第05章 磁电式传感器

1、第第5 5章章 磁电式传感器磁电式传感器第第5 5章章 磁电式传感器磁电式传感器5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 5.3 5.3 感应同步器感应同步器 5.4 5.4 磁电式传感器应用举例磁电式传感器应用举例 5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.1.1 5.1.1 磁电式传感器的工作原理磁电式传感器的工作原理 5.1.2 5.1.2 动圈式传感器的基本结构和工动圈式传感器的基本结构和工 作原理作原理 5.1.4 5.1.4 磁电感应式传感器的测量电路磁电感应式传感器的测量电路 5.1.3 5.1.3 磁阻式传感器的基本结

2、构和工磁阻式传感器的基本结构和工 作原理作原理 5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁电感应式传感器又称感应式传感器，是利用磁电感应式传感器又称感应式传感器，是利用电磁感应原理将被测量转换成电信号的一种有源传电磁感应原理将被测量转换成电信号的一种有源传感器，不需要外部供电电源，且电路简单，性能稳感器，不需要外部供电电源，且电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围( (一般一般为为10101 000Hz)1 000Hz)，所以得到普遍应用，适用于对振，所以得到普遍应用，适用于对振动、转速和扭矩等的测量。但这种传感器的尺寸和动、

3、转速和扭矩等的测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。重量都较大。5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.1.1 5.1.1 磁电式传感器的工作原理磁电式传感器的工作原理 根据法拉第电磁感应定律，根据法拉第电磁感应定律，N N匝线圈在磁场中运匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势中所产生的感应电动势e e的大小取决于穿过线圈的磁的大小取决于穿过线圈的磁通量通量 的变化率，即的变化率，即 (5-1)(5-1) ddeNt 5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.1.2 5.1.2 动圈式传

4、感器的基本结构和工动圈式传感器的基本结构和工作原理作原理 动圈式传感器的基本结构如图动圈式传感器的基本结构如图5-15-1所示，动圈式所示，动圈式传感器由永久磁铁、线圈、弹簧、壳体和金属骨架传感器由永久磁铁、线圈、弹簧、壳体和金属骨架等组成。等组成。5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙是固定不变的，因而气隙中的磁通也是恒定不气隙是固定不变的，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。它们的运动部件可以是线圈，也可以是磁铁，变的。它们的运动部件可以是线圈，也可以是磁铁，因此又分为动圈式和动铁式两种结构类型。在

5、动圈因此又分为动圈式和动铁式两种结构类型。在动圈式式( (如图如图5-1(a)5-1(a)所示所示) )中，永久磁铁与传感器壳体固中，永久磁铁与传感器壳体固定，线圈和金属骨架定，线圈和金属骨架( (合称线圈组件合称线圈组件) )用柔软弹簧支用柔软弹簧支承。承。5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 在动铁式在动铁式( (如图如图5-1(b)5-1(b)所示所示) )中，线圈组件与壳中，线圈组件与壳体固定，永久磁铁用柔软弹簧支承。两者的阻尼都体固定，永久磁铁用柔软弹簧支承。两者的阻尼都是由金属骨架和磁场发生相对运动而产生的电磁阻是由金属骨架和磁场发生相对运动而产生的电磁阻尼。这里的动圈

6、、动铁都是相对于传感器壳体而言尼。这里的动圈、动铁都是相对于传感器壳体而言的。的。 5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大，因此振动频率足够高运动部件质量相对较大，因此振动频率足够高( (远远高远远高于传感器的固有频率于传感器的固有频率) )时，运动部件的惯性很大，来不时，运动部件的惯性很大，来不及跟随振动体一起振动，近于静止不动，振动能量几乎及跟随振动体一起振动，近于静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对

7、运动速度接近于振动体的振动速度。动圈式和动铁式的工作原理是近于振动体的振动速度。动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的，当磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线完全相同的，当磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线时，产生与运动速度时，产生与运动速度v v成正比的感应电动势成正比的感应电动势e e。 5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器图图5-1 5-1 动圈式磁电传感器的结构原理图动圈式磁电传感器的结构原理图5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 (5-2)(5-2)式中式中 B B磁场的磁感应强度，磁场的磁感应强度，T T； l l有效匝数为的线圈的平均长度，有效匝数为的线圈的平

8、均长度，m m； v v线圈与磁场的相对运动速度，线圈与磁场的相对运动速度，m/sm/s； 线圈运动方向与磁场方向的夹角。线圈运动方向与磁场方向的夹角。sineBlv 5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 当时，式当时，式(5-2)(5-2)可写成可写成(5-3)(5-3) 当传感器结构一定时，即当传感器结构一定时，即N N、B B和和l l均为常数，感应均为常数，感应电动势与线圈运动速度电动势与线圈运动速度v v成正比，并且由此可推导出传成正比，并且由此可推导出传感器的灵敏度为感器的灵敏度为(5-4)(5-4)eBlv eSBlv5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器

