《磁电霍尔式改》PPT课件

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1、5 磁 电 式 传 感 器5.1 磁 电 感 应 式 传 感 器 磁 电 感 应 式 是 利 用 电 磁 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 器 。 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 ， 是 一 种 有 源 传 感 器 根 据 电 磁 感 应 定 律 ， 当 N匝 线 圈 在 均 匀 磁 场 中 ， 沿 垂 直 磁场 方 向 运 动 时 ， 产 生 的 感 应 电 势 大 小 决 定 于 穿 过 线 圈 的 磁 通量 的 变

2、 化 率 。 一 、 磁 电 感 应 式 传 感 器 工 作 原 理 de N dt e NBlv 二 、 结 构 类 型1、 恒 磁 通 式 传 感 器 （ 动 圈 式 图 a、 动 铁 式 图 b） 在 这 类 磁 电 式 传 感 器 中 ， 工 作 气 隙 中 的 磁 通 保 持 不 变 ， 而线 圈 中 的 感 应 电 动 势 是 由 于 工 作 气 隙 中 的 线 圈 与 磁 钢 之 间 作 相对 运 动 ， 线 圈 切 割 磁 力 线 产 生 的 。 其 值 与 相 对 运 动 速 度 成 正 比 。当 线 圈 相 对 于 磁 场 方 向 作 直 线 运 动 或 旋 转 运 动 时

3、 ， 所 产 生 的 感应 电 动 势 e为 ： e= NBlv l为 每 匝 线 圈 的 平均 长 度 B为 线 圈 所 在 磁 场 的 磁 感 应 强 度 S为 每 匝 线 圈 的 平均 截 面 积 在 传 感 器 结 构 参 数 确 定 后 ， B、 l、 N、 S均 为 定 值 ， 感 应 电 动势 e与 线 圈 相 对 磁 场 的 运 动 速 度 v成 正 比 ， 所 以 这 类 传 感 器 的 基本 形 式 是 速 度 传 感 器 ， 能 直 接 测 量 线 速 度 或 角 速 度 。 由 上 述 工作 原 理 可 知 ， 磁 电 感 应 式 传 感 器 只 适 用 于 动 态 测

4、 量 。2、 变 磁 通 式 (开 磁 路 式 图 a ， 闭 磁 路 式 图 b) 产 生 磁 场 的 永 久 磁 铁 和 线 圈 固 定 不 动 ， 而 是 通 过 磁 通 的 变 化产 生 感 应 电 动 势 。 常 用 来 测 量 旋 转 物 体 的 角 速 度 。 之 前 学 过 的 传 感 器 可 以 通 过 改 变 或 增 加 敏 感 元 件 的 方 法 测量 更 多 的 物 理 参 数 ：1、 电 阻 式 传 感 器 ： 基 本 测 量 量 ： 位 移 力 加 速 度 基 本 测 量 量 ： 形 变 力 加 速 度2、 电 感 式 传 感 器 ： 基 本 测 量 量 ： 位 移

5、 力 加 速 度3、 电 容 式 传 感 器 ： 基 本 测 量 量 ： 位 移 力 加 速 度思 考 ： 如 何 让 磁 电 式 传 感 器 可 以 测 量 振 动 、 位 移 (静 态 ) 、 加 速 度 (静 态 ) ？ 振 动 振 动 三 、 测 量 电 路 磁 电 感 应 式 传 感 器 直 接 输 出 感 应 电 势 。 所 以 任 何 具 有 一 定工 作 频 带 的 电 压 表 或 示 波 器 都 可 采 用 。 并 且 由 于 该 传 感 器 通常 具 有 较 高 的 灵 敏 度 ， 所 以 一 般 不 需 要 增 益 放 大 器 。 但 磁 电感 应 式 传 感 器 是 速

6、 度 传 感 器 ， 如 要 获 取 位 移 或 加 速 度 信 号 ，就 需 配 用 积 分 电 路 或 微 分 电 路 四 、 感 应 式 传 感 器 的 应 用 5.2 霍 尔 式 传 感 器 霍 尔 传 感 器 是 基 于 霍 尔 效 应 的 一 种 传 感 器 。 1879年 美 国 物 理 学 家 爱 德 文 霍 尔 首 先 在 金 属 材 料 中 发 现 了霍 尔 效 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

