第4章磁電式傳感器4.1霍爾式傳感器本章要點下頁返回

磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量(如振動、位移、轉(zhuǎn)速等)轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器、霍爾式傳感器都是磁電式傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動產(chǎn)生感應(yīng)電勢的；霍爾式傳感器為載流半導(dǎo)體在磁場中有電磁效應(yīng)(霍爾效應(yīng))而輸出電勢的。它們原理并不完全相同，因此各有各的特點和應(yīng)用范圍。4.1霍爾式傳感器下頁上頁返回霍爾效應(yīng)和霍爾元件材料霍爾元件構(gòu)造及測量電路霍爾元件的主要技術(shù)指標霍爾元件的補償電路霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量、如電流、磁場、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。4.1.1霍爾效應(yīng)和霍爾元件材料下頁上頁返回霍爾效應(yīng)現(xiàn)象：一個寬為b,厚為a的半導(dǎo)體處于磁場中，當通有電流時，其兩端會產(chǎn)生電場——霍爾效應(yīng)。原因：洛侖茲力電場力

動態(tài)平衡EH是霍爾電場；UH是霍爾電勢（電壓）。且FEFL4.1.1霍爾效應(yīng)和霍爾元件材料下頁上頁返回霍爾元件材料1．鍺(Ge)，N型及P型均可。2．硅(Si)．N型及P型均可。3．砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)，這兩種材料的特性很相似。4.1.2霍爾元件構(gòu)造及測量電路下頁上頁霍爾元件結(jié)構(gòu):a，b為控制極（通電流），c，d為霍爾電極（輸出霍爾電壓）?；魻柶臉O引線及電路符號：1為控制極，2為霍爾電極殼體返回4.1.2霍爾元件構(gòu)造及測量電路下頁上頁測量電路霍爾元件的基本測量電路如圖所示。激勵電流由電源E供給，可變電阻R用來調(diào)節(jié)激勵電流I的大小。RL為輸出霍爾電勢UH的負載電阻。通常它是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗。返回4.1.3霍爾元件的基本誤差及其補償下頁上頁返回(2)寄生直流電勢——通交流控制電流時，除交流不等位電勢外，存在直流電勢分量。原因：（a）控制電極與霍爾電極接觸不良引起整流效應(yīng)；（b）霍爾電極焊點大小不一致引起的溫差電勢。解決辦法：（a）改善電極接觸性能和元件的散熱條件;（b）均勻散熱（有效措施）。(3)感應(yīng)零電勢Ui0——無控制電流時，在脈動磁場作用下而產(chǎn)生的零位電勢；原因：設(shè)則表明：它與霍爾電勢極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積A成正比。4.1.3霍爾元件的基本誤差及其補償下頁上頁返回解決辦法：改變引線走向，使霍爾電勢極引線圍成的感應(yīng)面積A所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢互相抵消。(4)自激場零電勢——由控制電流產(chǎn)生的（自激）磁場的不對稱所引起的零位電勢。原因：當元件的左右兩半場相等時，所產(chǎn)生的電勢方向相反而抵消。當元件的左右兩半場不（控制電流引線也產(chǎn)生磁場）相等時，所產(chǎn)生的電勢方向相反而抵消。解決辦法：適當安排控制電流引線。4.1.3霍爾元件的基本誤差及其補償下頁上頁返回二、溫度影響

內(nèi)阻——輸入電阻Ri（控制電流兩端之間的電阻）和輸出電阻R0（霍爾電勢兩輸出端的電阻）溫度影響——包含Ri(t)、R0(t)和UH(t)。4.1.3霍爾元件的基本誤差及其補償下頁上頁返回當有溫度影響時

令得輸入回路串聯(lián)電阻補償法

圖中，E為恒壓源，R為串聯(lián)電阻，當溫度增加Δt時，霍爾電極的電勢有一個增加值(ΔUH)t；另一方面，由知，溫度增加使輸入電阻有增加值ΔRi，使得控制電流產(chǎn)生一個下降ΔI，控制電流的下降，由知，又引起霍爾電勢下降(ΔUH)I,即有：只要就能補償溫度的影響,故有4.1.3霍爾元件的基本誤差及其補償下頁上頁返回溫度使和增加，電阻增加使電流下降：從而使霍爾電勢下降：。

特點：測量范圍窄：1~2mm的小位移由于B（x）曲線線性部分很小）。慣性小，響應(yīng)速度快，無接觸測量。還可以測其它非電量，如力、壓力、壓差、液位、加速度等。當霍爾元件在均勻磁場內(nèi)轉(zhuǎn)動時，則產(chǎn)生與轉(zhuǎn)角的正弦函數(shù)成比例霍電壓,可測量角位移。4.1.4霍爾式傳感器測位移原理下頁上頁返回原理：霍爾元件放在線性分布的非均勻磁場中，有已知則4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁上頁返回特點：在靜止狀態(tài)下感受磁場的能力；結(jié)構(gòu)簡單、小型、頻率響應(yīng)寬、動態(tài)范圍大、無接觸、壽命長；溫度穩(wěn)定較差，轉(zhuǎn)換效率低；應(yīng)用方式:控制電流不變時，使傳感器處于非均勻磁場中:

