第七章磁傳感器第一節磁電式傳感器的原理與結構第二節電磁血流量計第三節霍爾式傳感器7.1.1基本原理根據電磁感應定律，當W匝線圈在均恒磁場中運動時，設穿過線圈的磁通為φ，則線圈的感應電勢e為：負號表示感應電動勢總是反抗磁通量的變化7.1.1基本原理當線圈在磁場中作直線運動時，它所產生的感生電勢為：7.1.1基本原理當線圈在磁場中轉動時產生的感應電勢e為：

7.1.2.1磁電式傳感器的結構與分類恒定磁通式磁電傳感器7.1.2.2磁電式傳感器的結構與分類7.1.2.2磁電式傳感器的結構與分類7.1.3磁電式傳感器的誤差和補償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為傳感器的電流靈敏度為傳感器的輸出電壓為傳感器的電壓靈敏度為7.1.3磁電式傳感器的誤差當傳感器的工作溫度發生變化或受到外界磁場干擾、機械振動或沖擊時,其靈敏度將發生變化而產生測量誤差。相對誤差為溫度補償熱磁分路7.1.3.2磁電式傳感器的非線性誤差由于傳感器線圈內有電流i流過時，將產生一定的磁通φi疊加在永久磁鐵所產生的工作磁通上。使得傳感器的靈敏度受到影響。補償線圈7.1.3.2磁電式傳感器的非線性誤差7.2.1電磁流量計的工作原理7.2.1電磁流量計的工作原理7.2.1電磁流量計的工作原理7.2.1電磁血流量計的組成7.2.2電磁血流量計的探頭7.2.2電磁血流量計的探頭7.2.3電磁血流量計的檢測電路直流激勵受交流電磁場干擾影響很小直流磁場易使通過測量管道的電解質液體被極化，即電解質中的正負離子分別聚集到正極和負極7.2.3電磁血流量計的檢測電路交流激勵相當于調制，可以有效地去除干擾變壓器效應：交變磁場會使電極、血液和導線回路內的磁通量發生改變7.2.3電磁血流量計的檢測電路7.3霍爾式傳感器利用霍爾元件（Hallelement）基于霍爾效應原理而將被測量轉換為電動勢輸出的一種傳感器霍爾效應金屬或半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場（磁場方向垂直于薄片）中，當有電流I流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢UH，這種現象稱為霍爾效應

7.3.1霍爾效應UHbldIFLFEvB霍爾效應演示

當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內側偏移，在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdab7.3.1霍爾效應在垂直于外磁場B的方向上放置一導電板,導電板通以電流I。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,每個電子受洛侖磁力FL的作用，FL大小為式中:e——電子電荷v——電子運動平均速度B——磁場的磁感應強度7.3.1霍爾效應霍爾電場的電場強度為當電子所受洛侖磁力與霍爾電場作用力大小相等、方向相反時若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設在導體內某點P處垂直于電流流向的單位面積上通過的電流強度，就是該點處電流密度的大小j7.3.1霍爾效應霍爾電勢靈敏度系數霍爾系數7.3.1霍爾效應霍爾片控制電流端引線霍爾引出端引線激勵電極霍爾電極7.3.2霍爾元件的電磁特性UH～I特性UH～B特性R～B特性指霍爾元件的輸入

電阻與磁場之間的

關系霍爾元件的內阻隨磁場的絕對值增加而增加的現象稱為磁阻效應

7.3.2霍爾元件的誤差與補償1.零位誤差當霍爾元件通以控制電流而不加外磁場時，其輸出端仍然存在空載電動勢，稱為不等位電勢7.3.2霍爾元件的誤差與補償不等位電勢的補償使霍爾電極對稱補償電路DR1R2CBAR3R47.3.2霍爾元件的誤差與補償WABDR2R3R4R1CWADCBWDCABWABDR2R3R4R1CWDCABBWBDR2R3R4R1AC2、寄生直流電勢：當霍爾元件通以交流控制電流而不加外磁場時，霍爾輸出除了交流不等位電勢外，還有一直流電勢分量，稱寄生直流電勢。3、感應零電勢：霍爾元件在交流或脈動磁場中工作時，即使不加控制電流，霍爾端也會有輸出，這個輸出就是感應零電勢。它是由于霍爾電極的引線布置不合理而造成的。4、自激場零電勢：當霍爾元件通以控制電流時，此電流也會產生磁場，該磁場稱為自激場。7.3.2霍爾元件的誤差與補償7.3.2霍爾元件的誤差與補償溫度誤差 由于霍爾元件一般由半導體材料制成，而半導體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度都隨溫度變化，因此其性能參數如輸入電阻、輸出電阻和霍爾常數等也隨著溫度而變化，從而導致霍爾電勢變化，產生溫度誤差