9、由于灵敏度和成正比，为了提高灵敏度，应该选择由于灵敏度和成正比，为了提高灵敏度，应该选择具有较大磁能积的永久磁铁和尽量小的工作气隙长度，具有较大磁能积的永久磁铁和尽量小的工作气隙长度，以提高工作气隙处的磁感应强度的值。同时，增加线圈以提高工作气隙处的磁感应强度的值。同时，增加线圈的平均长度也会使灵敏度增加，但是要注意在选择这些的平均长度也会使灵敏度增加，但是要注意在选择这些参数时，应综合考虑传感器的材料、重量、体积及内电参数时，应综合考虑传感器的材料、重量、体积及内电阻工作频率等因素。阻工作频率等因素。5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.1.3 5.1.3 磁阻式传感器的基本结

10、构和工作磁阻式传感器的基本结构和工作原理原理 磁阻式传感器的线圈和磁铁都是静止不动的，感应磁阻式传感器的线圈和磁铁都是静止不动的，感应电动势由变化的磁通产生。与被测物连接而运动的部分电动势由变化的磁通产生。与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的，当它运动时，因磁路的磁阻变化是用导磁材料制成的，当它运动时，因磁路的磁阻变化而使穿过线圈的磁通量变化，从而在线圈中产生感应电而使穿过线圈的磁通量变化，从而在线圈中产生感应电动势，所以这种传感器也称变磁阻式。根据磁路的不同，动势，所以这种传感器也称变磁阻式。根据磁路的不同，磁阻式传感器又分为开磁路和闭磁路两种，如图磁阻式传感器又分为开磁路和闭磁路两种

11、，如图5-25-2所所示。示。5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 如图如图5-2(a)5-2(a)所示是一种开磁路磁电式转速传感所示是一种开磁路磁电式转速传感器，它由永久磁铁、软铁和感应线圈组成。测量齿器，它由永久磁铁、软铁和感应线圈组成。测量齿轮轮( (导磁材料制成导磁材料制成) )安装在被测旋转体上，随之一起安装在被测旋转体上，随之一起转动，安装时把永久磁铁产生的磁力线通过的端对转动，安装时把永久磁铁产生的磁力线通过的端对准齿轮的齿顶。准齿轮的齿顶。5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 当齿轮旋转时，每转过一个齿，它与软铁之间构当齿轮旋转时，每转过一个齿，它与软铁

12、之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中成的磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮上齿轮的产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮上齿轮的齿数和转速的乘积，其值为齿数和转速的乘积，其值为(5-5)(5-5)式中式中 zz齿轮的齿数；齿轮的齿数； nn被测轴的转速，被测轴的转速，r/minr/min； 感应电动势的频率，感应电动势的频率，1/s1/s。若测得若测得 ，由已知的，由已知的z z即可求得转速即可求得转速n n。 60znf ff5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器图图5-2 5-2 磁阻式传感器磁阻式传感器11永久磁铁；

13、永久磁铁；22软铁；软铁；33感应线圈；感应线圈；44测量齿轮；测量齿轮；55内齿轮；内齿轮；66外齿轮；外齿轮；77转轴转轴5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 如图如图5-2(b)5-2(b)所示是一种闭磁路磁电式转速传感所示是一种闭磁路磁电式转速传感器，它由装在转轴上的内齿轮和永久磁铁、外齿轮器，它由装在转轴上的内齿轮和永久磁铁、外齿轮以及线圈构成，内、外齿轮的齿数相同。当转轴连以及线圈构成，内、外齿轮的齿数相同。当转轴连接到被测轴上和被测轴一起转动时，使气隙平均长接到被测轴上和被测轴一起转动时，使气隙平均长度周期性地变化，因而磁路磁阻也周期性地变化，度周期性地变化，因而磁路

14、磁阻也周期性地变化，磁通同样周期性地变化，则在线圈中产生感应电动磁通同样周期性地变化，则在线圈中产生感应电动势。这种传感器与开磁路相同，通过测量感应电动势。这种传感器与开磁路相同，通过测量感应电动势的频率即可求得转速。势的频率即可求得转速。5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.1.4 5.1.4 磁电感应式传感器的测量电路磁电感应式传感器的测量电路 磁电感应式传感器直接输出感应电动势，且传磁电感应式传感器直接输出感应电动势，且传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，测量信益放大器。但磁电式传感

15、器是速度传感器，测量信号是速度信号，若要获取被测位移或加速度信号，号是速度信号，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。如图则需要配用积分或微分电路。如图5-35-3所示为磁电所示为磁电感应式传感器测量电路的方框图。感应式传感器测量电路的方框图。5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器图图5-3 5-3 磁电感应式传感器测量电路的方框图磁电感应式传感器测量电路的方框图5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 为了便于各级阻抗匹配，通常将积分电路和微为了便于各级阻抗匹配，通常将积分电路和微分电路置于两级放大器中间。当选择开关分电路置于两级放大器中间。当选择开关S

16、S接通线接通线1 1时，磁电感应式传感器输出的信号，直接经主放大时，磁电感应式传感器输出的信号，直接经主放大器放大后显示或记录，这时得到的是振动速度信号。器放大后显示或记录，这时得到的是振动速度信号。当选择开关当选择开关S S接通线接通线2 2时，传感器的输出信号先送给时，传感器的输出信号先送给前置放大器，经积分电路和主放大器后再显示或记前置放大器，经积分电路和主放大器后再显示或记录，这时得到的是振动位移信号。录，这时得到的是振动位移信号。5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 当选择开关当选择开关S S接通线接通线3 3时，传感器输出信号经前置时，传感器输出信号经前置放大器送入微分

