1、5磁電式傳感器5.1磁電感應式傳感器 磁電感應式是利用電磁感應原理將被測量（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的一種傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機械量轉換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器 根據電磁感應定律，當N匝線圈在均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，產生的感應電勢大小決定于穿過線圈的磁通量的變化率。 一、磁電感應式傳感器工作原理deNdteNBlv 二、結構類型1、恒磁通式傳感器（動圈式圖a、動鐵式圖b） 在這類磁電式傳感器中，工作氣隙中的磁通保持不變，而線圈中的感應電動勢是由于工作氣隙中的線圈與磁鋼之間作相對運動，線圈切割磁力線產生的。其值與相對運動速度成正比。當線圈相對

2、于磁場方向作直線運動或旋轉運動時，所產生的感應電動勢e為： e=NBlv l為每匝線圈的平均長度 B為線圈所在磁場的磁感應強度 S為每匝線圈的平均截面積在傳感器結構參數確定后，B、l、N、S均為定值，感應電動勢e與線圈相對磁場的運動速度v成正比，所以這類傳感器的基本形式是速度傳感器，能直接測量線速度或角速度。由上述工作原理可知，磁電感應式傳感器只適用于動態測量。2、變磁通式(開磁路式圖a ，閉磁路式圖b) 產生磁場的永久磁鐵和線圈固定不動，而是通過磁通的變化產生感應電動勢。常用來測量旋轉物體的角速度。 之前學過的傳感器可以通過改變或增加敏感元件的方法測量更多的物理參數：1、電阻式傳感器： 基本

3、測量量：位移力加速度 基本測量量：形變力加速度2、電感式傳感器： 基本測量量：位移力加速度3、電容式傳感器： 基本測量量：位移力加速度思考：如何讓磁電式傳感器可以測量振動、形變、位移、加速度？ 振動 振動三、測量電路 磁電感應式傳感器直接輸出感應電勢。所以任何具有一定工作頻帶的電壓表或示波器都可采用。并且由于該傳感器通常具有較高的靈敏度，所以一般不需要增益放大器。但磁電感應式傳感器是速度傳感器，如要獲取位移或加速度信號，就需配用積分電路或微分電路四、感應式傳感器的應用 5.2 霍爾式傳感器 霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。1879年美國物理學家愛德文霍爾首先在金屬材料中發現了霍爾效應,

4、但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。隨著半導體技術的發展, 開始用半導體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應顯著而得到應用和發展。 霍爾傳感器廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。 按照霍爾器件的功能可分為：霍爾線性器件和霍爾開關器件。前者輸出模擬量，后者輸出數字量。 一、霍爾效應 在置于磁場的導體或半導體中通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現一個電勢差，這種現象就是霍爾效應，產生的電勢差稱為霍爾電壓。 FLevB e為載流子電荷量； v為載流子的運動速度； B為磁感應強度 以N型半導體為例，導電的載流子是電子。在垂直方向的磁場作用下，電子受到洛

5、侖茲力 FL作用，其方向用右手定則判斷。 在洛侖茲力的作用下，電子向一側偏轉，使該側形成負電荷的積累，另一側則形成正電荷的積累。這樣，這兩端面因電荷積累而建立了一個電場Eh，稱為霍爾電場。該電場對電子的作用力與洛侖茲力的方向相反，即阻止電荷的繼續積累。當電場力與洛侖茲力相等時，達到動態平衡，這時有eEhevB 1HHHIBUIBRk IBnedd由上可推得： RH為霍爾系數，它反映材料霍爾效應的強弱。 kH為霍爾靈敏度，它表示霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應強度時產生的霍爾電壓的大小。由上式可見：1）霍爾電壓UH與材料的性質有關。 材料的載流子濃度小，RH就大。金屬的載流子濃度很大，所以產生

