1、传感器技术 主讲：吴秋宁,第四章 磁传感器,根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里，产生与磁通和变化速率成正比的感应电动势。因此最简单的把磁转换成电的磁传感器就是线圈，随着科学技术的发展，现代的磁传感器已向固体化发展，它是利用磁场作用使物质的电性能发生变化的各种物理效应制成的，从而使磁场强度转换为电信号。磁传感器的种类较多，制作的传感器的材料有半导体、磁性体、超导体等不同材料制作的磁传感器其工作原理和特性也不相同。本章根据最近磁传感器的发展，重点介绍基于霍尔效应的霍尔磁敏传感器。,一、霍耳磁敏传感器 （一）霍耳效应,通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。,+,I,+,
2、+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,l,w,d,霍耳效应原理图,UH,（二）霍耳磁敏传感器工作原理,设霍耳片的长度为l，宽度为w，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力q电子电量(1.6210-19C) v电于运动速度 同时，作用于电子的 电场力,当达到动态平衡时,霍耳电势UH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成：,电流密度 j=nqv,nN型半导体中的电子浓度,N型半导体,P型半导体,霍耳系数，由载流材料物理性质决定。 材料电阻率,pP型半导体中的空穴浓度, 载流子迁移率, =v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度
3、。,金属材料，电子很高但很小，绝缘材料，很高但很小。因此霍尔系数很小，使输出霍尔电势很小，不宜做霍尔元件故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。且多用型半导体材料霍尔元件越薄，灵敏度系数越大当载流材料和几何尺寸确定后，霍尔电势的大小正比于控制电流和磁感应强度，因此霍尔元件可用于测量磁场（电流恒定）和检测电流（磁场恒定）。,设 KH=RH / d,KH霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。,若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为时，霍耳电势应为：,UH KH I B,UH KH I B cos,注意：当
4、控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。,霍耳器件片 a)实际结构(mm)；(b)简化结构；(c)等效电路 外形尺寸:6.43.10.2;有效尺寸：5.42.70.2,（三）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）,d,s,l,（b）,2.1,5.4,2.7,A,B,0.2,0.5,0.3,C,D,（a）,w,电流极,霍耳电极,R4,（c）,霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端或输出端。若霍耳端子间连接负载,称为霍耳负载电阻或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。,器件电
5、流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。,电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。,关于霍耳器件符号，名称及型号，国内外尚无统一规定，为叙述方便起见，暂规定下列名称的符号。,控制电流I； 霍耳电势UH； 控制电压U； 输出电阻R2； 输入电阻R1； 霍耳负载电阻R3； 霍耳电流IH。,图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍耳输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。,实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B, 或者正
6、比于其乘积IB。,上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍耳输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。,同样，若给出控制电压U，由于U=R1I，可得控制电压和霍耳电势的关系式,设霍耳片厚度d均匀，电流I和霍耳电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流I和霍耳电势UH的关系式,（四）基本特性,1、直线性：指霍耳器件的输出电势UH分别和基本参数I、V、B之间呈线性关系。,UH=KHBI,2、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：,KH乘积灵敏度，表示霍耳电势VH与磁感应强度B和控制电流I乘积之间
7、的比值，通常以mV/(mA0.1T)。因为霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定,故称为乘积灵敏度。,KB磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电势值。常用于磁场测量等情况。,KI电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应强度下电流对应的霍耳电势值。,若控制电流值固定，则：,UHKBB,若磁场值固定，则：,UHKI I,3、额定电流： 霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。,4、最大输出功率 在霍耳电极间接入负载后，元件的功率输出与负载的大小有关，当霍耳电极间的内阻R2等于霍耳负载电阻R3时，霍耳输出功率为最大。,5、最大