7、 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 。 按 照 霍 尔 器 件 的 功 能 可 分 为 ： 霍 尔 线 性 器 件 和 霍尔 开 关 器 件 。 前 者 输 出 模 拟 量 ， 后 者 输 出 数 字 量 。 一 、 霍 尔 效 应 在 置 于 磁 场 的 导 体 或 半 导 体 中 通 入 电 流 ， 若 电 流 与 磁 场 垂 直 ，则 在 与 磁 场 和 电 流 都 垂 直 的 方 向 上 会 出 现 一 个 电 势 差 ， 这 种 现象 就 是 霍 尔

8、 效 应 ， 产 生 的 电 势 差 称 为 霍 尔 电 压 。F L evB e为 载 流 子 电 荷 量 ； v为 载 流 子 的 运 动 速 度 ； B为 磁 感 应 强 度 以 N型 半 导 体 为 例 ， 导 电 的 载 流 子 是 电 子 。 在 垂 直 方 向 的 磁 场 作 用 下 ， 电 子 受 到洛 仑 兹 力 FL作 用 ， 其 方 向 用 右 手 定 则 判 断 。 在 洛 仑 兹 力 的 作 用 下 ， 电 子 向 一 侧 偏 转 ， 使 该 侧 形 成 负 电 荷的 积 累 ， 另 一 侧 则 形 成 正 电 荷 的 积 累 。 这 样 ， 这 两 端 面 因 电

9、荷积 累 而 建 立 了 一 个 电 场 Eh， 称 为 霍 尔 电 场 。 该 电 场 对 电 子 的 作用 力 与 洛 仑 兹 力 的 方 向 相 反 ， 即 阻 止 电 荷 的 继 续 积 累 。 当 电 场力 与 洛 仑 兹 力 相 等 时 ， 达 到 动 态 平 衡 ， 这 时 有eEh evB 1 H H HIBU IB R k IBned d 由 上 可 推 得 ： RH为 霍 尔 系 数 ， 它 反 映 材料 霍 尔 效 应 的 强 弱 。 kH为 霍 尔 灵 敏 度 ， 它 表 示霍 尔 元 件 在 单 位 控 制 电 流 和单 位 磁 感 应 强 度 时 产 生 的 霍尔

10、电 压 的 大 小 。 由 上 式 可 见 ：1） 霍 尔 电 压 UH与 材 料 的 性 质 有 关 。 材 料 的 载 流 子 浓 度 小 ， RH就 大 。 金 属 的 载 流 子 浓 度 很 大 ， 所 以 产 生的 霍 尔 电 势 UH就 极 小 ， 故 不 宜 做 成 元 件 。 在 半 导 体 材 料 中 ， 由 于 电 子 的迁 移 率 比 空 穴 的 大 ， 即 np， 所 以 霍 尔 元 件 一 般 采 用 N型 半 导 体 材 料 。2） 霍 尔 电 压 UH与 元 件 的 尺 寸 有 关 。 d愈 小 ， kH愈 大 ， 霍 尔 灵 敏 度 愈 高 ， 所 以 霍 尔

11、元 件 的 厚 度 都 比 较 薄 ，但 d太 小 ， 会 使 元 件 的 输 入 、 输 出 电 阻 增 加 。3） 霍 尔 电 压 UH与 控 制 电 流 及 磁 场 强 度 有 关 。 所 以 ， 它 可 以用 于 感 应 磁 场 强 度 和 电 流 大 小 。RH 载 流 体 的 电 阻 率 、 载 流 子 迁 移 率 (迁 移 率 ， 是 指 在 单 位 电 场 强度 作 用 下 ， 载 流 子 的 平 均 速 度 值 ) kH RH / d 二 、 霍 尔 元 件 基 本 结 构 霍 尔 元 件 的 结 构 很 简 单 ， 它 是 由 霍 尔 片 、 四 根 引 线 和 壳 体 组

