7.1磁電感應式傳感器7.2霍爾式傳感器第7章磁電式傳感器返回主目錄第7章磁電式傳感器

磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量量（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的一種傳感器。磁電傳感器分為：磁電感應式傳感器：利用導體與磁場發(fā)生相對運動產生感應電動勢。霍爾傳感器：載流子半導體在磁場中有電磁效應而產生電動勢。7.1磁電感應式傳感器

磁電感應式傳感器又稱磁電式傳感器（電動式、感應式）,是利用電磁感應原理(磁電作用)將導體在磁場中相對運動（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號（感生電動勢）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,是有源傳感器。由于它輸出功率大且性能穩(wěn)定,具有一定的工作帶寬（10～1000Hz）,所以得到普遍應用。

圖7-1（a）為開磁路變磁通式:線圈、磁鐵靜止不動,測量齒輪安裝在被測旋轉體上,隨之一起轉動。每轉動一個齒,齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次,磁通也就變化一次,線圈中產生感應電勢,其變化頻率等于被測轉速與測量齒輪齒數的乘積。這種傳感器結構簡單,但輸出信號較小,且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉速。圖7-1(b)為閉磁路變磁通式,它由裝在轉軸上的內齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應線圈組成,內外齒輪齒數相同。當轉軸連接到被測轉軸上時,外齒輪不動,內齒輪隨被測軸而轉動,內、外齒輪的相對轉動使氣隙磁阻產生周期性變化,從而引起磁路中磁通的變化,使線圈內產生周期性變化的感生電動勢。顯然，感應電勢的頻率與被測轉速成正比。當殼體隨被測振動體一起振動時,由于彈簧較軟,運動部件質量相對較大。當振動頻率足夠高（遠大于傳感器固有頻率）時,運動部件慣性很大,來不及隨振動體一起振動,近乎靜止不動,振動能量幾乎全被彈簧吸收,永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度,磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線,從而產生感應電勢為E=-B0Lwv

(7-2)式中:B0——工作氣隙磁感應強度;L——每匝線圈平均長度;W——線圈在工作氣隙磁場中的匝數;v——相對運動速度。

二、磁電感應式傳感器基本特性當測量電路接入磁電傳感器電路中,磁電傳感器的輸出電流Io為Io=（7-3）式中:Rf——測量電路輸入電阻;R——線圈等效電阻。

1.非線性誤差磁電式傳感器產生非線性誤差的主要原因是:由于傳感器線圈內有電流I流過時,將產生一定的交變磁通ΦI,此交變磁通疊加在永久磁鐵所產生的工作磁通上,使恒定的氣隙磁通變化如圖7-3所示。當傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場的運動速度增大時,將產生較大的感生電勢E和較大的電流I,由此而產生的附加磁場方向與原工作磁場方向相反,減弱了工作磁場的作用,從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。當線圈的運動速度與圖7-3所示方向相反時,感生電勢E、線圈感應電流反向,所產生的附加磁場方向與工作磁場同向,從而增大了傳感器的靈敏度。其結果是線圈運動速度方向不同時,傳感器的靈敏度具有不同的數值,使傳感器輸出基波能量降低,諧波能量增加。即這種非線性特性同時伴隨著傳感器輸出的諧波失真。顯然，傳感器靈敏度越高,線圈中電流越大,這種非線性越嚴重。為補償上述附加磁場干擾,可在傳感器中加入補償線圈,如圖7-2（a）所示。補償線圈通以經放大K倍的電流,適當選擇補償線圈參數,可使其產生的交變磁通與傳感線圈本身所產生的交變磁通互相抵消,從而達到補償的目的。電飯鍋的發(fā)熱盤中心有一個磁鋼，當按下煮飯開關（聯動開關）時，磁鋼將聯動開關吸住，閉合導通煮飯加熱電路，電飯鍋開始加熱煮飯。

水的沸點是100度左右，當水燒干時（飯也熟了），鍋體溫度慢慢上升超過100度，當傳給磁鋼的溫度達到103度左右時，磁鋼失去磁性，聯動開關借重力彈回，斷開煮飯加熱電路。

三、磁電感應式傳感器的測量電路磁電式傳感器直接輸出感應電勢,且傳感器通常具有較高的靈敏度,所以一般不需要高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器,若要獲取被測位移或加速度信號,則需要配用積分或微分電路。圖7-4為一般測量電路方框圖

1、積分電路三.微分電路1

工作時,傳感器與被測物體剛性連接,當物體振動時,傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動,而架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動。因而,磁路空氣隙中的線圈切割磁力線而產生正比于振動速度的感應電動勢,線圈的輸出通過引線輸出到測量電路。該傳感器測量的是振動速度參數,若在測量電路中接入積分電路,則輸出電勢與位移成正比;若在測量電路中接入微分電路,則其輸出與加速度成正比。