17、电路，最后再由主放大器放大后显放大器送入微分电路，最后再由主放大器放大后显示或记录，这时又可得到振动加速度信号。示或记录，这时又可得到振动加速度信号。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器5.2.1 5.2.1 霍尔效应霍尔效应 5.2.2 5.2.2 霍尔元件的基本结构和主要技霍尔元件的基本结构和主要技 术参数术参数 5.2.4 5.2.4 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用 5.2.3 5.2.3 霍尔元件的测量误差及其补偿霍尔元件的测量误差及其补偿 5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器5.2.1 5.2.1 霍尔效应霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过金属或半导体薄

18、片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。这种物理现象称为霍尔效应。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 如图如图5-45-4所示，磁感应强度为所示，磁感应强度为B B的磁场方向垂直于的磁场方向垂直于薄片，在薄片左、右两端通以控制电流薄片，在薄片左、右两端通以控制电流I I，那么半，那么半导体中的载流子导体中的载流子( (电子电子) )将沿着与电流将沿着与电流I I相反的方向相反的方向运动。由于外磁场运动。由于外磁场B B的作用，使电子受到磁场力的作用，使电子受到磁场力 ( (洛仑兹力洛仑兹力

19、) )而发生偏转，结果在半导体的后端面而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子积累带负电，而前端面缺少电子带正电，在上电子积累带负电，而前端面缺少电子带正电，在前、后端面间形成电场。前、后端面间形成电场。Lf5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 该电场产生的电场力该电场产生的电场力 阻止电子继续偏转。当阻止电子继续偏转。当 和和 相等时，电子积累达到动态平衡。这时在半相等时，电子积累达到动态平衡。这时在半导体前、后两端面之间导体前、后两端面之间( (即垂直于电流和磁场方向即垂直于电流和磁场方向) )产生电场，称为霍尔电场，相应的电势称为霍尔电产生电场，称为霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势势E

20、 EH H。这一现象称为霍尔效应，该半导体薄片称为。这一现象称为霍尔效应，该半导体薄片称为霍尔元件。霍尔元件。EfEfLf5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器图图5-4 5-4 霍尔效应原理图霍尔效应原理图5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔电势可用下式表示霍尔电势可用下式表示(5-6)(5-6) 式中式中 R RH H霍尔系数，由载流材料的物理性霍尔系数，由载流材料的物理性质决定；质决定； K KH H霍尔片的灵敏度系数，与载流材料霍尔片的灵敏度系数，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的霍尔电势的大

21、小；度和单位控制电流时的霍尔电势的大小； d d 薄片厚度。薄片厚度。HHHIBERK IBd5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 霍尔系数霍尔系数 ， 为载流体的电阻率，为载流体的电阻率， 为载流子的迁徙率，一般金属材料的载流子迁徙为载流子的迁徙率，一般金属材料的载流子迁徙率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁徙率极低。故只有半导体材料但载流子迁徙率极低。故只有半导体材料(尤其尤其N型型半导体半导体)适合制造霍尔片。适合制造霍尔片。HR5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 当磁感应强度当磁感应强度B B和元件平面法线成一角度

22、和元件平面法线成一角度 时，时，作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量，作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量，即即 ，这时，这时(5-7)(5-7) cosBHHcosEK IB5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 当控制电流的方向或磁场的方向改变时，输出当控制电流的方向或磁场的方向改变时，输出电动势的方向也将改变。但当两者同时改变方向时，电动势的方向也将改变。但当两者同时改变方向时，霍尔电动势极性不变。由此可知，霍尔电动势的大霍尔电动势极性不变。由此可知，霍尔电动势的大小正比于控制电流小正比于控制电流I I和磁感应强度和磁感应强度B B。灵敏度系数。灵敏度系数K KH H表示在单位

23、磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔表示在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电势的大小，一般要求它越大越好。此外，元件的电势的大小，一般要求它越大越好。此外，元件的厚度厚度d d愈薄，愈薄，K KH H愈高，所以霍尔元件的厚度一般都愈高，所以霍尔元件的厚度一般都比较薄。比较薄。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 5.2.2 5.2.2 霍尔元件的基本结构和主要霍尔元件的基本结构和主要技术参数技术参数 5.2.2.1 5.2.2.1 霍尔元件的结构及其电路霍尔元件的结构及其电路 1.1.霍尔元件的结构霍尔元件的结构 霍尔元件的构造很简单，如图霍尔元件的构造很简单，如图5-5所示，主要所示

24、，主要由霍尔片、引线和壳体所组成。由霍尔片、引线和壳体所组成。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 图图5-5中，霍尔片是一块矩形半导体薄片，中，霍尔片是一块矩形半导体薄片，它的两侧各装有一对电极。电极它的两侧各装有一对电极。电极2-2输出霍尔电势，输出霍尔电势，称为霍尔电极。电极称为霍尔电极。电极1-1加控制电流，称为激励电加控制电流，称为激励电极或控制电极。外面用陶瓷、金属或环氧树脂封极或控制电极。外面用陶瓷、金属或环氧树脂封装即成为霍尔元件。装即成为霍尔元件。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器图图5-5 5-5 霍尔元件的结构示意图霍尔元件的结构示意图 5.2 5.2 霍尔式传

