7.1磁電感應式傳感器7.2霍爾式傳感器7.3新型磁學量傳感器

第7章磁學量傳感器傳感器原理及應用第7章磁學量傳感器

7.1磁電感應式傳感器

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。有源傳感器。磁電式傳感器機械能電量磁敏傳感器磁學量電信號傳感器原理及應用霍爾傳感器測轉速磁電傳感器傳感器原理及應用根據電磁感應定律，N匝線圈在磁場中運動切割磁力線，線圈內產生感應電動勢e。e的大小與穿過線圈的磁通Φ變化率有關。

傳感器原理及應用7.1.1工作原理線圈內的感應電勢E與磁通變化率dΦ/dt關系:E＝-w兩種磁電傳感器結構:變磁通式和恒磁通式。變磁通式磁電傳感器,測量旋轉物體的角速度。

傳感器原理及應用恒磁通式：磁路系統恒定磁場運動部件可以是線圈也可以是磁鐵。變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，轉動物體引起磁阻、磁通變化。

恒磁通式變磁通式（a）開磁路（b）閉磁路傳感器原理及應用傳感器原理及應用開磁路變磁通式:線圈、磁鐵靜止不動,測量齒輪在被測旋轉體上,一起轉動。每轉動一個齒,齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次,磁通變化一次,線圈中產生感應電勢,變化頻率等于被測轉速與測量齒輪齒數的乘積。

傳感器原理及應用

閉磁路變磁通式: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,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。感應電勢的頻率與被測轉速成正比。

傳感器原理及應用傳感器原理及應用

恒磁通式磁電傳感器,由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。運動部件可以是線圈（動圈式）,也可以是磁鐵（動鐵式）磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線,產生感應電勢傳感器原理及應用

E=-B0Lwv

7.1.2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=

傳感器原理及應用在磁場中作直線運動時，線圈中的感應電動勢e=BLVsinαB為磁場磁感應強度；L為線圈導線的總長度.以m計.V為線圈和磁鐵間相對直線運動的線速度m／sα為運動方向和磁感應強度間的夾角，一般α為90，sinα=1.通過測感應電動勢e就可測得線速度v.傳感器原理及應用線圈在磁場中作旋轉運動時，感應電動勢e=Bsωsinθ

ω為線圈和磁鐵間的相對旋轉運動的角速度，

S為線圈所包圍的面積.以m2計。它的輸出電動勢大小與運動速度成正比，只要磁感應強度B和線圈L，S一定，它就是一只測速度的傳感器。傳感器原理及應用傳感器原理及應用傳感器原理及應用傳感器的電流靈敏度為

SI=

輸出電壓和電壓靈敏度為

測量誤差產生的原因:工作溫度變化,外界磁場干擾、機械振動、沖擊等。傳感器原理及應用

電流靈敏度相對誤差為傳感器原理及應用

1.非線性誤差

原因:傳感器線圈內有電流I流過時,產生交變磁通ΦI,疊加在永久磁鐵的工作磁通上,使恒定的氣隙磁通變化,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,靈敏度隨著被測速度的增大而降低。傳感器原理及應用傳感器原理及應用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,靈敏度越高,線圈中電流越大,非線性越嚴重。為補償附加磁場干擾,在傳感器中加入補償線圈。如圖2（a）所示。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,進行補償。

傳感器原理及應用

2.溫度誤差

當溫度變化時相對誤差為

γt≈(-4.5%)/10℃

采用熱磁分流器。由大負溫度系數的特殊磁性材料進行溫度補償。保持空氣隙的工作磁通不隨溫度變化,維持傳感器靈敏度為常數。

傳感器原理及應用7.1.3測量電路

磁電式傳感器是速度傳感器,要獲取被測位移、加速度,需要配用積分、微分電路。

傳感器原理及應用傳感器原理及應用7.1.4應用

傳感器原理及應用7.1.4應用1.動圈式振動速度傳感器傳感器原理及應用

傳感器與被測物體連接,物體振動時,傳感器外殼和永久磁鐵也振動,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。測量振動速度。傳感器原理及應用在測量電路中接入積分電路,輸出電勢與位移成正比;測量電路中接入微分電路,輸出與加速度成正比。

傳感器原理及應用

2.磁電式扭矩傳感器由永久磁場、感應線圈和鐵芯組成。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。相位差與扭轉角成正比。傳感器把扭矩引起的扭轉角轉換成相位差的電信號。

