中南大学传感与检测pptch9-ch10-磁电和霍尔传感器ppt课件.ppt

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1、第9章磁电式传感器第10章霍尔式传感器8/14/20211概述磁电式传感器是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、速度等）转换成电信号的一种传感器，也称电磁感应传感器。原理：根据电磁感应定律，当N匝线圈在恒定磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内会产生感应电动势:e=-Nd/dt可见，线圈中感应电势的大小与线圈匝数和穿过线圈的磁通变化率有关。一般情况下，匝数固定，磁通变化率与磁场强度B、磁路磁阻Rm、线圈的运动速度v有关；改变其中任一参数，都会改变线圈中的感应电势。分类：按结构方式不同，分为动圈式和磁阻式两大类。9.磁电式传感器8/14/202129.磁电式传感器9

2、.1动圈式磁电传感器动圈式磁电传感器又可分为线速度型与角速度型。1）线速度型传感器工作原理如图所示，在永久磁铁产生的磁感应强度为B的直流磁场内，放置一可动线圈，当线圈沿垂直磁场的方向以相对磁场的速度v直线运动时，它产生的感应电动势为：e=-NBlv式中，N—线圈匝数；l—单匝线圈的有效长度。上式表明，当B,N和l恒定不变时，可根据感应电动势e的大小计算出被测线速度v的大小。8/14/202139.1动圈式磁电传感器2）角速度型传感器工作原理如图所示，线圈在磁场中以角速度旋转时产生的感应电动势为：e=-kNBS式中,S—单匝线圈的截面积；k—与结构有关的系数，k<1。上式表

3、明，当传感器结构确定后，N、B、S和k皆恒定不变，可根据感应电势大小确定被测量。故这种传感器常用于转速测量。需注意的是在上两式中的v、指的是线圈与磁铁的相对速度，不是磁铁的绝对速度。9.磁电式传感器8/14/202149.2磁阻式磁电传感器1）基本原理与动圈式磁电传感器不同，磁阻式磁电传感器工作时，其线圈与磁铁部分是相对静止的，由与被测量连结的物体（导磁材料）的运动来改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，在线圈中产生感应电势。2）应用磁阻式磁电传感器一般常用于测量转速、偏心、振动等，产生感应电动势的频率作为输出，而电势的频率取决于磁通变化的频率。下图a、b、c可测旋转

4、物体的角频率，在圆轮旋转时，圆轮上的凸处的位置发生变化，引起磁路中磁阻变化，从而引起贯穿线圈的磁通量发生变化，产生交变电势。9.磁电式传感器8/14/202159.2磁阻式磁电传感器2）应用被测体转动时线圈产生的交变电势频率：f=n/60=/(2)式中，f—感应电势频率（周/秒）；—圆轮的角速度；n—圆轮的转速（转/分）。测量线圈产生的电势频率，可得其转速。9.磁电式传感器8/14/202169.3磁电式传感器的测量电路磁电式传感器直接输出感应电势，且传感器通常有较高的灵敏度，所以一般不需高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度，需要配积分或微

5、分电路。下图为一般测量电路方框图。其中虚线框内整形及微分部分电路仅用于以频率作为输出时。9.磁电式传感器8/14/2021710.霍尔式传感器概述霍耳效应于1870年代发现。但因其十分微弱，以致其很长一段时间都没进入实用。1950年代末，随着三、五价化合物半导体材料的开发，才找到了电子迁移率非常大的新材料[如：锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）、砷化镓（GaAs）等]，成为霍耳器件制造所必需的材料，使霍耳器件得以广泛应用。随着导体工艺的飞速发展，霍耳器件的水平也大大提高，已发展到单晶、多晶薄膜化和硅霍耳集成化阶段。霍尔传感器是基于霍尔效应的一种磁敏传感器。目前磁敏器件种类

6、较多，不同材料制作的磁敏器件，其工作原理与特性也不相同。随着新的磁特性或磁现象的发现，以及功能材料和IC技术的发展，除了集成霍尔器件和集成磁阻器件外，还出现了基于巨磁阻效应、巨磁阻抗效应的巨磁电阻器件等新型器件。8/14/2021810.1霍尔效应与器件1）霍尔效应如图所示，在金属或半导体薄片相对两侧面ab通以控制电流I，在薄片垂直方向上施加磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上，即另两侧面cd会产生一个大小与控制电流I和磁场B乘积成正比的电动势UH，这一现象称为霍尔效应。10.霍尔式传感器8/14/2021910.1霍尔效应2）产生机理如上左图所示，垂直于外磁场B的导体通电流

7、I时，定向运动的载流子受磁场的洛伦兹力FL作用，除了做平行于电流方向的定向运动外，还在FL作用下漂移，使薄板内一侧累积电子，另一侧累积正电荷，形成一个内电场，即霍尔电场。霍尔电场EH的产生使定向运动的电荷除受FL作用外，还因电场力FE=eUH/(cd)的作用渐渐增强而被阻止继续积累。随着内、外侧面累积的电荷增加，霍尔电场增大，当电荷所受FL与霍尔电场力大小相等方向相反，即FE=FL时，电荷不再向两侧面累积而达到平衡状态，形成稳定的霍尔电势。10.霍尔式传感器8/14/20211010.1霍尔效应3）霍