25、感器霍尔式传感器 2. 2. 霍尔元件的基本电路霍尔元件的基本电路 霍尔元件在测量电路中一般有两种符号表示霍尔元件在测量电路中一般有两种符号表示方法，如图方法，如图5-65-6所示。其基本电路如图所示。其基本电路如图5-75-7所示，所示，激励电流激励电流I I由电源由电源E E供给，供给，R RP P为调节电阻，用来调为调节电阻，用来调节激励电流的大小。霍尔元件输出端接负载电阻节激励电流的大小。霍尔元件输出端接负载电阻R RL L，它也可以是放大器的输入电阻或测量仪表的，它也可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻等。内阻等。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器图图5-6 霍尔元件符号霍尔

26、元件符号5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器图图5-7 5-7 霍尔元件的基本电路霍尔元件的基本电路5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 在实际使用中，可以把激励电流在实际使用中，可以把激励电流I I或外磁场或外磁场感应强度感应强度B B作为输入信号，或同时将两者作为输入作为输入信号，或同时将两者作为输入信号，而输出信号则正比于信号，而输出信号则正比于I I或或B B，或两者的乘积。，或两者的乘积。由于建立霍尔效应的时间很短，因此激励电流用由于建立霍尔效应的时间很短，因此激励电流用交流时，频率可高达交流时，频率可高达1010-9-9HzHz以上。以上。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式

27、传感器 3. 3. 霍尔元件的连接电路霍尔元件的连接电路 霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，为霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，为了获得较大的霍尔电压，可将几个霍尔元件的输了获得较大的霍尔电压，可将几个霍尔元件的输出串联起来，如图出串联起来，如图5-85-8所示。在这种连接方法中，所示。在这种连接方法中，激励电流极是并联的，如果将其接成串联，霍尔激励电流极是并联的，如果将其接成串联，霍尔元件将不能正常工作，虽然霍尔元件的串联可以元件将不能正常工作，虽然霍尔元件的串联可以增加输出电压，但其输出电阻也将增大。增加输出电压，但其输出电阻也将增大。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器图图5-8

28、 5-8 霍尔元件的串联霍尔元件的串联 5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 当霍尔元件的输出信号不够大时，也可采用当霍尔元件的输出信号不够大时，也可采用运算放大器加以放大，如图运算放大器加以放大，如图5-95-9所示。但目前最常所示。但目前最常用的还是将霍尔元件和放大电路做成一起的集成用的还是将霍尔元件和放大电路做成一起的集成电路，它有较高的性价比。电路，它有较高的性价比。 5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器图图5-9 5-9 霍尔电势的放大电路霍尔电势的放大电路5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 5.2.2.2 5.2.2.2 霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数

29、1.1.额定激励电流额定激励电流I Ih h 使霍尔元件温升使霍尔元件温升1010所施加的激励电流称为所施加的激励电流称为额定激励电流。因为增大激励电流可以增大输出额定激励电流。因为增大激励电流可以增大输出的霍尔电势，所以在实际应用中尽量增大激励电的霍尔电势，所以在实际应用中尽量增大激励电流，但它显然要受霍尔元件温升的限制，通过改流，但它显然要受霍尔元件温升的限制，通过改善其散热条件可以增大最大允许的激励电流。善其散热条件可以增大最大允许的激励电流。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 2. 2. 灵敏度霍尔元件灵敏度霍尔元件K Kh h 在单位磁感应强度和单位激励电流作用下在单位磁感应强

30、度和单位激励电流作用下的空载霍尔电势值称为霍尔元件的灵敏度。的空载霍尔电势值称为霍尔元件的灵敏度。 3. 3. 输入电阻输入电阻R Ri i和输出电阻和输出电阻R Ro o 输入电阻输入电阻Ri是指霍尔元件激励电流之间的是指霍尔元件激励电流之间的电阻，规定要在无外磁场和室温电阻，规定要在无外磁场和室温()()的环境温的环境温度中测量。输出电阻度中测量。输出电阻Ro是指霍尔电极间的电阻，是指霍尔电极间的电阻，同样要求在无外磁场和室温下测量。同样要求在无外磁场和室温下测量。 5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 4. 4. 不等位电势不等位电势U U0 0和不等位电阻和不等位电阻R R0 0

31、当磁感应强度当磁感应强度B B为零、激励电流为额定值为零、激励电流为额定值I Ih h时，时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势霍尔电极间的空载电势称为不等位电势( (或零位电或零位电势势) )。它主要是由于两个霍尔电极不在同一等位面。它主要是由于两个霍尔电极不在同一等位面上所致。另外，霍尔元件的几何形状不对称和材料上所致。另外，霍尔元件的几何形状不对称和材料的电阻率不均匀，电极与基片接触不良，也会产生的电阻率不均匀，电极与基片接触不良，也会产生不等位电势，一般要求不大于不等位电势，一般要求不大于1mV1mV。不等位电势与。不等位电势与额定电流之比称为不等位电阻额定电流之比称为不等位电阻R R