特點:傳感器的輸出正比于磁感應(yīng)強度;可測量“能轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強度變化的量”:磁場、位移、角度，轉(zhuǎn)速、加速度、振動等。磁場不變時，改變控制電流；

特點:傳感器輸出正比于控制電流；可測量“能轉(zhuǎn)換為電流變化的電量”；傳感器輸出正比于控制電流和磁場之積；

特點:可用于乘法和功率的計算及測量。4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁上頁返回應(yīng)用舉例（1）——力、壓力、加速度、機械振動的測量霍爾壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖霍爾加速度傳感器和霍爾機械振動傳感器：1為霍爾元件，固定在非磁性材料的平板2上，平板2緊固在頂桿3上，頂桿3通過觸點4與被測對象接觸，隨之做機械振動。用來進行土壤或砂子與鋼界面上的法向和切向應(yīng)力檢測的霍爾傳感器裝置。(a)儀器上用鋼作成上下兩個塊子，它們之間有兩條較細的梁支撐，在鋼下塊上置一銷柱，銷上貼兩對永磁體，形成均勻梯度磁場，在上塊上貼兩個霍爾傳感器，受剪切力作用后，支撐梁發(fā)生形變，使霍爾傳感器和磁場間發(fā)生位移，使傳感器輸出發(fā)生變化。由霍爾傳感器的輸出可從事先校準的曲線上查得與該裝置相接的砂或土受到的剪切應(yīng)力。(b)磁體固定在受力后產(chǎn)生形變的膜片上，霍爾傳感器固定在一桿上。檢測原理同上。應(yīng)用此原理，還可構(gòu)成檢測重量的裝置，稱作霍爾稱重傳感器。4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁上頁返回應(yīng)用舉例（2）——霍爾轉(zhuǎn)速測量(1)霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICT霍爾轉(zhuǎn)速測量結(jié)構(gòu)原理圖4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁上頁返回應(yīng)用舉例（3）——各種霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)

金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號?；魻栐盆F4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁上頁返回應(yīng)用舉例（4）——霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測和保持車輪的轉(zhuǎn)動，有助于控制剎車力的大小和防止側(cè)偏。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁上頁返回應(yīng)用舉例(5)——霍爾傳感器應(yīng)用于無觸點汽車電子點火(1)采用霍爾式無觸點電子點火裝置無磨損、點火時間準確、高速時動力足?；魻柺椒蛛娖魇疽鈭D如下：1-觸發(fā)器葉片2-槽口3-分電器轉(zhuǎn)軸4-永久磁鐵

5-霍爾集成電路（PNP型霍爾IC）

a）帶缺口的觸發(fā)器葉片b）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關(guān)系c）葉片位置與點火正時的關(guān)系

汽車點火線圈4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁上頁返回應(yīng)用舉例（6）——霍爾傳感器應(yīng)用于無刷電動機(1)

霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置。直流無刷電機使用永磁轉(zhuǎn)子，在定子的適當位置放置若干個(至少2個)的霍爾器件，利用測量轉(zhuǎn)角的原理，判斷轉(zhuǎn)子的角度，在適當位置讓某個霍爾器件導(dǎo)通改變驅(qū)動電路，從而改變電流方向。實現(xiàn)控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉(zhuǎn)。由于無刷電動機不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機、CD唱機、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。普通直流電動機使用的電刷和換向器4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁上頁返回應(yīng)用舉例（6）——霍爾傳感器應(yīng)用于無刷電動機(2)霍爾式無刷電動機的應(yīng)用。電動自行車的無刷電動機及控制電路接速度控制器PWM調(diào)速光驅(qū)用的無刷電動機

無刷直流電動機的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個狀態(tài)編碼信號，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無火花、可靠性強等特點。4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁上頁返回應(yīng)用舉例（7）——霍爾傳感器用于流速、流量、速度、里程等的測量利用測量轉(zhuǎn)速的原理，在轉(zhuǎn)軸上固定一個葉輪和磁體，用流體（氣體、液體）去推動葉輪轉(zhuǎn)動，便可構(gòu)成流速、流量傳感器。在的殼體內(nèi)裝有一個帶磁體的葉輪，磁體旁裝有霍爾開關(guān)電路，被測流體從管道一端通入，推動葉輪帶動與之相連的磁體轉(zhuǎn)動，經(jīng)過霍爾器件時，電路輸出脈沖電壓，由脈沖的數(shù)目，可以得到流體的流速。若知管道的內(nèi)徑，可由流速和管徑求得流量。

在車輪轉(zhuǎn)軸上裝上磁體，在靠近磁體的位置上裝上霍爾開關(guān)電路，可制成車速表，里程表等等。4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁上頁返回應(yīng)用舉例（9）——各種霍爾電流傳感器實例用鉗形表測量電動機的相電流霍爾式電流諧波分析儀被測電流的諧波頻譜鐵心的開合縫隙鐵心的杠桿壓舌應(yīng)用舉例（10）——霍爾集成傳感器

4.1.6霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例下頁上頁返回PST-525是霍爾集成傳感器