第5章磁电式传感器课件

2024/6/161第第5章章磁电式传感器磁电式传感器麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论 变化的磁化的磁场在周在周围空空间产生生电场，当，当闭合回合回路路导体体处在此在此电场中中时，导体中的自由体中的自由电子在子在电场力作用下作定向移力作用下作定向移动而而产生生感感应电流流；如果不；如果不是是闭合回路，合回路，则导体中自由体中自由电子的定向移子的定向移动使断使断开开处两端两端积累正、累正、负电荷而荷而产生生感感应电动势。被测量被测量 电信号电信号分类：磁电感应式、霍尔式分类：磁电感应式、霍尔式2023/8/91第5章 磁电式传感器麦克斯韦电磁场理论被2024/6/162一一 磁电感应式传感器磁电感应式传感器1、工作原理、工作原理法拉第电法拉第电磁磁感应定律：感应定律：为磁通量磁通量B为磁感应强度为磁感应强度l为导体长度为导体长度v相对运动速度相对运动速度磁铁与线圈之间作相对运动磁铁与线圈之间作相对运动磁路中的磁阻变化磁路中的磁阻变化恒定磁场中的线圈面积变化恒定磁场中的线圈面积变化磁通量磁通量变化关键变化关键2023/8/92一 磁电感应式传感器法拉第电磁感应定律：2024/6/163其中：其中：1-1-永久磁铁永久磁铁 2-2-软磁铁软磁铁 3-3-感应线圈感应线圈 4-4-测量测量齿轮齿轮 5-5-内齿轮内齿轮 6-6-外齿轮外齿轮 7-7-转轴转轴(1)变磁通式变磁通式a开磁通式开磁通式 b闭磁通式闭磁通式磁电感应式传感器分类：磁电感应式传感器分类：变磁通式变磁通式和和恒磁通式恒磁通式2023/8/93其中：1-永久磁铁 2-软磁铁 3-感应2024/6/164开磁路变磁通式：线圈、开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随之一装在被测旋转体上，随之一起转动。每转动一个齿，齿起转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。轮齿数的乘积。这种传感器结构简单,但输出信号较小,且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速。2023/8/94开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测2024/6/165闭磁路变磁通式：它由装在转闭磁路变磁通式：它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。数相同。当转轴连接到被测转轴当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动上时，外齿轮不动,内齿轮随被测内齿轮随被测轴而转动，轴而转动，内、外齿轮的相对转内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感生电线圈内产生周期性变化的感生电动势。动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。采用测频的方法可以得到被测物体的转动速度。2023/8/95闭磁路变磁通式：它由装在转轴上的内齿轮和开磁路式转速传感器结构比较简单，但输出信号小，另外当被开磁路式转速传感器结构比较简单，但输出信号小，另外当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。在振动强的场测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器。合往往采用闭磁路式转速传感器。开磁路式转速传感器结构比较简单，但输出信号小，另外当被测轴振2024/6/167(2)恒定磁通式恒定磁通式工作气隙中的磁通恒定工作气隙中的磁通恒定永久磁铁永久磁铁 线线 圈圈相对运动相对运动线圈不动，磁铁运动线圈不动，磁铁运动线圈运动，磁铁不动线圈运动，磁铁不动动圈式动圈式动铁式动铁式2023/8/97(2)恒定磁通式工作气隙中的磁通恒定永久磁2024/6/168感应电动势与线圈相对磁铁运动线速度或角速度正比感应电动势与线圈相对磁铁运动线速度或角速度正比 B气隙磁感应强度气隙磁感应强度(Wb/m2)l 线圈导线总长度线圈导线总长度(m)S线圈所包围的面积线圈所包围的面积(m2)v线圈和磁铁间相对运动的速度线圈和磁铁间相对运动的速度(m/s)线圈和磁铁间相对旋转运动的角速线圈和磁铁间相对旋转运动的角速(rad/s)运动方向与磁感应强度方向的夹角运动方向与磁感应强度方向的夹角式中：式中：磁铁和线圈的相对运动产生切割磁力线从而产生感应电势磁铁和线圈的相对运动产生切割磁力线从而产生感应电势2023/8/98感应电动势与线圈相对磁铁运动线速度或角速度2024/6/169磁电式传感器：利用，测量量变化磁电式传感器：利用，测量量变化 感应电压感应电压e 有源传感器有源传感器电磁式传感器：利用衔铁运动，电磁式传感器：利用衔铁运动，Rm变化变化L 变化变化 U 变化变化 无源传感器无源传感器注意与注意与电磁式传感器电磁式传感器区别区别2023/8/99磁电式传感器：利用，测量量变化电磁2024/6/16102、基本特性、基本特性当测量电路接入磁电传感器电路中当测量电路接入磁电传感器电路中,传感器的输出电流传感器的输出电流Io为为 式中式中:Rf 测量电路输入电阻测量电路输入电阻 l每匝线圈平均长度每匝线圈平均长度 R线圈等效电阻线圈等效电阻 N线圈匝数线圈匝数传感器的电流灵敏度为传感器的电流灵敏度为运动速度运动速度传感器ERRfI02023/8/9102、基本特性当测量电路接入磁电传感器电路2024/6/1611而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为：而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为：当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动或冲击时机械振动或冲击时,其灵敏度将发生变化而产生测量误差。