12、 成 的 。 霍尔 片 是 一 块 矩 形 半 导 体 单 晶 薄 片 ， 引 出 四 根 引 线 ： 1-1两 根 引 线 加 控 制电 压 或 电 流 ， 称 控 制 电 极 （ 激 励 电 极 ） ； 2- 2引 线 为 霍 尔 电 极 。 霍 尔 元件 的 壳 体 是 用 非 导 磁 金 属 、 陶 瓷 或 环 氧 树 脂 封 装 的 。 在 电 路 中 ， 霍 尔 元件 一 般 符 号 如 图 所 示 。 1 12 2 三 、 霍 尔 元 件 基 本 特 性1、 输 入 电 阻 和 输 出 电 阻 控 制 电 极 间 的 电 阻 值 称 为 输 入 电 阻 。 霍 尔 电 极 输 出

13、 电 势 对 外 电 路 来 说相 当 于 一 个 电 压 源 , 其 电 源 内 阻 即 为 输 出 电 阻 。 以 上 电 阻 值 是 在 磁 感 应 强度 为 零 且 环 境 温 度 在 20 时 确 定 的2、 不 等 位 电 势 当 霍 尔 元 件 的 激 励 电 流 为 I 时 , 若 元 件 所 处 位 置 磁 感 应 强 度 为 零 , 则 它的 霍 尔 电 势 应 该 为 零 , 但 实 际 不 为 零 。 这 时 测 得 的 空 载 霍 尔 电 势 称 不 等 位电 势 。 产 生 这 一 现 象 的 原 因 有 : A C B I D 霍 尔 电 极 安 装 位 置 不

14、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 （ 如 片 厚薄 不 均 匀 等 ） ; 激 励 电 极 接 触 不 良 造 成 激 励 电 流不 均 匀 分 布 等 。 这 些 工 艺 上 问 题 都 将 使 等 位 面 歪 斜 ，致 使 两 霍 尔 电 极 不 在 同 一 等 位 面 上 而 产生 不 等 位 电 势 。 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 ， 而 实 用 中 要 消 除 不 等 位 电 势 是

15、 极 其 困 难 的 ， 因 而 必须 采 用 补 偿 的 方 法 。 分 析 不 等 位 电 势 时 ， 可 以 把 霍 尔 元 件 等 效 为一 个 电 桥 ， 用 电 桥 平 衡 来 补 偿 不 等 位 电 势 。 四 、 温 度 特 性 及 补 偿 霍 尔 元 件 的 温 度 特 性 是 指 元 件 的 内 阻 及 输 出 与 温 度 之 间 的 关 系 。 与一 般 半 导 体 一 样 ， 由 于 电 阻 率 、 迁 移 率 以 及 载 流 子 浓 度 随 温 度 变 化 ， 所以 霍 尔 元 件 的 内 阻 、 输 出 电 压 等 参 数 也 将 随 温 度 而 变 化 。1. 分

16、 流 电 阻 法 即 输 入 端 回 路 采 用 恒 流 源 并 联 补 偿 电 阻 Rr霍 尔 元 件 输 入 电 阻R选 用 的 温 度 补 偿 电 阻I 0被 分 流 的 电 流Ic控 制 电 流kH霍 尔 元 件 灵 敏 系 数 0 0 011 1H Hr r TR R Tk k T 对 于 确 定 的 霍 尔 元 件 ， 它 的 相 关 参数 是 确 定 值 ， 并 联 电 阻 的 温 度 系 数也 可 事 先 确 定 ， 那 就 可 以 通 过 上 式求 出 对 并 联 电 阻 的 要 求 。若 温 度 变 化 霍 尔 电 压 不 变 ， 则 有 UH=UH0， 即 00 0 0C