32、0 0，即，即R R0 0=U=U0 0/I/Ih h。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 5. 5. 内阻温度系数内阻温度系数 霍尔元件在无外磁场作用时，在工作温度范霍尔元件在无外磁场作用时，在工作温度范围内，温度每变化围内，温度每变化11，输入电阻，输入电阻R Ri i和输出电阻和输出电阻R Ro o变化的百分率称为内阻温度系数，一般取平均值。变化的百分率称为内阻温度系数，一般取平均值。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 6. 6. 霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 在一定的磁感应强度和激励电流下，温度每在一定的磁感应强度和激励电流下，温度每变化变化11，霍尔电势值变化的百分率

33、称为霍尔电，霍尔电势值变化的百分率称为霍尔电势温度系数。它与霍尔元件的材料有关，一般约势温度系数。它与霍尔元件的材料有关，一般约为为0.1%/0.1%/，表达式如下，表达式如下HtH0H0()/UUUt5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器5.2.3 5.2.3 霍尔元件的测量误差及其补偿霍尔元件的测量误差及其补偿5.2.3.1 5.2.3.1 不等位电势误差及其补偿不等位电势误差及其补偿 不等位电势不等位电势U U0 0主要是因为两个霍尔电势没有安主要是因为两个霍尔电势没有安装在同一电位面上，当控制电流装在同一电位面上，当控制电流I I流经不等位电流经不等位电阻阻R R0 0时产生压降，如

34、图时产生压降，如图5-105-10所示。一个霍尔元件所示。一个霍尔元件有两对电极，若各相邻电极之间的电阻为有两对电极，若各相邻电极之间的电阻为R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4，则在分析不等位电势时，可以把霍尔元，则在分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个件等效为一个4 4臂电阻电桥，如图臂电阻电桥，如图5-115-11所示。所示。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器图图5-10 5-10 不等位电势示意图不等位电势示意图 5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器图图5-11 5-11 霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路 5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器

35、当霍尔电极当霍尔电极C C和和D D处于同一电位面时，处于同一电位面时，R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4，电桥处于平衡状态，不等位电势，电桥处于平衡状态，不等位电势U U0 0为零；反之，则存在不等位电势，为零；反之，则存在不等位电势，U U0 0为电桥初始为电桥初始不平衡输出电压。因此，能够使电桥达到平衡的不平衡输出电压。因此，能够使电桥达到平衡的措施均可以用于补偿不等位电势。由于霍尔元件措施均可以用于补偿不等位电势。由于霍尔元件的不等位电势同时也是温度的函数，所以同时要的不等位电势同时也是温度的函数，所以同时要考虑温度补偿问题。考虑温度补偿问题。 5.2 5.2 霍尔

36、式传感器霍尔式传感器 如图如图5-12(a)5-12(a)所示为不对称电路，补偿电阻所示为不对称电路，补偿电阻R R与等效桥臂的电阻温度系数一般都不同，因此工与等效桥臂的电阻温度系数一般都不同，因此工作温度变化后原补偿关系即遭破坏，但其电路结作温度变化后原补偿关系即遭破坏，但其电路结构简单，调整方便，能量损失小。如图构简单，调整方便，能量损失小。如图5-12(b)5-12(b)所示为对称电路，温度变化时补偿稳定性好，但所示为对称电路，温度变化时补偿稳定性好，但会使霍尔元件的输入电阻减小，输入功率增大，会使霍尔元件的输入电阻减小，输入功率增大，霍尔输出电压降低。霍尔输出电压降低。5.2 5.2

37、霍尔式传感器霍尔式传感器图图5-12 5-12 不等位电势的补偿电路不等位电势的补偿电路5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器5.2.3.2 5.2.3.2 温度误差及其补偿温度误差及其补偿 对于恒流源供给激励电流的情况，可以采用分对于恒流源供给激励电流的情况，可以采用分压电阻法来进行温度补偿，其电路如图压电阻法来进行温度补偿，其电路如图5-135-13所示。所示。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器图图5-13 5-13 霍尔元件温度补偿电路霍尔元件温度补偿电路5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 这是一种十分有效的温度补偿电路。图这是一种十分有效的温度补偿电路。图5-135-13

38、中，中，霍尔元件采用恒流源霍尔元件采用恒流源I I供电，其控制电极并联一供电，其控制电极并联一个适当的补偿电阻个适当的补偿电阻R RP P。当温度升高时，由于补偿。当温度升高时，由于补偿电阻电阻R RP P的分流作用，使得通过补偿电阻的分流作用，使得通过补偿电阻RPRP的电流的电流I IP P增加，通过霍尔元件的控制电流增加，通过霍尔元件的控制电流I IH H相应减小。相应减小。这样利用霍尔元件内阻的温度特性和一个补偿电这样利用霍尔元件内阻的温度特性和一个补偿电阻，可以自动调节元件的控制电流大小，从而使阻，可以自动调节元件的控制电流大小，从而使霍尔电势的温度误差得到补偿。霍尔电势的温度误差得到