其灵敏度将发生变化而产生测量误差。相对误差为：相对误差为：2023/8/911而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为：2024/6/1612(1)非线性误差非线性误差 磁磁电电式式传传感感器器产产生生非非线线性误差的主要原因是性误差的主要原因是:由由于于传传感感器器线线圈圈内内有有电电流流I流流过过时时，将将产产生生一一定定的的交交变变磁磁通通I，此此交交变变磁磁通通叠叠加加在在永永久久磁磁铁铁所所产产生生的的工工作作磁磁通通上上，使使恒恒定定的的气气隙隙磁磁通通变变化化，如图所示如图所示2023/8/912(1)非线性误差 磁电式2024/6/1613n当产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱了工当产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱了工作磁场的作用，从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的作磁场的作用，从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。增大而降低。n当线圈的运动速度与图所示方向相反时，感生电势当线圈的运动速度与图所示方向相反时，感生电势E、线、线圈感应电流反向，所产生的附加磁场方向与工作磁场同向圈感应电流反向，所产生的附加磁场方向与工作磁场同向,从而增大了传感器的灵敏度。从而增大了传感器的灵敏度。其结果是线圈运动方向不同时其结果是线圈运动方向不同时,传感器的灵敏传感器的灵敏度具有不同的数值度具有不同的数值2023/8/913当产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反2024/6/1614为补偿上述附加磁场干扰为补偿上述附加磁场干扰,可在可在传感器中加入补偿线圈传感器中加入补偿线圈,如图所如图所示。示。补偿线圈通以经放大补偿线圈通以经放大K倍倍的电流的电流,适当选择补偿线圈参数适当选择补偿线圈参数,可使其产生的交变磁通与传感可使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通互线圈本身所产生的交变磁通互相抵消相抵消,从而达到补偿的目的。从而达到补偿的目的。补偿线圈补偿线圈2023/8/914为补偿上述附加磁场干扰,可在传感器中加2024/6/1615对铜线而言，当温度变化时每摄氏度变化量为：dL/L0.16710-4 dR/R0.4310-2 温度变化时对铝镍钴永久磁合金 dB/B-0.0210-2这样可得近似值：t(-4.5%)/10 这一数值是很可观的这一数值是很可观的,所以需要进行热磁分流器温度补偿。所以需要进行热磁分流器温度补偿。(2)温度误差温度误差2023/8/915对铜线而言，当温度变化时每摄氏度变化量为2024/6/1616热磁分流器热磁分流器 由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。温度正常时将空气气隙磁通分路掉一小部分；而当温度过高时，它的磁导率显著下降，分流掉的磁通显著降低，从而保持空气气隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。2023/8/916热磁分流器2024/6/1617磁电式传感器是速度传感器，通常具有较高的灵敏磁电式传感器是速度传感器，通常具有较高的灵敏度，不需要增益放大器。度，不需要增益放大器。积分：将速度转换成位移，积分：将速度转换成位移，svdt微分：速度转换成加速度，微分：速度转换成加速度，adv/dt磁电式磁电式传感器传感器量程量程选择选择321前置前置放大放大微分微分电路电路积分积分电路电路主放大器主放大器显显示示或或记记录录3213、测量电路、测量电路2023/8/917磁电式传感器是速度传感器，通常具有较高的2024/6/1618(1)磁电式相对速度计磁电式相对速度计 1-顶杆顶杆 2,5-弹簧片弹簧片3-磁铁磁铁 4-线圈线圈6-引出线引出线 7-外壳外壳4、应用、应用 测量时，壳体固定在一个试件上，顶杆顶住另一试件，则测量时，壳体固定在一个试件上，顶杆顶住另一试件，则线圈在磁场中运动速度就是两试件的相对速度。速度计的输出线圈在磁场中运动速度就是两试件的相对速度。速度计的输出电压与两试件的相对速度成正比。相对式速度计可测量的最低电压与两试件的相对速度成正比。相对式速度计可测量的最低频率接近于零。频率接近于零。2023/8/918(1)磁电式相对速度计 1-顶杆 2024/6/1619(2)磁电式扭矩传感器磁电式扭矩传感器2023/8/919(2)磁电式扭矩传感器2024/6/1620在在驱驱动动源源和和负负载载之之间间的的扭扭转转轴轴的的两两侧侧安安装装有有齿齿形形圆圆盘盘，它们旁边装有相应的两个磁电传感器。它们旁边装有相应的两个磁电传感器。当当齿齿形形圆圆盘盘旋旋转转时时，圆圆盘盘齿齿凸凸凹凹引引起起磁磁路路气气隙隙的的变变化化，于于是是磁磁通通量量也也发发生生变变化化，在在线线圈圈中中感感应应出出交交流流电电压压，其其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。