2.磁電式扭矩傳感器圖7-6是磁電式扭矩傳感器的工作原理圖。在驅動源和負載之間的扭轉軸的兩側安裝有齒形圓盤,它們旁邊裝有相應的兩個磁電傳感器。磁電傳感器的結構見圖7-7所示。傳感器的檢測元件部分由永久磁場、感應線圈和鐵芯組成。永久磁鐵產生的磁力線與齒形圓盤交鏈。當齒形圓盤旋轉時,圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變化,于是磁通量也發(fā)生變化,在線圈中感應出交流電壓,其頻率等于圓盤上齒數與轉數乘積。當扭矩作用在扭轉軸上時,兩個磁電傳感器輸出的感應電壓u1和u2存在相位差。這個相位差與扭轉軸的扭轉角成正比。這樣傳感器就可以把扭矩引起的扭轉角轉換成相位差的電信號。7.2霍爾式傳感器

霍爾傳感器是基于霍爾效應原理而將被測量物理量（如電流、磁場、位移、壓力等）轉換成電動勢輸出的一種傳感器。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現了霍爾效應,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(fā)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(fā)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。一、霍爾效應及霍爾元件

1.霍爾效應置于磁場中的靜止載流導體,當它的電流方向與磁場方向不一致時,載流導體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產生電動勢,這種現象稱霍爾效應。該電勢稱霍爾電勢。圖7-8所示,在垂直于外磁場B的方向上放置一導電板,導電板通以電流I,方向如圖所示。導電板中的電流是金屬中自由電子在電場作用下的定向運動。此時,每個電子受洛侖茲力fm的作用，fm大小為fm=eBv（7-9）式中:e——電子電荷;v——電子運動平均速度;B——磁場的磁感應強度。fm的方向在圖7-8中是向上的,此時電子除了沿電流反方向作定向運動外,還在fm的作用下向上漂移,結果使金屬導電板上底面積累電子,而下底面積累正電荷,從而形成了附加內電場EH,稱霍爾電場,該電場強度為（7-10）式中UH為電位差。霍爾電場的出現,使定向運動的電子除了受洛侖茲力作用外,還受到霍爾電場的作用力,其大小為EH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著上、下底面積累電荷的增加,霍爾電場增加,電子受到的電場力也增加,當電子所受洛侖茲力與霍爾電場作用力大小相等、方向相反時,即（7-13）將式（7-13）代入式（7-12）得（7-14）eEH=evB

（7-11）則EH=vB（7-12）此時電荷不再向兩底面積累,達到平衡狀態(tài)。若金屬導電板單位體積內電子數為n,電子定向運動平均速度為v,則激勵電流I=nevbd,則式中KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。由式（7-16）可見,霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應強度,其靈敏度與霍爾常數RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度,霍爾元件常制成薄片形狀。將上式代入式（7-10）得（7-15）式中令RH=1/（ne）,稱之為霍爾常數,其大小取決于導體載流子密度，則（7-16）對霍爾片材料的要求,希望有較大的霍爾常數RH,霍爾元件激勵極間電阻R=ρL/（bd）,同時其中UI為加在霍爾元件兩端的激勵電壓，EI為霍爾元件激勵極間內電場，v為電子移動的平均速度,電子遷移率μ

。則遷移率是指載流子（電子和空穴）在單位電場作用下的平均漂移速度，即載流子在電場作用下運動速度的快慢的量度，運動得越快，遷移率越大；運動得慢，遷移率小。同一種半導體材料中，載流子類型不同，遷移率不同，一般是電子的遷移率高于空穴。解得從式中可知,霍爾常數等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率μ的乘積。若要霍爾效應強,則RH值大,因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。砷化銦的霍爾系數較小,溫度系數也較小,輸出特性線性度好。表7-1為常用國產霍爾元件的技術參數。一般金屬材料載流子遷移率很高,但電阻率很小;而絕緣材料電阻率極高,但載流子遷移率極低。故只有半導體材料適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有:鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導體材料。其中N型鍺容易加工制造,其霍爾系數、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好,其霍爾系數、溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對溫度最敏感,尤其在低溫范圍內溫度系數大,但在室溫時其霍爾系數較大.

2.霍爾元件基本結構霍爾元件的結構很簡單,它由霍爾片、引線和殼體組成,如圖7-9(a)所示。霍爾片是一塊矩形半導體單晶薄片，引出四個引線。1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極。霍爾元件殼體由非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號表示，如圖7-9(b)所示。

3.霍爾元件基本特性1）額定激勵電流和最大允許激勵電流當霍爾元件自身溫升10℃時,所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而線性增加,所以,使用中希望選用盡可能大的激勵電流,因而需要知道元件的最大允許激勵電流,改善霍爾元件的散熱條件,可以使激勵電流增加。2）輸入電阻和輸出電阻

激勵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(huán)境溫度在20℃±5℃時確定的。3）不等位電勢和不等位電阻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:①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上;②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;③激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。

