第7章磁敏式傳感器磁敏傳感器是通過磁電作用將被測量（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的一種傳感器。本章主要介紹:磁電感應式傳感器霍爾傳感器7.1磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器是利用電磁感應原理，將運動速度轉換成線圈中的感應電勢輸出。特點:

1)工作不需要外加電源，而是直接從被測物體吸取機械能量并轉換成電信號輸出，這是一種典型的發電型傳感器。

2)傳感器輸出功率大，簡化了配用的二次儀表電路。3)它的性能穩定，還可以針對使用對象做成不同的結構形式。

根據電磁感應定律，線圈兩端的感應電勢e正比于匝鏈線圈的磁通的變化率，即

Φ—匝鏈線圈的磁通；W—線圈匝數。

★若線圈在恒定磁場中作直線運動并切割磁力線時，則線圈兩端產生的感應電勢e為式中：W—線圈的有效匝數；

B—磁場的磁感應強度；

l—每匝線圈的平均長度。x—線圈與磁場相對運動的位移；v—線圈與磁場相對運動的速度；θ—線圈運動方向與磁場方向之間的夾角；當θ=90o（線圈垂直切割磁力線）時，有：

★若線圈相對磁場作旋轉運動切割磁力線，感應電勢為式中，ω—旋轉運動的相對角速度；

S—每匝線圈的截面積。

θ—線圈平面的法線方向與磁場方向間的夾角。●當θ=90o時，可寫成

由上可見：當傳感器的結構確定后，B、S、W、均為定值，因此，感應電勢e與相對速度v（或ω

）成正比。根據上述基本原理，磁電式傳感器可分為兩種基本類型：變磁通式恒定磁通式1．變磁通式永久磁鐵與線圈均不動，感應電勢是由變化的磁通產生的。如圖7-1所示的轉速傳感器。

●結構特點永久磁鐵、線圈和外殼均固定不動，齒輪安裝在被測旋轉體軸上。當齒輪轉動時，齒輪與軟鐵磁軛之間的氣隙距離隨之變化，從而導致氣隙磁阻和穿過氣隙的主磁通發生變化。結果在線圈中感應出電勢。

圖(b)為閉磁路變磁通式傳感器，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應電動勢。顯然，感應電勢的頻率與被測轉速成正比。2．恒定磁通式工作氣隙中的磁通保持不變，而線圈中的感應電勢是由于工作氣隙中的線圈相對永久磁鐵運動，并切割磁力線產生的，輸出感應電勢與相對速度成正比。磁電式振動傳感器由永久磁鐵（磁鋼）、線圈、彈簧、阻尼器和殼體等組成，如圖7-2所示。按活動部件是磁鐵還是線圈：動鋼型和動圈型。

磁電式振動傳感器的工作原理永久磁鐵相當于二階系統中的質量塊m；阻尼c大多是由金屬線圈骨架在磁場中運動產生的電磁阻尼提供的，有的傳感器還兼有空氣阻尼器；測量結構振動時傳感器殼體剛性地固定在振動物體上，傳感器殼體隨物體一起振動。它是一種典型的二階傳感器，可以用一個由集中質量m、集中彈簧K和集中阻尼器C組成的二階系統來表示，如右圖磁電式傳感器接入測量電路時，若測量電路輸入電阻為Ri，則輸出電流i0

為式中，R—線圈電阻。電流靈敏度Si為電壓靈敏度Su為2基本特性說明：

B值大，靈敏度也大，因此要選用B值大的永磁材料；線圈的平均長度大也有助于提高靈敏度，但這是有條件的，要考慮兩種情況：（1）線圈電阻與指示器電阻匹配問題因傳感器相當于一個電壓源，為使指示器從傳感器獲得最大功率，必須使線圈的電阻等于指示器的電阻。（2）線圈的發熱問題傳感器線圈產生感應電動勢，接上負載后，線圈中有電流流過而發熱。