频率等于圆盘上齿数与转数乘积。当当扭扭矩矩作作用用在在扭扭转转轴轴上上时时，两两个个磁磁电电传传感感器器输输出出的的感感应应电电压压u1和和u2存存在在相相位位差差。这这个个相相位位差差与与扭扭转转轴轴的的扭扭转转角角成成正正比比。这这样样传传感感器器就就可可以以把把扭扭矩矩引引起起的的扭扭转转角角转转换换成成相位差的电信号。相位差的电信号。2023/8/920在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿2024/6/1621二二霍尔式传感器霍尔式传感器n1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应现了霍尔效应,但由于金属材料的霍尔效应太但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。弱而没有得到应用。n随着半导体技术的发展随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制成开始用半导体材料制成霍尔元件霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。和发展。n霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。振动等方面的测量。2023/8/921二 霍尔式传感器1879年美国物理学家霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上垂直于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。霍尔式传感器霍尔式传感器一、霍尔传感器工作原理 霍尔器件是一种磁电传感器，其工作机理是霍尔效应。霍尔效应 霍尔式传感器一、霍尔传感器工作原理 霍尔器图2.1 霍尔效应原理图 如图2.1所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板，导电板通以电流I，方向如图所示。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。霍尔式传感器霍尔式传感器图2.1 霍尔效应原理图 如图2.1所示，在垂直于外磁场B 导电板中的电流使金属中自由电子在电场作用下做定向运动。此时，每个电子受洛伦兹力fl的作用，f1的大小为 fl=eBv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。霍尔式传感器霍尔式传感器 导电板中的电流使金属中自由电子在电场作用下做定向运动 fl的方向如图2.1，此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在fl的作用下漂移，结果使金属导电板内侧面积累电子，而外侧面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH，称霍尔电场。该电场强度为 式中,UH为电位差,b为两点间沿电场线方向的距离。霍尔式传感器霍尔式传感器 fl的方向如图2.1，此时电子除了沿电流反方向作定向 霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛伦兹力作用外，还受到霍尔电场力的作用，其力的大小为eEH，此力阻止电荷继续积累。随着内、外侧面积累电荷的增加，霍尔电场增大，电子受到的霍尔电场力也增大，当电子所受洛伦兹力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反，即 eEH=eBv EH=vB此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。霍尔式传感器霍尔式传感器 霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛伦兹力作用外霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势c cd da ab b霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力 若薄片为N型半导体，导电板单位体积内载流子（电子）数为n，电子定向运动平均速度为v v，则激励电流I=n(-e)vbd，即 代入上两式得 霍尔式传感器霍尔式传感器 若薄片为N型半导体，导电板单位体积内载流子（电子）数 式中令RH=-1/ne，称之为霍尔常数（反映霍尔效应强弱），其大小取决于导体载流子密度,则 式中,KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。上述推导是针对N型半导体，对于P型半导体，则式中：霍尔式传感器霍尔式传感器 式中令RH=-1/ne，称之为霍尔常数（反映霍尔效应 对霍尔片材料的要求,希望有较大的霍尔系数RH,霍尔元件激励极间电阻R=L/(bd),同时R=UI/I=EIL/I=L/(nebd),其中UI为加在霍尔元件两端的激励电压，EI为霍尔元件激励极间内电场强度，载流子的迁移率，即单位电场作用下载流子的运动速度，=v/E。则 可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。霍尔式传感器霍尔式传感器 对霍尔片材料的要求,希望有较大的霍尔系数RH,霍尔由电阻率1/ne或1/pe，得RH=从RH表达式可知，霍尔系数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。