8、效率 霍耳器件的输出与输入功率之比，称为效率，和最大输出对应的效率，称为最大效率，即：,6、负载特性 当霍耳电极间串接有负载时，因为流过霍耳电流，在其内阻上将产生压降，故实际霍耳电势比理论值小。由于霍耳电极间内阻和磁阻效应的影响，霍耳电势和磁感应强度之间便失去了线性关系。如图所示。,80,60,40,20,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,UH/mV,=,=7.0,=1.5,=3.0,B/T,理论值,实际值,UH,R3,I,霍耳电势的负载特性,=R3/R2,霍耳电势随负载电阻值而改变的情况,7、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳
9、系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。,霍耳材料的温度特征 （a）RH与温度的关系；（b）与温度的关系,RH/cm2/A-1,250,200,150,100,50,40,80,120,160,200,LnSb,LnAs,T/,0,2,4,6,/710-3cm,LnAs,200,150,100,50,LnSb,T/,0,双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，影响灵敏度。二者相反。,8、频率特性 磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的。器件的频率特性很好，到10kHz时交流输出还与直流情况相同。因此,霍耳器件可用于微波范围,其输出不受频率影响。 磁场交变。霍耳输出不仅与频率有关，而且还与器
10、件的电导率、周围介质的磁导率及磁路参数(特别是气隙宽度)等有关。这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会在其内部产生涡流的缘故。,总之，在交变磁场下，当频率为数十kHz时，可以不考虑频率对器件输出的影响，即使在数MHz时，如果能仔细设计气隙宽度，选用合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有良好的频率特性的。,9、不等位电势,定义:当霍尔元件通以控制电流而不加外磁场时,它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在,该电势就称为不等电势.,产生原因： 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。,两电极不在
11、 同一等电位面上,等电位面歪斜,霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。霍尔开关集成传感器是以硅为材料，利用硅平面工艺制造的。硅材料制作霍尔元件是不够理想的，但在霍尔开关集成传感器上，由于N型硅的外延层材料很薄，可以提高霍尔电压。如果应用硅平面工艺技术将差分放大器、施密特触发器及霍尔元件集成在一起，可以大大提高传感器的灵敏度。,（五）霍耳开关集成传感器,由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路
12、、开路输出五部分组成。 稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。,1霍耳开关集成传感器的结构及工作原理,2霍耳开关集成传感器的工作特性曲线从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞BH，这对开关动作的可靠性非常有利。 图中的BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。,霍耳开关集成传感器的工作特性曲线,VOUT/V,12,ON,OFF,BRP,BOP,BH,B,霍耳开关集成传感器的技术参数：工作电压 、磁感应强度、输出截止电压、输出导通电流、工作温度、工作点。,0,该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁
13、感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。,表 霍尔开关集成传感器的技术参数,双稳态霍尔开关集成传感器工作特性曲线,3霍耳开关集成传感器的应用 （1）霍耳开关集成传感器的接口电路传感器输出半导体管V是发射极接地而集电极开路的电路结构。这样的电路结构可以很容易地与半导体管、晶闸管、一般的逻辑电路相耦合。,磁铁轴心接近式 在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，,随磁铁与传感器的间隔距离的增加,作用在传感器表面的磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一定位置时,传感器开关接通,而磁铁移开到一定距离时开关关