●當傳感器的工作環境溫度發生變化，或受到外界磁場的干擾，或受到機械振動和沖擊時，其靈敏度都將發生變化而產生測量誤差。相對誤差公式如下：3磁電式傳感器的誤差1．溫度誤差

★補償的辦法是采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負溫度系數的特殊磁性材料做成，它在正常工作溫度下將空氣磁通分路掉一小部分。當溫度升高時熱磁分流器的磁導率顯著下降，經它分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低，從而保持空氣隙中的工作磁通不隨溫度變化，維持傳感器的靈敏度為一常數。2．磁電式傳感器的非線性誤差主要原因：

當磁電式傳感器在進行測量時，傳感器線圈會有電流流過，這時線圈會產生一定的交變磁通，此交變磁通會疊加在永久磁鐵產生的傳感器工作磁通上，導致氣隙磁通變化。這種影響分為兩種情況:附加電場與工作電場方向相同（靈敏度增大），或反之。

★為了補償這種磁場效應，常在傳感器中加入“補償線圈”。“補償線圈”原理圖如圖7-4所示。3．永久磁鐵的不穩定性誤差當測量電路的輸入電阻Ri>>R時，磁電式傳感器的電壓靈敏度Su可近似寫成誤差公式可寫成此時永久磁鐵的穩定性將成為誤差的決定性因素，因為永久磁鐵磁感應強度的穩定性直接影響工作氣隙中的磁感應強度的穩定性。

★永久磁鐵的磁性能會隨著時間的推移而發生變化，為提高永磁材料的時間穩定性，永磁材料在充磁前需要先進行退火處理消除內應力。

★為了提高永久磁鐵耐受機械沖擊或振動的能力，可以事先使永久磁鐵經受約上千次的機械振動或沖擊的環境實驗，最后使材料的組織結構穩定下來。

★

經過這些穩定措施之后，磁電式傳感器的靈敏度就可以穩定在某一數值上

，不隨環境的變化而變化，可以提高測量精度，減小測量誤差。7.1.2測量電路7.1.3磁電感應式傳感器的應用磁電感應式振動速度傳感器

磁電感應式扭矩傳感器電磁流量計測量導電液體的體積流量7.2霍爾式傳感器霍爾式傳感器是基于霍爾效應將被測量（如電流、磁場、位移、壓力、壓差、轉速等）轉換成電動勢輸出的一種傳感器。霍爾式傳感器特點:

★優點:結構簡單、體積小、堅固、頻率響應寬（從直流到微波）、動態范圍（輸出電動勢的變化）大、非接觸、使用壽命長、可靠性高、易于微型化和集成化。★缺點：轉換率較低、溫度影響大、要求轉換精度較高時必須進行溫度補償。7.2.1霍爾效應圖7-5霍爾效應N型半導體簿片：長度l

、寬度w、厚度d位于磁感應強度為B的磁場中，B垂直于l-w平面。沿l通電流I。UHwldIFBFHvBEHabcd

半導體薄片置于磁場強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種現象稱為霍爾效應，該電動勢稱為霍爾電勢，上述半導體薄片稱為霍爾元件。當N型半導體通電流I時，半導體中電子受到洛倫茲力霍爾電場產生的電場力FH為當電場力與洛侖茲力相等時，達到動態平衡，這時有故霍爾電場的強度為流過霍爾元件的電流為所以：RH被定義為霍爾元件的霍爾系數。顯然，霍爾系數由半導體材料的性質決定，它反映材料霍爾效應的強弱。1)當電子運動的方向與外磁場強度的方向相互垂直時，則有霍爾電勢n是單位體積中的載流子數設KH即為霍爾元件的靈敏度，它表示一個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.單位是mV/（mA·T）結論：

霍爾器件的靈敏度，不僅與霍爾器件的材料有關，還與尺寸有關。當外界磁場強度B和激勵電流I中的一個量為常數而另一個為輸入量時，則輸出霍爾電勢正比于B或I。當B和I均為輸入變量時，則輸出霍爾電勢正比于B和I的乘積。

