第9讲 磁电式传感器应用

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1、传感器原理及应用主讲人：康朝海主要内容：4.1磁电感应式传感器4.2霍尔式传感器4.3磁敏传感器传感器基础第4章       磁电式传感器概述磁电式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。是典型的有源传感器。特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低。通常在10—100HZ适合作机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。磁电式传感器机械能电量概述霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。随着半导体技术的发展，磁

2、敏元件得到应用和发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。磁敏传感器磁学量电信号霍尔传感器测转速磁电传感器概述4.1磁电感应式传感器（电动式）根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e。e的大小与穿过线圈的磁通Φ变化率有关。4.1.1工作原理4.1.1工作原理根据以上原理有两种磁电感应式传感器：恒磁通式：磁路系统恒定磁场运动部件可以是线圈也可以是磁铁。变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。恒磁通式4.1.2基本特性电压灵敏度：由可得；传

3、感器灵敏度：(常数)电流灵敏度:4.1.3磁电感应式传感器的应用电磁式传感器通常用来做机械振动测量。振动传感器结构大体分两种：①动钢型（线圈与壳体固定）②动圈型（永久磁铁与壳固定）磁铁与线圈之间相对运动运动速度接近振动速度，磁路空气隙中的线圈切割磁力线，产生于正比振动速度的感应电动势。4.1.3磁电感应式传感器的应用动钢型动圈型4.1.3磁电感应式传感器的应用磁电式振动传感器的特性：磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要静止的基准参考，可直接装在被测体上。传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械能转化为电能输出。速度传感器的输出电压正比于速度信号，便于直接放大。输

4、出阻抗低，对后置电路要求低，干扰小。4.1.3磁电感应式传感器的应用4.1.3磁电感应式传感器的应用4.1.3磁电感应式传感器的应用信号输出送测量电路接入积分电路测量位移；接入微分电路测量加速度。4.1.3磁电感应式传感器的应用积分电路输出微分电路输出4.2霍尔式传感器实际应用中磁敏元件主要用于检测磁场，而与人们相关的磁场范围很宽，一般的磁敏传感器检测的最低磁场只能到高斯。磁场强度与磁场源的分布4.2霍尔式传感器测磁的方法：①利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如：磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器；②利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件；③利用磁作用传感器，磁针、表

5、头、继电器；④利用超导效应传感器，SQVID约瑟夫元件；⑤利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，微型化和集成化方向发展。4.2.1霍尔效应霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流I，在薄片垂直方向施加磁感强度B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势。通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I与磁场B方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。4.2.1霍尔效应在磁场中导体自由电子在磁场的作用下做定向运动。每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：霍

6、尔电场霍尔电场作用于电子的力4.2.1霍尔效应当两作用力相等时电荷不再向两边积累，达到动态平衡：通过（半）导体薄片的电流I与载流子浓度n，电子运动速度v，薄片横截面积b*d有关：霍尔电势：4.2.1霍尔效应代入后：霍尔常数与材料有关霍尔灵敏度与薄片尺寸有关4.2.1霍尔效应讨论：任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件。绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用；金属材料电子浓度很高，RH很小，UH很小。半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型半导体（多电子）。由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近

7、似1微米。4.2.2霍尔传感器基本电路霍尔晶体外形矩形薄片有四根引线，两端加激励两端为输出；电源E，控制电流I；负载RL，R可调保证控制电流，B磁场与元件面垂直（向里）。实测中可把I*B作输入，也可把I或B单独做输入。通过霍尔电势输出测量结果。输出Uo与I或B成正比关系。4.2.3霍尔传感器的误差及补偿(1)不等位电势当霍尔元件通以激励电流I时，若磁场B=0，理论上霍尔电势UH=0,但实际UH不等于0，这时测得的空载电势称不等位电势U0。产生的原因：霍尔引出电极安装不对称半导体材料不均匀不等位电势的补偿4.2.3霍