39、补偿。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 设电路中恒流源供给的电流为设电路中恒流源供给的电流为I I，当温度为，当温度为T T0 0时，时，霍尔元件有如下参数：输入电阻霍尔元件有如下参数：输入电阻R Ri0i0，选用的补偿，选用的补偿电阻电阻R RP0P0，被分流掉的电流为，被分流掉的电流为I IP0P0，激励电流，激励电流I IcOcO，霍尔元件的灵敏度系数霍尔元件的灵敏度系数K KHOHO。 温度为温度为T0T0时，霍尔元件的控制电流为时，霍尔元件的控制电流为(5-8)(5-8)P0H 0i0P0RIIRR5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔电势为霍尔电势为(5-9)(5-9

40、)当温度升为当温度升为T T时，霍尔元件的控制电流时，霍尔元件的控制电流I IHTHT为为(5-10)(5-10)H0H0H0UKIBPTHTiTPTRIIRR5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器式中式中 R RPTPT 补偿电阻在温度为时的值，补偿电阻在温度为时的值， , , 为补偿电阻的温度系数，为补偿电阻的温度系数，t=T-Tt=T-T0 0，为温度差；，为温度差； R RiTiT霍尔元件内阻在温度为时的阻值，霍尔元件内阻在温度为时的阻值， ， 为霍尔元件内阻的温度系数。为霍尔元件内阻的温度系数。PTP01RRtiTi01RRt5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器同理，温度为同理

41、，温度为T时的霍尔电势为时的霍尔电势为(5-11)式中式中 KHT 温度为时的霍尔元件灵敏度系数；温度为时的霍尔元件灵敏度系数； 霍尔元件灵敏度系数的温度系数。霍尔元件灵敏度系数的温度系数。HTHTHTH0HT1UKIBKt IB5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 假设补偿后，霍尔元件的输出电势不随温度变假设补偿后，霍尔元件的输出电势不随温度变化，应该满足化，应该满足U UH0H0=U=UHTHT，则有，则有(5-12)(5-12) 将上式展开，并略去将上式展开，并略去 项项( (当温差当温差t100t100时，此项很小，可忽略时，此项很小，可忽略) )，得，得(5-13)(5-13)

42、i0P0i0P0111RRtttRR P 0i0RR2t5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器由于霍尔元件的灵敏度温度系数由于霍尔元件的灵敏度温度系数 和补偿电阻的温和补偿电阻的温度系数度系数 比霍尔元件内阻温度系数比霍尔元件内阻温度系数 小很多，小很多，即即 ， ，则式，则式(5-13)(5-13)可简化为可简化为(5-14)(5-14)上式说明，当霍尔元件的内阻上式说明，当霍尔元件的内阻Ri0Ri0、 、 确定后，确定后，补偿电阻补偿电阻RP0RP0便可确定了。一般霍尔元件选定后，便可确定了。一般霍尔元件选定后，其、其、 、 的值可以从元件参数表中查出，而霍尔元件的值可以从元件参数表中查

43、出，而霍尔元件的内阻的内阻R Ri0i0可直接在无外磁场和室温条件下测得，可直接在无外磁场和室温条件下测得，因此补偿电阻因此补偿电阻R RP0P0的阻值可以方便的确定。的阻值可以方便的确定。 P 0i0RR5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 实验表明，补偿后的霍尔电势受温度影响很小，实验表明，补偿后的霍尔电势受温度影响很小，而且对霍尔元件的其他性能也无影响，只是输出而且对霍尔元件的其他性能也无影响，只是输出电压稍有下降，这是由于通过霍尔元件的控制电电压稍有下降，这是由于通过霍尔元件的控制电流被补偿电阻分流的缘故。只要适当增大恒流源流被补偿电阻分流的缘故。只要适当增大恒流源的输出电流，使通

44、过霍尔元件的电流达到额定值，的输出电流，使通过霍尔元件的电流达到额定值，霍尔元件的输出电压即可保持原来的数值。此外，霍尔元件的输出电压即可保持原来的数值。此外，对于霍尔元件的温度误差，还可以通过选取合适对于霍尔元件的温度误差，还可以通过选取合适的负载电阻和利用输入回路的串联电阻，以及采的负载电阻和利用输入回路的串联电阻，以及采用热敏电阻等方法进行补偿。用热敏电阻等方法进行补偿。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器5.2.4 5.2.4 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用 根据霍尔输出电势根据霍尔输出电势U UH H与控制电流与控制电流I I和磁感应强度和磁感应强度B B的乘积成正比的关系

45、可知，霍尔元件及其传感的乘积成正比的关系可知，霍尔元件及其传感器的用途大致可以分为器的用途大致可以分为3 3类：类： (1) (1) 保持霍尔元件感受的磁感应强度不变，利用保持霍尔元件感受的磁感应强度不变，利用U UH H与与I I成正比的关系，可用于直接测量电流和能转成正比的关系，可用于直接测量电流和能转换为电流的物理量，如电压等。换为电流的物理量，如电压等。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 (2) (2) 保持霍尔片的控制电流恒定，利用保持霍尔片的控制电流恒定，利用U UH H与与B B成正成正比的关系，可用于测量磁感应强度及位移、角度比的关系，可用于测量磁感应强度及位移、角度等可