14、断。应用时,如果磁铁已选定,则应按具体的应用场合,对作用距离作合适的选择。,（2）给传感器施加磁场的方式,磁铁侧向滑近式 要求磁铁平面与传感器平面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑近移动的方式在传感器前方通过。,采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度,在霍耳开关应用时，提高激励传感器的磁感应强度是一个重要方面。除选用磁感应强度大的磁铁或减少磁铁与传感器的间隔距离外，还可采用下列方法增强传感器的磁感应强度。,S,N,磁铁,磁力集中器,传感器,带有磁力集中器的移动激励方式示意图,磁感应强度B/T,0.10,0.08,0.06,0.04,0.02,0,2.5,5,7.5,10,磁铁与
15、中心线的距离L2/mm,B-L2曲线的对比图,(a)加磁力集中器的移动激励方式,激励磁场应用实例,(b)推拉式 两个磁铁的S极都面对传感器，这样可以得到如图所示的较为线性的特性。,推拉式L1-B关系曲线,距离L1/mm,B/T,0.05,-0.05,0,-10,-5,0,5,10,15,-15,注意：磁铁S极作用于传感器背面，会抵消传感器正面磁铁S极的激励作用。,(c)双磁铁滑近式 为激励传感器开关的接通，往往把磁铁的S极对着传感器正面，如果在传感器的背面也设置一磁铁，使它的N极对着传感器的背面，就会获得大得多的磁场。,(d)翼片遮挡式 翼片遮挡方法就是把铁片放到磁铁与传感器之间，使磁力线被分
16、流、傍路，遮挡磁场对传感器激励。当磁铁和传感器之间无遮挡时，传感器被磁铁激励而导通；当翼片转动到磁铁和传感器之间时，传感器被关断。,霍耳开关集成传感器的应用领域：点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等,(e) 偏磁式 在传感器背面放置固定的磁铁加入偏磁，就可以改变传感器的工作点或释放点。例如。将磁铁的N极粘附在传感器的背面，则传感器在正常情况下处于导通状态，必须在它的正面施加更强的负磁场，才能使它关断。,4.霍耳开关集成传感器的应用领域,1霍耳线性集成传感器的结构及工作原理 霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。
17、这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成，当外加磁场时,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压,经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍耳线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出两种。,（六）霍耳线性集成传感器,单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将
18、输出电压放大到较高的电平。其典型产品是SL3501T。双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是SL3501M。,2霍耳线性集成传感器的主要技术特性(1)传感器的输出特性如下图：,2霍耳线性集成传感器的主要技术特性(2)传感器的输出特性如下图：,（七）霍耳磁敏传感器的应用利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用。利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类
19、特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。,利用霍耳传感器制作的仪器优点：(1) 体积小，结构简单、坚固耐用。(2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。(3)装置性能稳定，寿命长，可靠性高。(4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。(5)霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。,测量磁场的大小和方向,磁通集束器图中Li为集束器的总长度，La为集束器中部的空隙距离，霍耳器件磁通密度Ba比外部磁通密度B0约增强Li/La倍。,图为均匀磁场中使
20、用集束器(实线)和不使用磁集束器(用虚线表示)时的磁方向图,（八）霍耳磁敏传感器的应用实例1、霍尔元件在转速测量上的应用利用霍尔效应测量转速的工作原理非常简单，将来磁体按适当的方式固定在被测轴上，霍尔元件置于磁铁的气隙中，当轴转动时，霍尔元件输出的电压则包含有转速的信息，将霍尔元件输出电压经后续电路处理，便可得转速的数据，图4-1和图4-2是两种测量转速方法的示意图。,图4-1永磁体装在轴端的转速测量方法,图4-2永磁体装在轴侧的转速测量方法,2、直流功率测量仪如果在霍尔元件控制电流端通入的电流为I=KI，其中K为一比例系数，I为通过负载R的电流。而用一比例于负载R电压降V的电压V来激励磁场，
21、即B=K,V=K V，则霍尔元件的输出电压可用下式表示，即因此，可以利用霍尔元件进行直流功率测量。霍尔元件用来测量功率是霍尔效应的重要应用之一，它同用其它方法测量功率相比有下列的优点：1.由于霍尔电压正比于被测功率，故可以做成直读式功率计。2.功率测量范围可以微瓦到数百瓦。3.装置中设有转动部分，输出和输入之间相互隔离，稳定性好，精度高。4.工作寿命长，体积小，结构简单，成本低廉,图4-3是直流功率计电路。这种电路适用于直流大功率的测量，R为负载电阻，表示仪表一般采用有功率刻度的伏特表，霍尔元件采用N型锗元件较为有利。其测量误差一般小于1%。,图4-3直流功率计电路,3、利用霍尔线性集成传感器