6、的霍爾電勢UH就極小，故不宜做成元件。在半導體材料中，由于電子的遷移率比空穴的大，即np，所以霍爾元件一般采用N型半導體材料。2）霍爾電壓UH與元件的尺寸有關。 d愈小，kH愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但d太小，會使元件的輸入、輸出電阻增加。3）霍爾電壓UH與控制電流及磁場強度有關。所以，它可以用于感應磁場強度和電流大小。RH 載流體的電阻率、載流子遷移率(遷移率，是指在單位電場強度作用下，載流子的平均速度值) kHRH / d 二、 霍爾元件基本結構 霍爾元件的結構很簡單，它是由霍爾片、四根引線和殼體組成的。 霍爾片是一塊矩形半導體單晶薄片， 引出四根引線： 1-1兩根

7、引線加控制電壓或電流，稱控制電極（激勵電極）； 2- 2引線為霍爾電極。 霍爾元件的殼體是用非導磁金屬、 陶瓷或環氧樹脂封裝的。 在電路中， 霍爾元件一般符號如圖所示。 1122三、 霍爾元件基本特性1、輸入電阻和輸出電阻 控制電極間的電阻值稱為輸入電阻。霍爾電極輸出電勢對外電路來說相當于一個電壓源, 其電源內阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應強度為零且環境溫度在20時確定的2、不等位電勢 當霍爾元件的激勵電流為I 時, 若元件所處位置磁感應強度為零, 則它的霍爾電勢應該為零, 但實際不為零。 這時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。 產生這一現象的原因有:ACBID 霍爾電極安裝位置不對稱或不

8、在同一等電位面上; 半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻（如片厚薄不均勻等）; 激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。 這些工藝上問題都將使等位面歪斜，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產生不等位電勢。 不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數量級，有時甚至超過霍爾電勢， 而實用中要消除不等位電勢是極其困難的，因而必須采用補償的方法。分析不等位電勢時，可以把霍爾元件等效為一個電橋， 用電橋平衡來補償不等位電勢。四、溫度特性及補償 霍爾元件的溫度特性是指元件的內阻及輸出與溫度之間的關系。與一般半導體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的內阻、輸出電壓等參數也將

9、隨溫度而變化。1. 分流電阻法 即輸入端回路采用恒流源并聯補償電阻Rr霍爾元件輸入電阻R選用的溫度補償電阻I0被分流的電流Ic控制電流kH霍爾元件靈敏系數000111HHrrTRRTkkT對于確定的霍爾元件，它的相關參數是確定值。可以通過上式求出對并聯電阻的要求。若溫度變化霍爾電壓不變 ，則有UH=UH0，即0000CRIIRr000111CRTIIRTrT 溫度未變化時，電路的分流關系為所以，溫度變化T時，電路的分流關系為00000001111HHCHHCHRTUkIBUk I BkTB IRTrT 整理上式，得00Rr2、利用輸出回路的負載進行補償。 六、霍爾傳感器應用 霍爾電勢是關于I、

10、B、三個變量的函數，即E=kIBcos ，人們利用這個關系可以使其中兩個變量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量、其余兩個量都作為變量。三個變量的多種組合使得霍爾傳感器具有非常廣闊的應用領域。 霍爾傳感器由于結構簡單、尺寸小、無觸點、動態特性好、壽命長等特點，因而得到了廣泛應用。如磁感應強度、電流、電功率等參數的檢測都可以選用霍爾器件。它特別適合于大電流、微小氣隙中的磁感應強度、高梯度磁場參數的測量。此外，也可用于位移、加速度、轉速等參數測量以及自動控制。1、位移測量 HHdUdBKIKdxdx HUKX 在磁場強度相同而極性相反的兩個磁鐵氣隙中放置一個霍爾元件。當元件的控制電流I恒定不變時，霍爾電勢UH與磁感應強度B成正比。若磁場在一定范圍內沿x方向的變化梯度為一常數，如圖所示。則當霍爾元件沿x方向移動時，有：式中K為位移傳感器輸出靈敏度。將上式積分后得:2、角位移測量儀 霍爾器件與被測物連動，而霍爾器件又在一個恒定的磁場中轉動，于是霍爾電勢就反應了轉角變化。不過，這個變化是非線性的（UH正比于cos），若要求成線性關系，必須采用特定形狀的磁極。3、霍爾轉速表 在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統中的一個齒輪，將線性形霍爾器件及磁路系統靠近齒盤，隨著齒盤的轉動，磁路的磁