46、直接或间接转换为磁场的物理量，如位移、等可直接或间接转换为磁场的物理量，如位移、角度、压力、速度和加速度等。角度、压力、速度和加速度等。 5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 如图如图5-14所示为霍尔式压力传感器的结构原理图。所示为霍尔式压力传感器的结构原理图。它由两部分组成：一部分是作为弹性敏感元件的它由两部分组成：一部分是作为弹性敏感元件的弹簧管，用以感受压力弹簧管，用以感受压力p，并将，并将p转换为弹性元件转换为弹性元件的位移量的位移量x，x=Kpp，其中系数，其中系数Kp为常数。另一为常数。另一部分是霍尔元件和磁系统形成一个均匀梯度磁场，部分是霍尔元件和磁系统形成一个均匀梯度磁场

47、，如图如图5-15所示。在其工作范围内，所示。在其工作范围内，B=KBx，其中，其中KB为常数。霍尔元件固定在弹性元件上，因此霍为常数。霍尔元件固定在弹性元件上，因此霍尔元件在均匀梯度磁场中的位移量也是尔元件在均匀梯度磁场中的位移量也是x。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 那么，霍尔电压那么，霍尔电压E EH H与被测压力与被测压力p p之间的关系就可之间的关系就可表示为表示为(5-15)(5-15) 式中式中 KK霍尔式压力传感器的输出灵敏度，霍尔式压力传感器的输出灵敏度，K=KK=KH HK KB BIKIKp p。 改变改变K K的值，就可改变其输出灵敏度。的值，就可改变其输出灵

48、敏度。HHHBpEK IBK K IK pKp5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器图图5-14 5-14 霍尔式压力传感器的结构原理图霍尔式压力传感器的结构原理图 5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器图图5-15 5-15 均匀梯度磁场示意图均匀梯度磁场示意图5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 (3) (3) 当霍尔元件的控制电流和磁感应强度均发生当霍尔元件的控制电流和磁感应强度均发生变化时，利用变化时，利用U UH H与与I IB B成正比的关系，可构成乘法成正比的关系，可构成乘法器和功率计等，进行乘法运算或功率测量。下面器和功率计等，进行乘法运算或功率测量。下面以霍尔单相交流

49、功率计为例进行说明。以霍尔单相交流功率计为例进行说明。5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 如图如图5-165-16所示为霍尔式单相交流功率计的基本所示为霍尔式单相交流功率计的基本电路。设电路。设 ，经过降压电阻，经过降压电阻r r得到霍尔得到霍尔元件的控制电流为元件的控制电流为(5-16)(5-16)式中式中 R Ri i 霍尔元件的输入电阻；霍尔元件的输入电阻； K K1 1 常数，常数，1/(R1/(Ri i+K+K1 1) )。2sinuUtc1i2sinuiKUtR R5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器图图5-16 5-16 霍尔式单相交流功率计的基本电路霍尔式单相交流功率

50、计的基本电路5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器负载负载zlzl上的电流上的电流 流过铁芯线圈，产生垂流过铁芯线圈，产生垂直于霍尔元件平面的交变磁感应强度直于霍尔元件平面的交变磁感应强度b b，且，且b b正比正比于于i i，表达式为，表达式为(5-17)(5-17)式中式中 K K2 2 常数；常数； 负载电流负载电流i i对输入电压对输入电压u u的相移，也就的相移，也就是关于负载是关于负载Z ZL L的功率因数角。的功率因数角。2 siniIt222sinBK iK It5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔输出电压霍尔输出电压 ，将式，将式(5-16)(5-16)和式和式(5

51、-17)(5-17)代入可得代入可得(5-18) (5-18) 式中式中 K K 常数，常数，K=KK=KH HK K1 1K K2 2。HHcuK i BH2sinsincoscos 2uKUIttKUIt5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器若求若求uH的平均值的平均值uH，则式，则式(5-18)中的中的 一一项为零项为零(正、负半周互相抵消正、负半周互相抵消)，因此，因此(5-19)式中式中 P负载负载ZL上的有功功率，上的有功功率， 。由式由式(5-19)可见，通过测量电路测出霍尔元件输出可见，通过测量电路测出霍尔元件输出的平均霍尔电压的平均霍尔电压uH，即可求出负载，即可求出负载Z

52、L的有功功率的有功功率P。cos 2 tHcosuKUIKPcosPUI5.3 5.3 感应同步器感应同步器5.3.1 5.3.1 感应同步器的基本结构与工作感应同步器的基本结构与工作 原理原理 5.3.2 5.3.2 感应同步器输出信号的检测感应同步器输出信号的检测 5.3 5.3 感应同步器感应同步器5.3.1 5.3.1 感应同步器的基本结构与工作感应同步器的基本结构与工作原理原理5.3.1.1 5.3.1.1 直线型感应同步器的结构直线型感应同步器的结构 直线型感应同步器的结构及定尺和滑尺的绕组直线型感应同步器的结构及定尺和滑尺的绕组示意图如图示意图如图5-175-17所示。它由定尺和

53、滑尺两部分组成，所示。它由定尺和滑尺两部分组成，长尺为定尺，短尺为滑尺。长尺为定尺，短尺为滑尺。 5.3 5.3 感应同步器感应同步器图图5-17 5-17 直线型感应同步器的结构及定尺和滑尺的直线型感应同步器的结构及定尺和滑尺的绕组示意图绕组示意图5.3 5.3 感应同步器感应同步器 5.3.1.2 5.3.1.2 直线型感应同步器的工作原理直线型感应同步器的工作原理 在滑尺的正弦绕组中，施加频率为在滑尺的正弦绕组中，施加频率为 ( (一般为一般为2 210kHz)10kHz)的交变电流时，定尺绕组感应出频率的交变电流时，定尺绕组感应出频率 为的感应电势。感应电势的大小与滑尺和定尺的相为的感