若要霍尔效应强，即霍尔电势大，则RH值大，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。霍尔式传感器霍尔式传感器由电阻率1/ne或1/pe，得RH=从RH表达 一般金属材料载流子迁移率很高,但电阻率很小;而绝缘材料电阻率极高,但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔片。半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。目前常用的霍尔元件材料有:锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。霍尔式传感器霍尔式传感器 一般金属材料载流子迁移率很高,但电阻率很小;而绝 霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的，如图二.2(a)所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线：1、1两根引线加激励电压或电流，称激励电极（控制电极）；2、2引线为霍尔输出引线，称霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的。在电路中，霍尔元件一般可用两种符号表示，如图二.2(b)所示。二、霍尔元件的结构和基本电路 霍尔式传感器霍尔式传感器图二.2 霍尔元件（a）外形结构示意图HABCDBCDA（b）图形符号 霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组霍尔元件的基本测量电路如图所示，激励电流由电压源供给，其大小可由可变电阻调节。霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔元件的基本测量电路如图所示，激励电流由电压源供给，其大小控制电流端并联输出电势为：2倍控制电流端串联次级绕阻叠加输出E+-直流供电方式：交流供电方式：霍尔式传感器霍尔式传感器控制电流端并联控制电流端串联E+-直流供(1)额定激励电流和最大允许激励电流 额定激励电流：当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为额定激励电流。最大允许控制电流：以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流值。三、霍尔元件的主要特性参数 霍尔式传感器霍尔式传感器(1)额定激励电流和最大允许激励电流 三、霍尔元件的主要特(2）输入电阻和输出电阻 输入电阻：激励电极间的电阻值称为输入电阻。输出电阻：输出霍尔电势电极间的电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在205时所确定的。霍尔式传感器霍尔式传感器(2）输入电阻和输出电阻 霍尔式传感器(3）不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。如图二.3所示。霍尔式传感器霍尔式传感器图二.3 不等位电势示意图(3）不等位电势和不等位电阻 霍尔式传感器图二.3 不等位电势也可用不等位电阻表示，即 由式可以看出，不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压。霍尔式传感器霍尔式传感器产生这一现象的原因有：霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。不等位电势也可用不等位电阻表示，即 由式可以看出，(4）寄生直流电势（霍尔元件零位误差的一部分）在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。寄生直流电势产生的原因有：激励电极、霍尔电极与霍尔元件接触不良，造成整流效果；两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同，散热状态不同而形成极间温差电势。霍尔式传感器霍尔式传感器(4）寄生直流电势（霍尔元件零位误差的一部分）寄生直流电(5）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。对于霍尔元件中存在的误差必须进行补偿。霍尔式传感器霍尔式传感器(5）霍尔电势温度系数 对于霍尔元件中存在的误差必须进行补 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。（1）工艺上保证电极对称，实现欧姆接触；（2）电路补偿 四、霍尔元件误差及补偿1.1.不等位电势误差的补偿不等位电势误差的补偿 霍尔式传感器霍尔式传感器 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍 图二.4为霍尔元件的等效电路，其中A、B为霍尔电极，C、D为激励电极，电极分布电阻分别用r1、r2、r3、r4表示，把它们看作电桥的四个桥臂。图二.4 霍尔元件的等效电路 可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。霍尔式传感器霍尔式传感器 图二.4为霍尔元件的等效电路，其中A、B为霍尔电极 此时可根据A、B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电势为零。几种补偿线路如图二.5所示。图二.5 不等位电势补偿电路 霍尔式传感器霍尔式传感器 此时可根据A、B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并2.2.温度误差及其补偿温度误差及其补偿温度误差产生原因：v霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。其中载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。v当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。霍尔式传感器霍尔式传感器2.温度误差及其补偿温度误差产生原因：霍尔式传感器减小霍尔元件的温度误差 v选用温度系数小的元件v采用恒温措施v采用电路补偿 霍尔式传感器霍尔式传感器减小霍尔元件的温度误差 选用温度系数小的元件 霍尔式传感器 霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数，它随温度变化将引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成 KH=KH0(1+T)式中：KH0温度T0时的KH值；T=T-T0温度变化量；霍尔电势温度系数。恒流源温度补偿 霍尔式传感器霍尔式传感器 霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数，它随温度变化将 大多数霍尔元件的温度系数是正值，它们的霍尔电势随温度升高而增加T倍。但如果同时让激励电流IH相应地减小，并能保持KH IH 乘积不变，也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。霍尔式传感器霍尔式传感器 大多数霍尔元件的温度系数是正值，它们的霍尔电势随温 在图二.6所示的温度补偿电路中，设初始温度为T0，霍尔元件输入电阻为Ri0，灵敏系数为KH0，温度补偿电阻为Rp0，根据分流概念得 当温度升至T时，电路中各参数变为 式中：霍尔元件输入电阻温度系数；分流电阻温度系数。霍尔式传感器霍尔式传感器 在图二.6所示的温度补偿电路中，设初始温度为T0，霍则 虽然温度升高了T，为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电势不变，即UH0=UH，则 KH0IH0B=KHIHB KH0IH0=KHIH 霍尔式传感器霍尔式传感器则 虽然温度升高了T，为使霍尔电势不变，补偿电路必经整理并略去(T)2高次项后得 当霍尔元件选定后，它的输入电阻Ri0和温度系数及霍尔电势温度系数是确定值。由上式即可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值。为了满足Rp0及两个条件，分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合，这样虽然麻烦但效果很好。霍尔式传感器霍尔式传感器经整理并略去(T)2高次项后得 当霍尔元件选定合理选择负载电阻当温度为T时RL上的电压表示为：当温度由T变成T+T时，则RL上的电压变为 霍尔式传感器霍尔式传感器合理选择负载电阻当温度为T时RL上的电压表示为：当温度由T变 要使UL不受温度变化影响，即UL=0，由上两式可知整理得:霍尔式传感器霍尔式传感器 要使UL不受温度变化影响，即UL=0，由上两式可知采用热敏元件 对于由温度系数大的半导体材料（锑化铟）制成的霍尔元件，常采用下图的温度补偿电路在安装测量电路时，热敏元件最好和霍尔元件封装在一起或尽量靠近，以使二者温度变化一致。霍尔式传感器霍尔式传感器采用热敏元件 对于由温度系数大的半导体材料（锑化铟）制2024/6/1656三、霍尔式传感器的应用三、霍尔式传感器的应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、三个变量三个变量的函数，即的函数，即 EH=KHIBcos 。利用这个。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。器有许多用途。2023/8/956三、霍尔式传感器的应用 2024/6/1657（1）当）当B恒定，恒定，UH与与I呈线性关系呈线性关系（2）当）当I恒定，恒定，UH与与B成正比成正比（3）当）当I恒定，元件在均匀梯度磁场中运动时恒定，元件在均匀梯度磁场中运动时直接测量电流直接测量电流能转换成电流的其它物理量能转换成电流的其它物理量测量交、直流磁感应强度测量交、直流磁感应强度可测量微位移，以及压力、加速度、振动等可测量微位移，以及压力、加速度、振动等（4）当）当B励磁电流励磁电流I2时，时，UHKI1I2霍尔元件做成乘法器、乘方器、开方器、除法器霍尔元件做成乘法器、乘方器、开方器、除法器2023/8/957（1）当B恒定，UH与I呈线性关系（2）2024/6/1658霍尔特斯拉计霍尔特斯拉计霍尔元件霍尔元件2023/8/958霍尔特斯拉计霍尔元件2024/6/1659霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件测量铁心测量铁心 气隙的气隙的B值值2023/8/959霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件测量2024/6/1660 霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点长的优点,在位移测量中得到广泛应用。在位移测量中得到广泛应用。霍尔式微位移传感器霍尔式微位移传感器2023/8/960 霍尔元件具有结构简单、体积小、动2024/6/1661霍尔转速表霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。物的转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁2023/8/961霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装2024/6/1662霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。尔元件时，输出为低电平。2023/8/962霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时2024/6/1663霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用）中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。于控制刹车力的大小。带有微带有微型磁铁型磁铁的霍尔的霍尔传感器传感器钢质钢质霍尔霍尔2023/8/963霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）2024/6/1664霍尔转速表的安装方法霍尔转速表的安装方法 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。变化，产生转速信号。霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁2023/8/964霍尔转速表的安装方法 只要黑色金2024/6/1665输入轴输入轴转盘转盘霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁2023/8/965输入轴转盘霍尔元件磁铁2024/6/1666输入轴输入轴转盘转盘霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁2023/8/966输入轴转盘霍尔元件磁铁2024/6/1667输入轴输入轴转盘转盘霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁2023/8/967输入轴转盘霍尔元件磁铁2024/6/1668输入轴输入轴转盘转盘霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁2023/8/968输入轴转盘霍尔元件磁铁2024/6/1669霍尔无刷电机霍尔无刷电机2023/8/969霍尔无刷电机2024/6/1670 霍尔式无刷电动机取消了换霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在题，所以它在录像机、录像机、CD唱机唱机、光驱等家用电器中得到越来越光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。广泛的应用。普通直流电动机使普通直流电动机使用的电刷和换向器用的电刷和换向器2023/8/970 霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷2024/6/1671无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用电动自行车电动自行车可充电可充电电池组电池组无刷电动机无刷电动机2023/8/971无刷电动机在电动自行车上的应用电动自行车2024/6/1672无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用 无刷直流电动机无刷直流电动机的的外转子采用高性能外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料；钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔位置传感器三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功号，控制逆变桥各功率管通断，率管通断，使三使三相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩，具相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。有效率高、无火花、可靠性强等特点。2023/8/972无刷电动机在电动自行车上的应用 2024/6/1673电动自行车的电动自行车的无刷电动机及控制电路无刷电动机及控制电路去速度控制器去速度控制器 利用利用PWM调速调速2023/8/973电动自行车的无刷电动机及控制电路去速度控2024/6/1674光驱用的无刷电动机内部结构光驱用的无刷电动机内部结构2023/8/974光驱用的无刷电动机内部结构2024/6/1675霍尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。还配一块钕铁硼磁铁。2023/8/975霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极2024/6/1676霍尔式接近开关霍尔式接近开关 用霍尔用霍尔ICIC也能完成接近开关的功能，但是它只也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。的闭合磁场。在右图中，当磁铁在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，尔接近开关几毫米时，霍尔霍尔ICIC的输出由高电平的输出由高电平变为低电平，经驱动电变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔（否则将撞坏霍尔ICIC）起到限位的作用。起到限位的作用。2023/8/976霍尔式接近开关 用霍尔IC也能完2024/6/1677霍尔式接近开关用于转速测量演示霍尔式接近开关用于转速测量演示软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T Tn=6060f4(r/min)2023/8/977霍尔式接近开关用于转速测量演示软铁分流翼2024/6/1678霍尔电流传感器霍尔电流传感器 将被测电流的导将被测电流的导线穿过霍尔电流传感线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电器的检测孔。当有电流通过导线时，在导流通过导线时，在导线周围将产生磁场，线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍生与电流成正比的霍尔电压。尔电压。2023/8/978霍尔电流传感器 将被测电流的导线穿2024/6/1679霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示铁心铁心 线性霍尔线性霍尔IC EH=KH I0B2023/8/979霍尔电流传感器演示铁心 线性霍尔IC E2024/6/1680其他霍尔其他霍尔电流传感器电流传感器2023/8/980其他霍尔电流传感器2024/6/1681其他霍尔电流传感器其他霍尔电流传感器2023/8/981其他霍尔电流传感器2024/6/1682霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口2023/8/982霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口2024/6/1683霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示直流直流200A量程量程被测电流的被测电流的导线未放入导线未放入铁心时示值铁心时示值为零为零70.9A70.9A2023/8/983霍尔钳形电流表演示直流200A量程被测电2024/6/1684钳形表的环形铁钳形表的环形铁心可以张开，心可以张开，导线由此穿过导线由此穿过霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示电流表演示2023/8/984钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过2024/6/1685钳形表的环形铁钳形表的环形铁心可以张开，心可以张开，导线由此穿过导线由此穿过霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示电流表演示70.9A70.9A2023/8/985钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过2024/6/1686霍尔钳形电流表的使用霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入钳被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的手指按下此处，将钳形表的铁心张开铁心张开将被测电流导线逐根夹将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中到钳形表的环形铁心中2023/8/986霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处2024/6/1687霍尔钳形电流表的使用霍尔钳形电流表的使用 叉形叉形钳形表钳形表漏磁稍大，漏磁稍大，但使用方便但使用方便 用用钳形表测量钳形表测量 电动机的相电流电动机的相电流2023/8/987霍尔钳形电流表的使用 叉形钳形表漏磁稍大2024/6/1688霍尔式霍尔式电流谐波分析仪电流谐波分析仪 被测电流的被测电流的谐波频谱谐波频谱铁心的铁心的 开合缝隙开合缝隙 铁心的铁心的 杠杆压舌杠杆压舌2023/8/988霍尔式电流谐波分析仪 被测电流的谐波2024/6/1689霍尔传感器霍尔传感器 电流测量电流测量2023/8/989霍尔传感器 2024/6/1690霍尔计数装置霍尔计数装置2023/8/990霍尔计数装置6、自动供水装置控制电路n自动供水装置可实现凭牌定量供水，具有节约用水而又卫生的优点，其结构如图所示。锅炉中的水由受控于控制电路的电磁阀控制水的流出与关闭。当用水者打开水时，将铁制的取水牌从投牌口投入，取水牌沿着由非磁性物质制作的滑槽向下滑行，当滑行到霍尔传感器位置时，传感器输出信号经控制电路驱动电磁阀打开，水龙头便放出开水，经一定延时之后，控制电路使电磁阀关闭，又恢复停止供水状态。6、自动供水装置控制电路自动供水装置可实现凭牌定量供水，具有霍尔式微压力传感器 被测压力使弹性波纹膜盒膨胀，带动杠杆向上移动，从而，使霍尔器件在磁路系统中运动，改变了霍尔器件感受的磁场大小及方向，引起霍尔电势的大小和极性的改变。由于波纹膜盒及霍尔器件的灵敏度很高，所以可用于测量微小压力的变化。霍尔式微压力传感器 被测压力使弹性波纹膜盒膨胀，带动杠杆向上2024/6/1693结束2023/8/993结束