傳感器原理及應用傳感器原理及應用傳感器原理及應用7.2霍爾式傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。7.2.1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。該電勢稱霍爾電勢。傳感器原理及應用傳感器原理及應用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。每個電子受洛侖磁力fm的作用，

fm大小為fm=eBv傳感器原理及應用傳感器原理及應用電子在fm的作用下向上漂移,使金屬導電板上底面積累電子,下底面積累正電荷,形成附加內電場EH霍爾電場電場強度為

EH=

傳感器原理及應用

電子除受洛侖磁力作用外,還受到霍爾電場的作用力,當電子所受洛侖磁力與霍爾電場作用力大小相等、方向相反時,即傳感器原理及應用

eEH=evB

則

EH=vB

此時電荷不再向兩底面積累,達到平衡狀態。

傳感器原理及應用整理有

UH=RH

正比于激勵電流及磁感應強度,靈敏度與霍爾常數RH成正比與霍爾片厚度d成反比。傳感器原理及應用若磁感應強度B和元件平面法線方向成一角度θ時

UH=KHIBCOSθ利用霍爾效應實現磁電轉換的傳感器稱為霍爾傳感器。傳感器原理及應用例如，選用KH=5mV／mA．kGs，控制電流為5mA的霍爾元件作線性測量元件，若要測量1Gs-10kGs的磁場.

根據則霍爾器件最低輸出電勢UH為UH=5mV／mA．KGs*5mA*10-3KGs=25μV最大輸出電勢為UH=5mV／mA．KGs*5mA*10kGs=250mVUH=KHIB傳感器原理及應用作開關元件使用時，要選擇靈敏度高的霍爾器件。例如KH=20mV／mA．kGs，控制電流為2mA，施加一個300Gs的磁場，則輸出霍爾電勢為UH=20mV／mA．KGs*2mA*300Gs=12mV這時選用一般的放大器即可滿足。(UH=KHIB)傳感器原理及應用RH=μρ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。霍爾效應強,則RH值大,要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。

傳感器原理及應用金屬材料載流子遷移率高,電阻率小。絕緣材料電阻率極高,載流子遷移率極低。半導體材料適于制造霍爾片。傳感器原理及應用傳感器原理及應用傳感器原理及應用2.霍爾元件基本結構

由霍爾片、引線和殼體組成,包括：激勵電極；霍爾電極。傳感器原理及應用7.2.2霍爾傳感器基本電路

霍爾晶體外形矩形薄片有四根引線，兩端加激勵，兩端為輸出；電源E，控制電流I；

負載RL，R可調保證控制電流，

B磁場與元件面垂直（向里）。實測中可把I*B作輸入，也可把I或B單獨做輸入。通過霍爾電勢輸出測量結果。輸出Uo與I或B成正比關系。傳感器原理及應用傳感器原理及應用

3.基本特性

1）額定激勵電流和最大允許激勵電流霍爾元件自身溫升10℃時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。元件允許最大溫升所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。希望選用盡可能大的激勵電流,傳感器原理及應用

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。

電源內阻為輸出電阻。傳感器原理及應用

3）不等位電勢和不等位電阻

當激勵電流為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。空載霍爾電勢稱不等位電勢。傳感器原理及應用

原因有:①霍爾電極安裝位置不對稱;②半導體材料不均勻造成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。

傳感器原理及應用不等位電勢可用不等位電阻表示是激勵電流流經不等位電阻r0所產生的電壓。

傳感器原理及應用

4）寄生直流電勢外加磁場為零,霍爾元件用交流激勵,霍爾電極輸出除了交流不等位電勢,還有寄生直流電勢。

原因有:傳感器原理及應用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,兩個電極點的熱容不同,散熱狀態不同形成極向溫差電勢。

傳感器原理及應用

5）霍爾電勢溫度系數

在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。傳感器原理及應用4.不等位電勢補償

要消除不等位電勢,必須采用補償的方法。為達到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯電阻,或在兩個橋臂上同時并聯電阻。

傳感器原理及應用傳感器原理及應用

5.霍爾元件溫度補償為減小溫度誤差,選用溫度系數小的元件或采用恒溫措施,

傳感器原理及應用

由UH=KHIB可看出：采用恒流源供電可以使霍爾電勢穩定.。霍爾元件的靈敏系數KH也是溫度的函數,隨溫度的變化引起霍爾電勢的變化。靈敏度系數與溫度的關系可寫成傳感器原理及應用KH=KH0（1+αΔT）