22、进行磁法覆盖层厚度测量磁法覆盖厚度测量是指对铁磁性物质表面非磁性涂层的厚度测量，例如对钢铁表面的镀膜，油漆，塑料。搪瓷等覆盖层的厚度等便可使用磁法厚度测量的方法。利用霍尔线性集成电路制成的霍尔厚度传感器的结构，将U型硅钢片铁芯中间断开，然后将SL 3501M霍尔线性集成传感器和一片钕铁硼用磁体夹在中间，用502胶粘牢。测量时将U型铁芯的两极放到被测物体表面上，这时永磁体产生的磁通便通过U型铁芯和被物体构成磁回路，磁回路路径如图4-4中虚线所示。,图4-4磁法测量原理图,同时，磁回路的磁阻和磁通量将会发生变化，磁回路路中的霍尔集成传感器将会检测出磁场强度的不同，从而使霍尔集成传感器产生的电压随覆
23、盖层厚度的不同而变化，完成覆盖层非电量到电量的转换。霍尔集成传感器内部虽然设有差分放大器，但其输出的电压仍然满足不了使用电路的要求，为此，将信号加一级放大，便可得到足够大的信息幅度。其放大电路和输出特性见图4-5所示。,图4-5放大电路及输出特性,显然，所得到的输出电压与覆盖层厚度之间是非线性关系，对于这种曲线，若采用指针式表头来显示覆盖层厚度值，可采取非等分刻度定标。如采用数字式表示，则必须将U-曲线进行先行优化处理。,4、霍尔计数装置由于SL3501霍尔开关集成传感器具有较高的灵敏度，它能感受到很小的磁场变化，因而可对黑色金属零件的有无进行检测，我们可以利用这一特性制成计数装置，图4-6就
24、是对钢球进行计数的工作示意图和电路图，当钢球通过霍尔开关集成传感器时，传感器可输出峰值为20mA的脉冲电压。该电压经放大器IC放大后，要动半导体管VT工作，VT输出端便可接计数器进行计数，并由显示器进行显示。,图4-6霍尔计数装置的工作示意及电路图,5、无触点电位器一般电位器在使用中由于触点的原因，常产生噪声信号，而且寿命不长，使用磁敏元件制作的无触点电位器则可克服上述缺点，图4-7是无触点电位器的结构示意图。其中，磁敏元件可使用磁敏二极管或霍尔线性集成传感器。将磁敏元件放置在单个磁铁的下方或两个磁铁之间，当旋动电位器手柄时，磁铁跟着转动，从而使磁敏元件表面的磁感应强度也发生变化。这样，磁敏元
25、件的输出电压将随手柄的转动而变化，起到电位调节作用。,图4-7无触点电位器结构示意图,6、无接触式仿型加工在仿型铣床加工中，靠模总是同模件接触的。当靠模沿模件移动时，差动变压器感知出位移信号，经放大后送入随动电机使铣刀沿着工作重复靠模的运动，从而实现半自动化的加工。应用霍尔元件可做成无接触的探头，以代替原有的结构，涂3便是这种仿型铣床的工作原理示意图，在探头的前方设置有永久磁铁，当他靠近模件时，霍尔元件的输出电压增加，当它离开模件时，霍尔元件的输出电压减小，利用放大器和控制电路，可使探头与模件保持一定距离，当探头沿模件移动时，通过移动系统移动能力，便可加工出与模件相同形状的工件来。,图4-8无
26、接触式仿型铣床工作原理示意图,7、霍尔汽车点火器传统的汽车点火装置是利用接卸装置使接触点闭合和打开，在点火线圈开的瞬间感应出到电压供火花塞点火。这种方法容易造成开关的触点产生磨损，氧化，使发动机的性能变坏，也使发动机的性能提高受到限制。图4-9是霍尔汽车点火器的结构示意图。图中的霍尔传感器采用SL3020.在磁轮鼓上嵌有永久磁铁和软铁制成的扼铁磁路，它和霍尔传感器保持有适当的间隙。由于永久磁铁按磁性交替排列并等分地嵌在磁轮鼓的圆周上，因此，当磁轮鼓转动时，磁铁的N极和S极便交替地在霍尔传感器的表明通过，霍尔传感器的输出端便输出脉冲信号，用这个脉冲信号去处罚功率开关管，使它导通或截止，在点火线圈
27、中便产生15 KV的感应高电压，以点燃气缸中的燃油，随着发动机的转动，上述过程将周而复始地进行下去。,采用霍尔传感器制成的汽车点火器，和传统的汽车点火器相比具有以下优点:1.由于无触点，因此无需维护，使用寿命长。 2.启动方便，汽车自啊低俗爬坡和高速行驶中不会发生熄火现象。 3.由于点火能量大，气缸中气体燃烧充分，排气对大气的污染明显减少。 4.由于点火时间准确，可提高发动机的性能,图4-9霍尔汽车点火器结构示意图,8、启动供水装置自动供水装装置可实现凭票定量自动供应开水，具有节约用水而又卫生的优点，特别适用于单位水房安装使用。 启动供水装置的结构见图4-10所示。锅炉中的水由电磁阀控制流出于
28、关闭，电磁阀的灯下与关闭，则受控于控制电路。当用水者打水时，需将铁制的取水牌从投放口投入，取水牌沿非磁性物质制作的沿槽向下滑行，当滑行到此传感部位时，传感器输出信号经控制电路驱动电磁阀打开，水从水龙头流出，经延时一定时间后，控制电路使电磁阀关闭，又恢复到停止供水状态。,图4-10自动供水装置构造示意图,自动供水装置的电路，如图4-11所示，它主要由磁传感装置，单稳态电路，固态继电器，电源电路及电磁阀等组成，磁传感装置由磁铁及SL3020霍尔开关集成传感器构成，平时，SL3020传感器受磁铁磁场的作用，其输出端输出低电平，半导体管VT处于截止状态，由IC组成的单稳态电路处于复位状态，IC的输出端
29、3脚输出低电平，固态继电器SSR由于无控制电流而处于截止状态，电磁阀Y无电而关闭，水龙头无水流出，单稳态电路在复位状态时，IC内部将电容C短路。,当取水者投入铁制的取水牌时，取水牌沿滑槽迅速下滑，在通过磁传感装置时，铁制取水牌将磁铁的磁力线短路，SL3020传感器此时输出高电平脉冲，经TV反相触发单稳态电路翻转进入暂稳状态，此时IC的3脚输出为高电平，使固态继电器SSR导通，电磁阀Y得电工作自动开阀放水，单稳态翻转后，IC内部电路将C源短路状态释放， C通过RP和R开始充电，当C上的电位充电到IC的阀值电压时，触发单稳态电路复位，IC输出端第3脚又恢复到低电平，固态继电器SSR截止，电磁阀Y断电关闭，水龙头自行停止出水，电路又恢复到平时状态。单稳态电路每次由单稳态翻转进入暂稳状态的时间长短，也就是每次供水的时间，该事件取决于C,R,RP的时间常数，调节RP可在320范围内改变这一时间。 C和C是旁路电容器，主要用来消除各种杂波的干扰。,图4-11自动供水装置电路原理图,
