传感技术及应用-5new(磁电式传感器)

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1、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第五章第五章 磁电式传感磁电式传感器器 磁是人们所熟悉的一种物理现象，因此磁传磁是人们所熟悉的一种物理现象，因此磁传感器具有古老的历史。最简单的把磁转换成电的感器具有古老的历史。最简单的把磁转换成电的磁传感器就是线圈，根据磁传感器就是线圈，根据，在切割，在切割磁通的电路里，产生与磁通相变化速率成正比的磁通的电路里，产生与磁通相变化速率成正比的感应电动势。感应电动势。 现代的磁传感器已向固体化发展，它是利用现代的磁传感器已向固体化发展，它是利用磁场作用使物质的电性能发生变化的各种物理效磁场作用使物质的电性能发生变化的各种物理效应制成的，从而使磁场强度转换为电信号。应制

2、成的，从而使磁场强度转换为电信号。 磁传感器的种类较多，制作传感器的材料有磁传感器的种类较多，制作传感器的材料有半导体、磁性体、超导体等，不同材料制作的磁半导体、磁性体、超导体等，不同材料制作的磁传感器其工作原理和特性也不相同。传感器其工作原理和特性也不相同。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学5-1 5-1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的，是一种机两端输出感应电动势的，是一种机电能量变电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定

3、的频率响应能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围（一般为范围（一般为101010001000），适用于振动、转速），适用于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。较大。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学工作原理：法拉第电磁感应定律ddeNt 当N匝线圈在一恒定磁场中作“切割”磁力线运动时，感应电势为eNBlv 分类：恒定磁通式变磁通式哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学恒定磁通磁电感应式传感器动圈式 结构：lvBNe00动铁式哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学变磁通磁电感应式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学磁电式回转检测器磁电式回转检测器哈尔滨工业大

4、学哈尔滨工业大学在车辆中的应用测速测速车辆在运行过程中，前后轮车辆在运行过程中，前后轮速度传感器通过磁电感应将速度传感器通过磁电感应将车轮速度转化成电压信号，车轮速度转化成电压信号，然后经过线路将该电压信号然后经过线路将该电压信号传输到电子控制器（传输到电子控制器（ECU）中，电子控制器根据预先设中，电子控制器根据预先设置的程序随时对各车轮传感置的程序随时对各车轮传感器的输入信号进行监测，从器的输入信号进行监测，从而判断是否有必要进入到而判断是否有必要进入到ABS制动状态。制动状态。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学5-2 5-2 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔传感器是利用霍

5、尔元件基于而将被而将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。一种传感器。 一、霍尔效应一、霍尔效应 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的物理效应。动势的物理效应。 置于磁场中的静止载流体中，若电流方向与磁场方向不置于磁场中的静止载流体中，若电流方向与磁场方向不相同，则在载流体的垂直于电流与磁场方向所组成的两个侧相同，则在载流体的垂直于电流与磁场方向所组成的两个侧面将产生电动势。这一现象为美国物理学家爱德文面将产生电动势。这一现象为美国物理学家爱德文霍尔于霍

6、尔于1879年发现，称为霍尔效应，相应的电动势称为霍尔电势。年发现，称为霍尔效应，相应的电动势称为霍尔电势。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学bdUHIlBvFFl设为设为N型半导体，型半导体， 载流子为电子。载流子为电子。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学磁场中运动载流子的偏转哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换理而将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。成电动势输出的一种传感器。 优点：优点：结构简单，体积小，坚固，频率响应宽结构简单，体积小，坚固，频率响应宽

7、，动态范围大，动态范围大, ,无触点无触点, ,使用寿命长使用寿命长, ,可靠性高可靠性高, ,易微易微型化和集成电路化。型化和集成电路化。 不足：不足：温度影响大，要求转换精度较高时必须温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿。进行温度补偿。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学霍尔元件霍尔元件砷化钠霍尔器件砷化钠霍尔器件温度系数小，灵敏度高，线性度好，温漂小，稳定性高，体积小哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学二、霍尔片主要技术指标二、霍尔片主要技术指标 1、额定激励电流、额定激励电流 IH2、输入电阻、输入电阻 Ri 控制电极间的电阻值，规定在室温（控制电极间的电阻值，规定在室温（205）的环境温度

8、中测取。的环境温度中测取。 指霍尔电极间的电阻值，规定在（指霍尔电极间的电阻值，规定在（205）条）条件下测取。件下测取。 3、输出电阻、输出电阻 RS哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学4、不等位电势、不等位电势V0及零位电阻及零位电阻r0 当控制磁感应强度为零，控制电流为额定值当控制磁感应强度为零，控制电流为额定值IH时，时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势（或零位电霍尔电极间的空载电势称为不等位电势（或零位电势）。势）。 不等位电势也可用不等位电阻表示：不等位电势也可用不等位电阻表示： 00HVI0 零位电阻零位电阻 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学三、霍尔片的电路三、

9、霍尔片的电路 1、不等位电势的补偿、不等位电势的补偿 由于不等位电势与不等位电阻是一致的，因由于不等位电势与不等位电阻是一致的，因此可以用分析其电阻的方法来进行补偿。此可以用分析其电阻的方法来进行补偿。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学ABCDIR1R2R3R4 补偿原理补偿原理： 将将R1、R2、R3、R4其视其视为电桥的四个臂，即电桥为电桥的四个臂，即电桥不平衡，为使其平衡可在不平衡，为使其平衡可在阻值较大的臂上并联电阻，阻值较大的臂上并联电阻，或在两个臂上同时并联电或在两个臂上同时并联电阻。阻。 图中图中A、B为为控制电极控制电极，C、D为为霍尔电极霍尔电极，在，在极间分布的电阻用极间分布的

10、电阻用R1、R2、R3、R4表示，理想情况表示，理想情况是是R1R2R3R4，即零位电势为零（或零位电阻，即零位电势为零（或零位电阻为零）。但实际上存在着零位电势，则说明此四个为零）。但实际上存在着零位电势，则说明此四个电阻不等。电阻不等。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2、温度补偿、温度补偿 霍尔片是采用半导体材料制造的，因此它们霍尔片是采用半导体材料制造的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。如半导体材的许多参数都具有较大的温度系数。如半导体材料的电阻率，迁移率和载流子浓度等都随温度而料的电阻率，迁移率和载流子浓度等都随温度而变化。变化。 霍尔片的性能参数如输入

11、和输出电阻，霍尔霍尔片的性能参数如输入和输出电阻，霍尔系数等也随温度而变化，致使霍尔电势变化，产系数等也随温度而变化，致使霍尔电势变化，产生温度误差，为了减小温度差：生温度误差，为了减小温度差： 除选用温度系数较小的材料（如砷化铟）；除选用温度系数较小的材料（如砷化铟）； 采用适当的补偿电路。采用适当的补偿电路。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学（1）采用恒流源供电和输入回路并联电阻）采用恒流源供电和输入回路并联电阻 温度变化引起霍尔元件输入电阻变化，在稳压温度变化引起霍尔元件输入电阻变化，在稳压源供电时，会使控制电流发生变化，带来误差。源供电时，会使控制电流发生变化，带来误差。 为了减小这种误差