第七章 磁电式传感器

第7章磁电式传感器第7章磁电式传感器Magnetoelectricsensors主要内容：掌握磁电感应式传感器的工作原理、分类和基本结构，了解其应用；掌握霍尔效应、霍尔传感器的结构、特性参数和基本电路；能分析霍尔传感器误差来源和补偿方法，了解其实际应用。第7章磁电式传感器磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换成电信号的传感器。磁电式传感器有霍尔式传感器磁电感应式传感器第7章磁电式传感器7.1磁电感应式传感器被测量感应电动势e磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之间作相对运动；磁路中磁阻的变化等。一般可将磁电感应式传感器分为变磁通式和恒磁通式两类。磁电感应式传感器工作原理是发电机原理。利用导体和磁场发生相对运动产生感应电势。由法拉第电磁感应定律可知：dtdWe第7章磁电式传感器图7-2变磁通磁电式传感器1-被测旋转体；2-测量齿轮；3-线圈；4-软铁；5-永久磁铁原理：磁阻变化线圈产生感应电动势输出周期感应脉冲信号：一、变磁通式开磁路变磁通式转速传感器式中，Z—齿轮的齿数；n—转速(r/min)；f—感应脉冲信号频率f=Zn/60第7章磁电式传感器特点：结构简单、但输出信号小，高速轴上加装齿轮较危险，当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器。第7章磁电式传感器结构：由转子、定子、环形永久磁铁、线圈等元件组成。f=Zn/60式中，Z—齿轮的齿数；n—转速(r/min)；f—感应脉冲信号频率原理：磁阻变化线圈产生感应电动势输出周期感应脉冲信号闭磁路变磁通式转速传感器第7章磁电式传感器vlNBe00可测速度，如果接一个积分或微分电路也可用来测量位移和加速度二、恒磁通式结构：磁路系统、线圈。图7-1恒磁通磁电式传感器结构原理图（a）动圈式;（b）动铁式原理：线圈与磁场相对运动（动圈式/动铁式）v感应电动势e第7章磁电式传感器2．振动测量工作频率10～500Hz最大可测加速度5g精度≤10％固有频率12Hz可测振幅范围0.1～1000外形尺寸45mm×160mm灵敏度604mV·s·cm-1工作线圈内阻1.9质量0.7kgmk1、8—圆形弹簧片；2—圆环形阻尼器；3—永久磁铁；4—铝架；5—心轴；6—工作线圈；7—壳体；9—引线三、磁电感应式传感器的应用1．转速测量第7章磁电式传感器3．扭矩测量当转轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位差为零。当被测轴感受扭矩时，轴的两端产生扭转角，因此两个传感器输出的两个感应电动势将因扭矩而有附加相位差。扭转角与感应电动势相位差的关系为：0z0式中：z为传感器定子、转子的齿数。第7章磁电式传感器7.2霍尔式传感器工作原理：是基于霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。霍尔器件是一种磁传感器。特点：霍尔传感器具有体积小、无触点、可靠性高、使用寿命长、频率相应宽、易于集成化和微型化。应用：霍尔传感器是全球排名第三的传感器产品，它被广泛应用到工业、汽车业、电脑、手机、电机以及新兴消费电子领域。磁场电压UH第7章磁电式传感器翻盖或滑盖手机中的应用用来检测手机盖翻开或是滑动的器件就是霍尔传感器在滑盖手机中，在上盖对应的位置有一个磁铁，霍尔传感器就在磁铁对应的主板正面或反面，用磁铁来控制霍尔传感器信号的输出。当合上滑盖时，传感器输出低电平作为中断信号到CPU，强制手机退出正在运行的程序；当打开滑盖时，传感器输出高电平，手机解锁，接通正在打入的电话。第7章磁电式传感器第7章磁电式传感器把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，沿着垂直于磁场的方向通以电流I，就会在薄片的另一对侧面间产生电动势UH，这种现象称为霍尔效应。所产生的电动势称为霍尔电动势，这种薄片（一般为半导体）称为霍尔片或霍尔元件。霍尔效应原理图7.2.1霍尔效应及霍尔元件1.霍尔效应第7章磁电式传感器霍尔效应演示当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片A、B方向的端面之间建立起霍尔电势。ABCD第7章磁电式传感器在磁场B中运动的电子将受到洛伦兹力fL：fL=evB建立的电场EH对随后的运动电子施加一电场力fE：平衡时，fL=fE，即：evB=eUH/b由于电流密度J=-nev，则电流强度为I=-nevbd所以得到：IBKdIBRnedIBUHHHd—霍尔片厚度；n—电子浓度；RH=1/ne—霍尔系数；KH=RH/d=1/ned—霍尔灵敏度。(7-1)霍尔效应产生机理：fE=eEH=eUH/b第7章磁电式传感器霍尔电势UH与输入电流I、磁感应强度B成正比；当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变；如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。第7章磁电式传感器1.对于金属而言，n很大，所以RH很小，而半导体尤其是N型半导体RH则较大；所以霍尔元件多用N型半导体。2.因为kH=RH/d，霍尔元件越薄（即d越小），kH就越大，所以霍尔元件都比较薄，薄膜霍尔元件厚度只有μm左右。