溫度誤差補償恒流源供電，輸入回路并聯電阻IUHtUHIRPRi(t)Rt(t)RPIUHI溫度誤差補償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和輸入電阻與溫度的關系可寫成設初始溫度為T0,霍爾元件輸入電阻為Ri0,靈敏系數為KH0,分流電阻為Rp,根據分流概念得溫度誤差補償當溫度升至T時,電路中各參數變為雖然溫度升高ΔT,補償電路必須滿足溫升前、后的霍爾電勢不變溫度誤差補償恒壓源供電，輸入回路串聯電阻進行補償EIUHRUHtRt(t)RIUHERi(t)溫度誤差補償恒流源供電，利用輸出回路的負載進行補償UHIIRLUHtRi(t)Rt(t)RLIUHI溫度誤差補償溫度誤差補償熱敏電阻具有負溫度系數，電阻絲具有正溫度系數（a）、（b）、（c）中的霍爾元件具有負溫度系數（d）中的霍爾元件具有正溫度系數溫度誤差補償E2w1w2E1w3R2R3R4R1RtUHt調節電位器W1可以消除不等位電勢。電橋由溫度系數低的電阻構成，在某一橋臂電阻上并聯一熱敏電阻。當溫度變化時，熱敏電阻將隨溫度變化而變化，使電橋的輸出電壓相應變化，只要仔細調節，即可補償霍爾電勢的變化，使其輸出電壓與溫度基本無關溫度誤差補償已知某霍爾元件尺寸為長l=10mm，寬b=3.5mm，厚d=1mm。沿l方向通以電流I=1.0mA，在垂直于b×l面方向上加均勻磁場B=0.3T，輸出霍爾電勢UH=6.55mV。求該霍爾元件的靈敏度系數KH和載流子濃度n是多少？UHbldIFLB7.3.3霍爾式傳感器應用霍爾轉速表SN線性霍爾磁鐵7.3.3霍爾式傳感器應用霍爾轉速計數原理7.3.3霍爾式傳感器應用7.3.3霍爾式傳感器應用7.3.3霍爾式傳感器應用7.3.3霍爾式傳感器應用7.3.3霍爾式傳感器應用開關型霍爾傳感器集成電路開關型霍爾集成電路

與繼電器的接線?7.3.3霍爾式傳感器應用7.4.2.1磁敏二極管7.4.2磁敏二極管和磁敏三極管1.磁敏二極管的工作原理與主要特性P+N+I區r面P+N+I區r面H+P+N+I區r面H-利用磁敏二極管在磁場強度的變化下，其電流發生變化，于是就實現磁電轉換。

（a）（b）（c）P+N+I區r面H-P+N+I區r面H+P+N+I區r面1.磁電特性：在給定的條件下，磁敏二極管輸出的電壓變化與外加磁場的關系。B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0ΔU/V1.磁敏二極管的工作原理與主要特性2.伏安特性：磁敏二極管正向偏壓和通過其上電流的關系。不同磁場強度H作用下，磁敏二極管伏安特性不同。例鍺磁敏二極管的伏安特性。1357921.510.50-0.5-1-1.5-2U(V)I(mA)硅磁敏二極管的伏安特性(a)I（mA)31245024681012U(V)4kG3kG2kG1kG0kG-1kG-2kG-3kG(b)3kGI（mA)31245024681012U(V)4kG2kG0kG-1kG-2kG-3kG3.溫度特性：在標準測試條件下，輸出電壓變化量隨溫度的變化。一般比較大。實際使用必須進行溫度補償。硅管的使用溫度是-40oC~±85oC，鍺管是-40~±65oC。T/℃020400.20.40.60.81.0E=6VB=0.1T8060-20-5-4-3-2-1IΔUI/mAΔU/V常用的補償電路:常用的補償電路:1.磁敏三極管的結構與工作原理在弱P型或弱N型本征半導體上用合金法或擴散法形成發射極、基極和集電極。基區較長。基區結構類似磁敏二極管，有高復合速率的r區和本征I區。長基區分為運輸基區和復合基區。7.4.2磁敏三極管的工作原理和主要特性(a)結構(b)符號bcecN+eH-H+bIrN+P+當磁敏三極管末受磁場作用時，由于基區寬度大于載流子有效擴散長度，大部分載流子通過e-I-b形成基極電流，少數載流子輸入到c極。因而形成基極電流大于集電極電流的情況，使β＜l。工作原理:N+N+eP+xIrbcy

當受到正向磁場(H+)作用時，由于磁場的作用，洛侖茲力使載流子偏向發射結的一側，導致集電極電流顯著下降，當反向磁場(H-)作用時，在H-的作用下，載流子向集電極一側偏轉，使集電汲電流增大。N+N+eP+xrbycIN+N+eP+xIrbcH-yN+N+eP+xIrbcyH+N+N+eP+xIrbcH-yN+N+eP+xrbycI（a）(b)(c)由此可知、磁敏三極管在正、反向磁場作用下，其集電極電流出現明顯變化。這樣就可以利用磁敏三極管來測量弱磁場、電流、轉速、位移等物理量。與普通晶體管的伏安特性曲線類似。由圖可知，磁敏三極管的電流放大倍數小于1。(1)伏安特性2.磁敏三極管的主要特性Ib=0Ib=5mA1.00.80.60.40.20246810Uce/VIc/mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAUce/VIb=3mA,B=-1kG1.00.80.60.40.20246810Ic/mAIb=3mA,B=0Ib=3mA,B=1kG(1)為不受磁場作用時(2)磁場為

1kGs

基極為3mA(2)磁電特性

磁敏三極管的磁電特性是應用的基礎，右圖為國產NPN型3BCM(鍺)磁敏三極管的磁電特性，在弱磁場作用下，曲線接近一條直線。-3-2-112345B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.1

圖7-273BCM磁敏三極管的磁電特性(3)溫度特性及其補償下圖是采用兩只特性一致、磁極相反的磁敏三極管組成的差動電路