第八章-磁电式传感器

1第八章磁电式传感器2磁电式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生电动势的，它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是有源传感器。3一霍尔效应和霍尔元件的工作原理第一节霍尔传感器1、霍尔效应霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。4在半导体薄片中通以电流I,在与薄片垂直方向加磁场B，则在半导体薄片的另外两端，产生一个大小与控制电流I和B乘积成正比的电动势，这种现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。5UHbldIFLFEvB2、霍尔元件的工作原理6图(a)磁场为0时电子在半导体中的流动；(b)电子在洛伦兹力作用下发生偏转；(c)电荷积累达到平衡时,电子流动方向。72、工作原理(设霍尔元件为N型半导体）式中：e-电子电荷；v-电子运动平均速度；B-磁场的磁感应强度。导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。由于外磁场B的作用，每个电子受洛伦兹力FL的作用，ＦL的大小为：evBFLFLFEvUHdIbB电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在ＦL的作用下向上漂移，结果使金属导电板上底面积累电子，而下底面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH，称霍尔电场，该电场力为:bUeeEFHHE8定向运动的电子除受到洛仑兹力外，还受到霍尔电场的作用，当ＦL=ＦE时，达到平衡，此时FLFEvUHdIbBbUeevBHbvBUHnebdIvnevbdI式中ｂd为与电流方向垂直的截面积，n为单位体积内自由电子数（载流子浓度）。流过霍尔元件的电流Ｉ为nedIBUH910nedIBUHＫH称为霍尔片的灵敏度，就是在单位磁感应强度和单位控制电流作用时，所能输出的霍尔电势的大小。1HRne令RＨ称为霍尔常数，很明显，霍尔常数由半导体材料性质决定，且它决定霍尔电势的强弱。3、霍尔系数及灵敏度dRkHH令dIBRUHH则IBKUHH则11由于材料电阻率ρ与载流子浓度和其迁移率μ有关，即1ne则HR则HR12讨论：为什么只能用半导体材料作霍尔元件？dIBUHHR金属材料电子μ很高但ρ很小；绝缘材料ρ很高但μ很小;故为获得较强霍尔效应，半导体材料为最佳霍尔传感器的材料。电子的迁移率比空穴大，所以以N型半导体居多。13霍尔电势除了与材料的载流子迁移率和电阻率有关，同时还与霍尔元件几何尺寸有关。在实际应用中，—般要求霍尔元件灵敏度越大越好，由于霍尔元件的厚度d与KH成反比，因此，霍尔元件的厚度越小其灵敏度越高。故霍尔元件一般用半导体制作，且愈小（薄），灵敏度愈高。14霍尔器件符号HABCDABCDBACDC、D：霍尔输出端，称为霍尔端或输出端。A、B：电极端，称为元件电流端、控制电流端或输入电流端。红色导线红色导线绿色导线绿色导线一般为4mm×2mm×0.1mm15二、霍尔元件的主要技术参数1、额定功耗P0:霍尔元件在环境温度T=250C时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。2、输入电阻和输出电阻Ri：激励电极间的电阻值。Ro：霍尔元件电极间的电阻。3、不等位电势U0：在额定控制电流I下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电势。164、霍尔电势温度系数：在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1℃时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。5、内阻温度系数：霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1℃时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。17常用国产霍尔元件的技术参数1819三霍尔元件的连接方式和输出电路控制电流I由电源E供给，电位器R调节控制电流I的大小。霍尔元件输出接负载电阻RL，RL可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产生霍尔电势UH，所以在测量中，可以把Ｉ和B的乘积，或者Ｉ，或者B作为输入信号，则霍尔元件的输出电势分别正比于IB或I或B。1、基本测量电路UHRLIEIHRB20为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。直流供电情况:控制电流端并联，由W1，W2调节两个元件的输出霍尔电势。交流供电情况:控制电流端串联，各元件输出端接输出变压器B的初级绕组，变压器的次级便有霍尔电势信号叠加值输出。2、连接方式W1W2UH++++----UH~213、霍尔电势的输出电路霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏量级，在实际使用时必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式。22稳压霍尔片Vcc输出13+-施密特触发器22图2开关型霍尔传感器原理和输出特性V0/V12963B/mT05101520释放点(OFF)工作点(ON)开关型霍尔传感器（集成霍尔开关）是把霍尔片产生的霍尔电压VH放大后驱动触发电路，输出电压是能反映B的变化的方脉冲。集成霍尔开关由稳压器、霍尔片、差分放大器、施密特触发器和OC门输出五个基本部分组成。在输入端（1、2之间）输入电压Vcc，经稳压器稳压后加在霍尔发生器的两电流端。根据霍尔效应原理，当霍尔片处于磁场中时，霍尔发生器的两电压端将会有一个霍尔电势差VH输出。VH经放大器放大以后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出。23当外磁场B达到“工作点”Bop时，触发器输出高电平（相对于地电位），三极管导通，此时，OC门输出端输出低电平，通常称这种状态为“开”；当外磁场B达到“释放点”Brp时，触发器输出低电平，三极管截止，OC门输出高电平，这时称其为“关”状态。Bop与Brp是有一定差值的，此差值BH=Bop-Brp称为霍尔开关的磁滞。B的变化不超过BH，霍尔开关不翻转，这就使得开关输出稳定可靠。稳压霍尔片Vcc输出13+-施密特触发器22图2开关型霍尔传感器原理和输出特性V0/V12963B/mT05101520释放点(OFF)工作点(ON)24输出VoutR=2kΩ+12V123（b）应用电路（a）外型霍耳开关集成传感器的外型及应用电路3020T12325集成线性传感器的电路结构框图23输出+－稳压VCC1霍尔元件放大地H这类传感器一般由霍尔元件和放大器组成，当外加磁场时,霍尔元件产生与磁场成线性比例变化的霍尔电压,经放大器放大后输出。26例1第二节霍尔传感器的应用磁场强度相同的两块永久磁铁,同极性相对地放置,霍尔元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0,因此霍尔元件输出的霍尔电势UH也等于零,此时位移Δx=0。若霍尔元件在两磁铁中产生相对位移,霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变,这时UH不为零,其值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量。27例2：霍尔式转速传感器如图所示是几种不同结构的霍尔式转速传感器。磁性转盘的输入轴与被测转轴相连。当被测转轴转动时,磁性转盘随之转动,固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲,检测出单位时间的脉冲数,便可知被测转速。28霍尔开关传感器SL3501是具有较高灵敏度的集成霍尔元件,能感受到很小的磁场变化,因而可对零件进行计数检测。例3: