第八章 磁电式传感器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 磁电式传感器,1,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。,2,一 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。,3,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,。,4,U,H,b,l,d,I,F,L,F,E,v,B,2,、霍尔元件的工作原理,5,图,霍尔电压形成的定性说明,(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。,6,2,、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,F,L,的作用，,L,的大小为：,F,L,F,E,v,U,H,d,I,b,B,电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在,L,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,E,H,，称,霍尔电场,，该电场力为,:,7,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,L,=,E,时，达到平衡，此时,F,L,F,E,v,U,H,d,I,b,B,式中,d,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为,8,9,H,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,。,R,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,10,由于材料电阻率,与载流子浓度和其迁移率,有关，即,则,则,11,讨论：为什么只能用半导体材料作霍尔元件？,金属材料电子,很高但,很小；,绝缘材料,很高但,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。,12,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,K,H,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,。,13,霍尔器件符号,H,A,B,C,D,A,B,C,D,B,A,C,D,C,、,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,0.1mm,14,二、霍尔元件的主要技术参数,1,、额定功耗,P,0,:,霍尔元件在环境温度,T=25,0,C,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,R,i,：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,U,0,：,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。,15,4,、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。,16,常用国产霍尔元件的技术参数,17,18,三 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,R,L,，,R,L,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,U,H,，所以在测量中，可以把,和,B,的乘积，或者,，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,U,H,R,L,I,E,I,H,R,B,19,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,W,1,，,W,2,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,W,1,W,2,U,H,+,+,+,+,-,-,-,-,U,H,20,3,、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。,21,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,V,H,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,V,cc,，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,V,H,输出。,V,H,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。,22,当外磁场,B,达到“工作点”,B,op,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”,B,rp,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。,B,op,与,B,rp,是有一定差值的，此差值,B,H,=B,op,-,B,rp,称为霍尔开关的磁滞。,B,的变化不超过,B,H,，霍尔开关不翻转，这就使得开关输出稳定可靠。,23,输出,V,out,R,=2k,+12V,1,2,3,（,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,3020T,1,2,3,24,集成线性传感器的电路结构框图,2,3,输出,+,稳压,V,CC,1,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。,25,例,1,：霍尔式微位移传感器,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,U,H,也等于零,此时位移,x,=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,U,H,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。,26,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。,27,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:,霍尔计数装置,28,