2）如果磁場方向與半導體簿片法線方向不垂直，其角度為α，則霍爾電勢為霍爾元件的外形如圖7-6所示，它是由霍爾片、4根引線和殼體組成，如圖7-6（b）所示。7.2.2霍爾元件7.2.3霍爾元件的測量誤差和補償1.不等位電勢的產生及補償方法定義：霍爾元件在額定激勵電流作用下，不加外磁場時，霍爾電極間的空載電勢Uo，稱為不等位電勢，它是一個主要的零位誤差。產生原因：

1）在制作霍爾元件時，兩個霍爾電極不可能保證裝在同一等位面上，如圖7-7所示；

2）霍爾元件材料的電阻率不均，霍爾片的厚度、寬度不一致，電極與片子的接觸不良等也會產生不等位電勢。

圖7-7不等位電勢圖7-8霍爾元件的等效電路AIU0BCDDAR1R2BCR3R4不等位電勢幾種常用補償方法WCDAR2R3R4R1BWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）圖7-9不等位電勢的補償電路WABCDWABCD(b)WCABD2．溫度誤差及補償霍爾元件與一般半導體元件一樣，對溫度的變化是很敏感的。這是因為霍爾元件的電阻率、載流子遷移率、濃度等都是溫度的函數。因此，在工作溫度變化時，它的一些特性參數，如內阻、霍爾電勢等都要發生相應的變化，從而使霍爾傳感器產生溫度誤差，必須采用適當電路進行補償。溫度補償

（1）輸入端并聯電阻法

由，因Ri隨溫度變化，影響流過Ri的控制電流IH。現采用恒流源供電，使總電流I保持不變。為補償IH和KH隨溫度的變化，可在輸入端并聯一適當的電阻RP，如圖7-10所示。圖7-10輸入端并聯電阻補償（2）采用熱敏元件法圖7-11給出了幾種最常用的補償電路的例子。圖7-11采用熱敏元件的溫度誤差補償電路1、磁電式傳感器是一種把非電量的變化轉換為_______的傳感器。它的基本型是一種

傳感器。2、電感式傳感器的基本型是

傳感器。3、霍爾靈敏度，它是表示

。4、什么是霍爾效應？為什么半導體材料適合于作霍爾元件？練習7.2.4集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的霍爾傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器由于減少了焊點，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優點。1）霍爾式傳感器按被測量的性質可分成電量型和非電量型兩大類，電量型又有電流型、電壓型兩類；非電量型按用途可分為開關型（用于控制）和線性型（用于測量）兩大類。

2）按被檢測的對象的性質可將霍爾開關的應用分為：直接應用和間接應用。前者直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢測對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測信息的載體。1開關型集成霍爾傳感器開關型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經過處理后輸出一個高電平或低電平的數字信號。霍爾開關電路又稱霍爾數字電路，由穩壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸發器和輸出級五部分組成。霍爾開關集成傳感器內部結構框圖23輸出+－穩壓VCC1霍爾元件放大BT整形地H2線性集成霍爾傳感器

線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。其輸出電壓與外加磁場成線性比例關系。一般由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩壓四部分組成。

霍爾線性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制。7.2.5霍爾式傳感器的典型應用例7-1檢測磁場檢測磁場是霍爾式傳感器最典型的應用之一。將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，使磁力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測磁場的磁感應強度成線性正比的電壓。例7-2霍爾位移傳感器將霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半部磁場方向向下，從a端通入電流I，根據霍爾效應，左半部產生霍爾電勢VH1，右半部產生露爾電勢VH2，其方向相反。因此，c、d兩端電勢為VH1-VH2。如果霍爾元件在初始位置時VH1=VH2，則輸出為零；當改變磁極系統與霍爾元件的相對位置時，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。例7-3霍爾轉速傳感器輸入軸輸入軸霍爾傳感器下圖所示為兩種形式的霍爾轉速傳感器工作原理圖。例7-4汽車霍爾電子點火器霍爾傳感器隔磁罩磁鋼缺口霍爾傳感器隔磁罩磁鋼缺口當缺口對準霍爾元件時，磁通通過霍爾傳