页/共共48页页第三十二页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器7.3 磁敏式传感器磁敏式传感器7.4 磁电式传感器应用磁电式传感器应用 第七章 磁电式传感器 第第33页页/共共48页页第三十三页，编辑于星期三：十四点

45、一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用在驱动源和负载之间在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘。磁电传感器的检形圆盘。磁电传感器的检测元件部分由永久磁铁、测元件部分由永久磁铁、感应线圈和铁芯组成。感应线圈和铁芯组成。一、磁电式扭矩传感器一、磁电式扭矩传感器7.4 磁电式传感器应用当齿形圆盘旋转时，当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，在线圈中感应出的变化，在线圈中感应出交流电压，交流电压，其频率在数值其频率在数值上等于圆盘上齿数与转数上等于圆盘上齿数与转数的乘积。的乘

46、积。第第34页页/共共48页页第三十四页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用检测磁场是霍尔式传感器最检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。典型的应用之一。霍尔器件做成各种形式的探霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可输和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。性正比的电压。二、霍尔元件检测磁场二、霍尔元件检测磁场7.4 磁电式传感器应用电位差计电位差计mAESNR霍尔磁敏传感器测

47、磁场原理霍尔磁敏传感器测磁场原理3411CMSL3501A1RP2RP1R2R4720k10p1000S5678第第35页页/共共48页页第三十五页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用霍尔元件置于磁场中，左半部磁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。场方向向上，右半部磁场方向向下。从从a端通人电流端通人电流I，左和右半部产生，左和右半部产生霍尔电势霍尔电势UH1和和UH2，方向相反。因此，方向相反。因此，c、d两端电势为两端电势为UH1-UH2。若霍尔元件在初始位置时若霍尔元件在初

48、始位置时UH1=UH2，则输出为零。则输出为零。改变磁极系统与霍尔元件的相对位改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，可得输出电压，大小正比于位移置时，可得输出电压，大小正比于位移量。量。三、霍尔式位移传感器三、霍尔式位移传感器7.4 磁电式传感器应用第第36页页/共共48页页第三十六页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用加上压力后，加上压力后，使磁系统和霍尔元件使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的磁场，从而改变它的输出电压的输出电压

49、UH。由 事 先 校 准由 事 先 校 准的的Pf(UH)曲线即可曲线即可得到被测压力的值。得到被测压力的值。四、霍尔式压力传感器四、霍尔式压力传感器7.4 磁电式传感器应用第第37页页/共共48页页第三十七页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用五、霍尔式转速传感器五、霍尔式转速传感器7.4 磁电式传感器应用第第38页页/共共48页页第三十八页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用六、霍尔式计数装置六、霍尔式计数装

50、置7.4 磁电式传感器应用第第39页页/共共48页页第三十九页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用七、霍尔式表面覆盖层厚度测量装置七、霍尔式表面覆盖层厚度测量装置7.4 磁电式传感器应用MSL3501霍尔元件型铁芯U永磁体铁磁基体覆盖层磁回路)(VUOUT）（厚度mmV5OUTU123V5MSL3501第第40页页/共共48页页第四十页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用八、霍尔式汽车电子点火器八、霍尔式汽车电子

51、点火器7.4 磁电式传感器应用第第41页页/共共48页页第四十一页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用九、磁敏电阻的应用九、磁敏电阻的应用7.4 磁电式传感器应用第第42页页/共共48页页第四十二页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用十、磁敏二极管应用十、磁敏二极管应用漏磁探伤漏磁探伤7.4 磁电式传感器应用第第43页页/共共48页页第四十三页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿

52、生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用十一、磁敏三极管应用十一、磁敏三极管应用无触点电位器无触点电位器7.4 磁电式传感器应用第第44页页/共共48页页第四十四页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器7.3 磁敏式传感器磁敏式传感器7.4 磁电式传感器应用磁电式传感器应用 第七章 磁电式传感器 第第45页页/共共48页页第四十五页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制

53、作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用第七章第七章作 业第二版教材第二版教材126-127126-127页：页：练习题：练习题：7-57-5，7-67-6，7-9 7-9 第三版教材第三版教材124124页：页：练习题：练习题：7-57-5，7-67-6，7-9 7-9 第第46页页/共共48页页第四十六页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用第七章结束第七章结束谢谢合作！第第47页页/共共48页页第四十七页，编辑于星期三：十四点 一分。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用感谢您的观看。感谢您的观看。第第48页页/共共48页页第四十八页，编辑于星期三：十四点 一分。