结构与选材：IBKdIBRnedIBUHHH因此、霍尔元件多用N型半导体薄片第7章磁电式传感器霍尔元件的材料：锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)和砷化镓(GaAs)是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。下表所列为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。12/电阻率电子迁移率材料(单晶)禁带宽度Eg/(eV)/(Ω·cm)/(cm²/V·s)霍尔系数RH/(cm³·C-1)N型锗(Ge)0.661.0350042504000N型硅(Si)1.1071.5150022501840锑化铟(InSb)0.170.005600003504200砷化铟(InAs)0.360.0035250001001530磷砷铟(InAsP)0.630.08105008503000砷化镓(GaAs)1.470.2850017003800第7章磁电式传感器霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。外形符号基本测量电路结构2．霍尔元件基本结构第7章磁电式传感器3．霍尔元件基本特性(1)额定激励电流Ic：当霍尔元件自身温升10C°时所流过的激励电流称为额定激励电流。(2)霍尔输入电阻Ri：霍尔控制电极间的电阻值。(3)霍尔输出电阻R0：霍尔输出电极间的电阻值。(4)不等位电势U0和不等位电阻R0：霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时其霍尔电极间的电势为不等位电势U0，一般U010mV。等效为不等位电阻R0=U0/Ic。(5)霍尔电势温度系数：为温度变化1C时，霍尔电势变化的百分率（%/C）(6)寄生直流电势：在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一支流电势，称第7章磁电式传感器不等位电动势产生的原因：霍尔电极焊接位置不对称或不能完全位于同一等位面上。半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或几何尺寸不均匀激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布。4．霍尔元件的不等位电动势与补偿不等位电动势：如图当控制电流I流过时,即使未加外磁场,C、D两电极此时仍存在电位差,此电位差被称为不等位电势U0。是零位误差中最主要的一种。它与霍尔电势具有相同数量级。第7章磁电式传感器通过补偿电路来克服。在理想情况下R1=R2=R3=R4，即可取得零位电动势为零(或零位电阻为零)。实际上，若存在零位电动势，则说明此4个电阻不完全相等，即电桥不平衡。为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联可调电阻RP或在两个臂上同时并联电阻RP和R。将霍尔元件等效为一个电桥电路如图，用分析平衡电桥方法来补偿：霍尔元件不等位电动势补偿：第7章磁电式传感器霍尔元件不等位电势补偿电路第7章磁电式传感器5．霍尔元件的温度误差及补偿与一般半导体一样，由于电阻率、迁移率以及载流子浓度随温度变化，所以霍尔元件的性能参数如输入、输出、电阻、霍尔常数等也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。选用温度系数小的霍尔元件采用恒流源供电、分流电阻法采用恒流源和输入回路串联电阻采用温度补偿元件采用适当的补偿电路减小温度误差方法：第7章磁电式传感器采用恒流源供电，分流电阻法：IsIpRpIHUH)1()1()1(000TKKTRRTRRHHppiiipspHRRIRI)1()1()1(000TRTRTRIRRRIIippsippsH0HUHU=KH0IH0B=KHIHB=00)(ipRR由等式：得并联电阻初值：第7章磁电式传感器7.2.2霍尔传感器的应用霍尔元件具有结构牢固、工艺成熟、体积小、寿命长、线性度好、频率高、耐振动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀的优点。目前，霍尔传感器是全球使用量排名第三的传感器产品，它被广泛应用到工业、汽车业、计算机、手机以及新兴消费电子领域中。第7章磁电式传感器1.霍尔式微位移传感器：第7章磁电式传感器2.霍尔式压力传感器：第7章磁电式传感器3.霍尔式转速传感器1243(a)1243(b)12431234(c)(d)NSNSNSNSNSNSNS1—输入轴；2—转盘；3—小磁铁；4—霍尔传感器第7章磁电式传感器汽车速度测量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；当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。第7章磁电式传感器钢球绝缘板NS磁铁霍尔开关传感器(a)AA741＋12VSL3051SR110k22C1R31kR4470kR5470kVcc计数器V2N5812R211k(b)4.霍尔计数装置霍尔集成元件是将霍尔元件和放大器等集成在一块芯片上。集成霍尔元件分为：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。第7章磁电式传感器5.霍尔钳形电流表测量原理