溫度系數α是正值,霍爾電勢隨溫度升高而增加（1+αΔT）倍。讓激勵電流I相應地減小,保持KHI乘積不變,可抵消靈敏系數KH增加的影響。傳感器原理及應用傳感器原理及應用

電路中用一個分流電阻Rp與激勵電極相并聯。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自動地分流,減少了霍爾元件的激勵電流I,達到補償的目的。傳感器原理及應用在溫度補償電路中,電流值根據分流概念得

IH0=

溫度升至T時,電路中各參數變為傳感器原理及應用

Ri=Ri0（1+δΔT）Rp=Rp0（1+βΔT）

則

傳感器原理及應用

當溫度升高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,即傳感器原理及應用

UH0=UH

KH0IH0B=KHIHB則

KH0IH0=KHIH

經整理并略去α、β、(ΔT)2高次項后得

Rp0=

傳感器原理及應用

當霍爾元件選定后,Ri0、δ及α是確定值。可計算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數β值。傳感器原理及應用7.2.2應用1.微位移傳感器

由于磁鐵中間的磁感應強度B=0,霍爾元件輸出的霍爾電勢UH也等于零,位移Δx=0。傳感器原理及應用

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,其值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量。

傳感器原理及應用傳感器原理及應用7.2霍爾式傳感器7.2.4霍爾傳感器的應用傳感器原理及應用霍爾傳感器位移測量原理霍爾壓力傳感器結構原理傳感器原理及應用傳感器原理及應用霍爾元件和磁體運動方式2.轉速傳感器

磁性轉盤的輸入軸與被測轉軸相連,當被測轉軸轉動時,磁性轉盤隨之轉動,固定在磁性轉盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產生一個相應的脈沖,檢測出單位時間的脈沖數,便可知被測轉速。傳感器原理及應用傳感器原理及應用

3.計數裝置

霍爾開關傳感器SL3501是集成霍爾元件,能感受到的磁場變化,可對金屬零件進行計數檢測。

傳感器原理及應用

當鋼球通過霍爾開關傳感器時,傳感器可輸出脈沖電壓,經運算放大器放大后,驅動半導體三極管工作,VT輸出端便可接計數器進行計數,由顯示器顯示檢測數值。

傳感器原理及應用傳感器原理及應用檢缺口檢齒傳感器原理及應用霍爾元件測位置霍爾元件測角度傳感器原理及應用

線性集成電路(測位移、測振動)

傳感器原理及應用形成切換回差

開關集成器件(測轉速、開關控制、判斷NS極性)

B’、B’’形成切換回差,這是位置式作用傳感器的特點,

作無觸點開關時可防止干擾引起的誤動作。傳感器原理及應用霍爾開關元件性能演示動畫傳感器原理及應用無觸點開關傳感器原理及應用接口電路傳感器原理及應用

五、霍爾傳感器的應用根據UH=KHIBcosθ，有三個方面應用.A.維持元件的輸入激勵電流I不變，使B變化、相對位置、相對角度改變，從而引起霍爾電勢改變。傳感器原理及應用應用有測磁場強度的高斯計、測轉速的轉速表、角位移測量儀、磁性產品計數器、霍爾式角度編碼器、基于微小位移測量原理的霍爾加速度計、微壓力計等.傳感器原理及應用b.當I與B兩者都作為變量時，傳感器的輸出與I、B的乘積成正比。應用有模擬乘法器、功率計等。傳感器原理及應用c.保持磁感應強度恒定不變，利用UH與I成正比的關系，做成過流控制裝置。傳感器原理及應用主要用做無觸點開關，與后級電路接口.如圖所示，驅動幾種常用元器件的接口電路。傳感器原理及應用傳感器原理及應用

1．接近開關

磁極的軸線與霍爾器件的軸線在同一直線上，當磁鐵隨運動部件移動到距霍爾器件幾毫米時，霍爾器件的輸出由高電平變為低電平，經驅動電路使繼電器吸合或釋放，運動部件停止移動。傳感器原理及應用傳感器原理及應用

2．霍爾轉速表

在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，將霍爾器件及磁路系統靠近齒盤，隨著齒盤的轉動，磁路的磁阻也周期性地變化，測量霍爾器件輸出的脈沖頻率就可以確定被測物的轉速.傳感器原理及應用