17、 RI I R r 00 011 1C R TI I R T r T 温 度 未 变 化 时 ， 电 路 的 分 流 关 系 为所 以 ， 温 度 变 化 T时 ， 电 路 的 分 流 关 系 为 00 0 0 0 0 011 1 1H H C H H C H R TU k I B U k I B k T B I R T r T 整 理 上 式 ， 得 0 0R r 2、 利 用 输 出 回 路 的 负 载 进 行 补 偿 。 六 、 霍 尔 传 感 器 应 用 霍 尔 电 势 是 关 于 I、 B、 三 个 变 量 的 函 数 ， 即 E=kIBcos ，人 们 利 用 这 个 关 系 可

18、以 使 其 中 两 个 变 量 不 变 ， 将 第 三 个 量作 为 变 量 ， 或 者 固 定 其 中 一 个 量 、 其 余 两 个 量 都 作 为 变 量 。三 个 变 量 的 多 种 组 合 使 得 霍 尔 传 感 器 具 有 非 常 广 阔 的 应 用领 域 。 霍 尔 传 感 器 由 于 结 构 简 单 、 尺 寸 小 、 无 触 点 、 动 态 特 性好 、 寿 命 长 等 特 点 ， 因 而 得 到 了 广 泛 应 用 。 如 磁 感 应 强 度 、电 流 、 电 功 率 等 参 数 的 检 测 都 可 以 选 用 霍 尔 器 件 。 它 特 别适 合 于 大 电 流 、 微

19、小 气 隙 中 的 磁 感 应 强 度 、 高 梯 度 磁 场 参数 的 测 量 。 此 外 ， 也 可 用 于 位 移 、 加 速 度 、 转 速 等 参 数 测量 以 及 自 动 控 制 。 1、 位 移 测 量 H HdU dBK I Kdx dx HU KX 在 磁 场 强 度 相 同 而 极 性 相 反 的 两 个 磁 铁 气 隙 中 放 置 一 个 霍尔 元 件 。 当 元 件 的 控 制 电 流 I恒 定 不 变 时 ， 霍 尔 电 势 UH与 磁 感应 强 度 B成 正 比 。 若 磁 场 在 一 定 范 围 内 沿 x方 向 的 变 化 梯 度 为一 常 数 ， 如 图 所

20、示 。 则 当 霍 尔 元 件 沿 x方 向 移 动 时 ， 有 ：式 中 K为 位 移 传 感 器 输 出 灵 敏 度 。 将 上 式 积 分 后 得 : 2、 角 位 移 测 量 仪 霍 尔 器 件 与 被 测 物 连 动 ， 而 霍 尔 器 件 又 在 一 个 恒 定 的磁 场 中 转 动 ， 于 是 霍 尔 电 势 就 反 应 了 转 角 变 化 。 不 过 ， 这个 变 化 是 非 线 性 的 （ UH正 比 于 cos） ， 若 要 求 成 线 性 关 系 ，必 须 采 用 特 定 形 状 的 磁 极 。 3、 霍 尔 转 速 表 在 被 测 转 速 的 转 轴 上 安装 一 个

21、齿 盘 ， 也 可 选 取 机械 系 统 中 的 一 个 齿 轮 ， 将线 性 形 霍 尔 器 件 及 磁 路 系统 靠 近 齿 盘 ， 随 着 齿 盘 的转 动 ， 磁 路 的 磁 阻 也 周 期性 地 变 化 ， 测 量 霍 尔 元 件输 出 的 脉 冲 频 率 经 隔 直 、放 大 、 整 形 后 就 可 以 确 定被 测 物 的 转 速 。 4、 霍 尔 式 微 压 力 传 感 器 被 测 压 力 使 弹 性 波 纹 膜 盒 膨 胀 ， 带 动 杠 杆 向 上 移 动 ， 使 霍 尔器 件 2在 磁 路 系 统 1中 运 动 ， 改 变 了 霍 尔 器 件 感 受 的 磁 场 大 小 及方 向 ， 引 起 霍 尔 电 势 的 大 小 和 极 性 的 改 变 。 由 于 波 纹 膜 盒 及 霍尔 器 件 的 灵 敏 度 很 高 ， 所 以 可 用 于 测 量 微 小 压 力 的 变 化 。 作 业 ： 5.2