式中:U0——不等位電勢;r0——不等位電阻;IH——激勵電流。由上式可以看出,不等位電勢就是電流流控制經不等位電阻r0所產生的電壓。

不等位電勢也可用不等位電阻表示4）寄生直流電勢

在外加磁場為零,霍爾元件用交流激勵時,霍爾電極輸出除了交流不等位電勢外,還有一直流電勢,稱寄生直流電勢。其產生的原因有:

①激勵電極與霍爾電極接觸不良,形成非歐姆接觸,造成整流效果;②兩個霍爾電極大小不對稱,則兩個電極點的熱容不同,散熱狀態(tài)不同形成極向溫差電勢。寄生直流電勢一般在1mV以下,它是影響霍爾片溫漂的原因之一。5）霍爾電勢溫度系數在一定磁感應強度和激勵電流下,溫度每變化1℃時,霍爾電勢變化的百分率稱霍爾電勢溫度系數。它同時也是霍爾系數的溫度系數。

4.霍爾元件不等位電勢補償

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。由于不等位電勢與不等位電阻是一致的,可以采用分析電阻的方法來找到不等位電勢的補償方法。如圖7-10所示,其中A、B為激勵電極,C、D為霍爾電極,極分布電阻分別用R1、R2、R3、R4表示。理想情況下,R1=R2=R3=R4,即可取得零位電勢為零（或零位電阻為零）。實際上,由于不等位電阻的存在,說明此四個電阻值不相等,可將其視為電橋的四個橋臂,則電橋不平衡。為使其達到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯電阻（如圖7-10（a）所示）,或在兩個橋臂上同時并聯電阻（如圖7-10(b)所示）。

5.霍爾元件溫度補償霍爾元件是采用半導體材料制成的,因此它們的許多參數都具有較大的溫度系數。當溫度變化時,霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數都將發(fā)生變化,從而使霍爾元件產生溫度誤差。為了減小霍爾元件的溫度誤差,除選用溫度系數小的元件或采用恒溫措施外,由UH=KHIB可看出：采用恒流源供電是個有效措施,可以使霍爾電勢穩(wěn)定。但也只能減小由于輸入電阻隨溫度變化而引起的激勵電流I變化所帶來的影響。霍爾元件的靈敏系數KH也是溫度的函數,它隨溫度的變化引起霍爾電勢的變化。霍爾元件的靈敏度系數與溫度的關系可寫成KH=KH0（1+αΔT）（7-20）式中:KH0——溫度T0時的KH值;ΔT=T-T0——溫度變化量;α——霍爾電勢溫度系數。并且大多數霍爾元件的溫度系數α是正值,它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加（1+αΔT）倍。如果,與此同時讓激勵電流I相應地減小,并能保持KHI乘積不變,(因為UH=KHIB)也就抵消了靈敏系數KH增加的影響。按此思路設計的一個既簡單、補償效果又較好的補償電路。

電路中用一個分流電阻Rp與霍爾元件的激勵電極相并聯。當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時,旁路分流電阻Rp自動地加強分流,減少了霍爾元件的激勵電流I,從而達到補償的目的。在溫度補償電路中,設初始溫度為T0,霍爾元件輸入電阻為Ri0,靈敏系數為KH1,分流電阻為Rp0,根據分流概念得（7-21）當溫度升至T時,電路中各參數變?yōu)镽i=Ri0（1+δΔT）（7-22）Rp=Rp0（1+βΔT）（7-23）式中:δ——霍爾元件輸入電阻溫度系數;β——分流電阻溫度系數。則雖然溫度升高ΔT,為使霍爾電勢不變,補償電路必須滿足溫升前、后的霍爾電勢不變,即UH0=UHKH0IH0B=KHIHB（7-25）則KH0IH0=KHIH（7-26）將式（7-20）、（7-21）、（7-24）代入上式,經整理并略去α、β、(ΔT)2高次項后得（7-27）當霍爾元件選定后,它的輸入電阻Ri0和溫度系數δ及霍爾電勢溫度系數α是確定值。由式（7-27）即可計算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數β值。為了滿足R0及β兩個條件,分流電阻可取溫度系數不同的兩種電阻的串、并聯組合,這樣雖然麻煩但效果很好。

二、霍爾式傳感器的應用

1.霍爾式微位移傳感器霍爾元件具有結構簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點,它不僅用于磁感應強度,有功功率及電能參數的測量,也在位移測量中得到廣泛應用。圖7-12給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖。圖（a）是磁場強度相同的兩塊永久磁鐵,同極性相對地放置,霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應強度B=0,因此霍爾元件輸出的霍爾電勢UH也等于零,此時位移Δx=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產生相對位移,霍爾元件感受到的磁感應強度也隨之改變,這時UH不為零,其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量,這種結構的傳感器,其動態(tài)范圍可達5mm,分辨率為0.001mm。

圖（b）所示是一種結構簡單的霍爾位移傳感器,由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器,在Δx=0時,霍爾電壓不等于零。圖（c）是一個由兩個結構相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器,為了獲得較好的線性分布,在磁極端面裝有極化,霍爾元件調整好初始位