3．角位移測量儀

霍爾器件與被測物連動，霍爾器件又在一個恒定的磁場中轉動，霍爾電勢EH就反映了轉角θ的變化。傳感器原理及應用傳感器原理及應用

4．汽車無觸點點火裝置傳感器原理及應用

發動機主軸帶動磁輪鼓轉動時，霍爾器件感受的磁場極性交替改變，傳感器原理及應用

輸出一連串與汽缸活塞運動同步的脈沖信號去觸發晶體管功率開關，點火線圈二次側產生很高的感應電壓，火花塞產生火花放電，完成汽缸點火過程。傳感器原理及應用

5．微壓力傳感器

被測壓力p使彈性波紋膜盒膨脹，帶動杠桿向上移動，使霍爾器件在磁路系統中運動，改變了霍爾器件感受的磁場大小及方向，引起霍爾電勢的大小和極性的改變。用于測量微小壓力的變化。傳感器原理及應用傳感器原理及應用

6．紗線定長和自停裝置

霍爾元件H1和H2分別作為斷線和定長的檢測元件。傳感器原理及應用傳感器原理及應用

測長輪每轉一圈，H2每輸出一個脈沖對應的紗線長度就是2πR(R為測長輪半徑).輸出的脈沖被送至計數器EN端，然后由4位BCD計數器進行計數。控制原理為：測長輪上的磁體每掠過霍爾元件H2一次，H2便導通一次，輸出一個低電平。傳感器原理及應用

當計到預先設定的紗線長度值時，A1-A4均為高電平，控制門打開，輸出低電平，使控制門2的輸出為高電平，三極管T導通，繼電器吸合，推動執行機構將機器停下，完成定長控制過程。紗線在運行中突然斷裂，張力輪便因失去紗線的張力而下落，輪上的磁鋼A緊靠霍爾元件H1,使H1由平時的關狀態轉為通態，引腳(3)輸出低電平。傳感器原理及應用

該低電平作用于控制門2后，同樣會使繼電器及關機執行機構動作，機器關停后等待操作人員處理斷線。電路中，控制門2的輸出端還與IC1的CL端連接，這樣一旦發生斷線，門2輸出的高電平立即將IC1封住，不讓計數器計數，避免因測長輪慣性轉動而產生的誤差計數現象。傳感器原理及應用

應用還有許多:電流傳感器、電度表、高斯計、液位計、加速度計等。傳感器原理及應用

7.3新型磁學量傳感器

應用霍爾效應開發出霍爾元件;應用磁敏電阻效應及半導體集成電路技術，開發出MR(磁敏電阻)、半導體磁敏器件新型磁敏元件與傳感器；利用磁光旋轉效應開發光磁通計；利用熱敏鐵氧體磁特性與溫度的關系開發熱敏磁開關等。傳感器原理及應用磁敏傳感器

傳感器原理及應用磁敏元件也是基于磁電轉換原理,60年代西門子公司研制了第一個磁敏元件,68年索尼公司研制成磁敏二極管,目前磁敏元件應用廣泛。磁敏元件磁敏傳感器主要有：磁敏電阻；磁敏二極管；磁敏三極管；霍爾式磁敏傳感器。一、磁敏電阻

1．概念

簡稱MR元件，基于磁阻效應的磁敏元件。磁阻效應:當一載流導體置于磁場中，其電阻會隨磁場而變化.當溫度恒定時，在磁場內，磁阻與磁感應強度B的平方成正比。傳感器原理及應用器件在電子參與導電的情況下，磁阻效應方程為

ρB=ρ。(1+0．273μ2B2)ρB為磁感應強度為B的電阻率；ρ。為零磁場下的電阻率；μ為電子遷移率；

傳感器原理及應用

B為磁感應強度。當電阻率變化為Δρ=ρB-ρ。時，則電阻率的相對變化為

Δρ/ρ。=0．273μ2B2=Kμ2B2

主要性能:磁敏電阻施加磁場，其電阻值比未加磁場時發生明顯的變化。傳感器原理及應用磁阻效應除了與材料有關外，還與磁敏電阻的形狀有關。此時電阻率的相對變化與磁場強度和遷移率的關系可表達為Δρ/ρ。=K(μB)2[1-f(L/b)]

式中，L，b—分為電阻的長和寬；f(L/b)