54、应电势。感应电势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。当两绕组同向对齐时，滑尺绕组磁通对位置有关。当两绕组同向对齐时，滑尺绕组磁通全部交链于定尺绕组，所以其感应电势为正向最大。全部交链于定尺绕组，所以其感应电势为正向最大。ff5.3 5.3 感应同步器感应同步器 移动移动1/41/4节距后，两绕组磁通不交链，即交链磁节距后，两绕组磁通不交链，即交链磁通量为零；再移动通量为零；再移动1/41/4节距后，两绕组反向时，节距后，两绕组反向时，感应电势负向最大。依此类推，每移动一节距，感应电势负向最大。依此类推，每移动一节距，其感应电势随位置按余弦规律财期性的重复变化其感应电势随位置按余弦规律财期性的重复

55、变化一次，如图一次，如图5-18(a)5-18(a)所示。所示。5.3 5.3 感应同步器感应同步器 同样，在滑尺的余弦绕组中，施加频率为同样，在滑尺的余弦绕组中，施加频率为 的交变电流时，定尺绕组上也感应出频率为的交变电流时，定尺绕组上也感应出频率为 的的感应电势。其感应电势随位置按正弦规律变化，如感应电势。其感应电势随位置按正弦规律变化，如图图5-18(b)5-18(b)所示。所示。 设正弦绕组供电电压为设正弦绕组供电电压为U US S，余弦绕组供电电，余弦绕组供电电压为压为U UC C，移动距离为，移动距离为X X，节距为，节距为T T，则正弦绕组单独，则正弦绕组单独供电时，在定尺上的感

56、应电势为供电时，在定尺上的感应电势为(5-20)(5-20)ff2sscos360cosxUKUKUT 5.3 5.3 感应同步器感应同步器图图5-18 感应电势幅值曲线感应电势幅值曲线5.3 5.3 感应同步器感应同步器 余弦绕组单独供电所产生的感应电势为余弦绕组单独供电所产生的感应电势为(5-21)(5-21) 由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，所以定尺上总的感应电势为行线性叠加，所以定尺上总的感应电势为(5-22)(5-22)2ccsin360sinxUKUKUT 222cssincosUUUKUKU5.3 5.3 感应同步器感应

57、同步器式中式中 K K 定尺与滑尺之间的耦合系数；定尺与滑尺之间的耦合系数； 定尺与滑尺相对位移的角度表示量定尺与滑尺相对位移的角度表示量( (电角度电角度) )， ； T T 节距，表示直线型感应同步器的周期，节距，表示直线型感应同步器的周期，标准式直线型感应同步器的节距为标准式直线型感应同步器的节距为2mm2mm。2360 xxTT 5.3 5.3 感应同步器感应同步器5.3.2 5.3.2 感应同步器输出信号的检测感应同步器输出信号的检测5.3.2.1 5.3.2.1 相位工作法相位工作法 当滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相当滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位相差

58、同幅值，但相位相差9090的两个激磁电压时，定的两个激磁电压时，定尺感应电势随滑尺位置的变化而变化。因此，当尺感应电势随滑尺位置的变化而变化。因此，当正弦绕组单独激磁时，设激磁电压正弦绕组单独激磁时，设激磁电压 ，定尺绕组中的感应电动势为定尺绕组中的感应电动势为smsinUUtsmsincosekUt 5.3 5.3 感应同步器感应同步器式中式中 k k 电磁耦合系数。电磁耦合系数。 当余弦绕组单独激磁时，激磁电压当余弦绕组单独激磁时，激磁电压 ，定尺绕组中的感应电动势为定尺绕组中的感应电动势为 实际上正弦、余弦绕组同时供电，这时总的感应实际上正弦、余弦绕组同时供电，这时总的感应电动势为电动势

59、为(5-23)(5-23)cmcosUUtcmcos sinek Utscmmmcos sincossinsine eek Ut k Utk Ut 5.3 5.3 感应同步器感应同步器 从上式可以看出，感应同步器把滑尺相对定尺从上式可以看出，感应同步器把滑尺相对定尺的相对位移的相对位移 和感应电动势相位和感应电动势相位 联系起来。因此，可以通过检测联系起来。因此，可以通过检测e的相位来测量的相位来测量机械位移量位移机械位移量位移x。2()x ()t5.3 5.3 感应同步器感应同步器5.3.2.2 5.3.2.2 幅值工作法幅值工作法 在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和在滑尺的两个励磁绕

60、组上分别施加相同频率和相同相位，但幅值不等的两个交流激磁电压相同相位，但幅值不等的两个交流激磁电压 式中式中 激磁电压幅值；激磁电压幅值； 给定的电相角。给定的电相角。sscosuUtsmsinUUcccosuUtcmcosUUmU5.3 5.3 感应同步器感应同步器 滑尺上的交流激磁电压分别在定尺绕组中感应滑尺上的交流激磁电压分别在定尺绕组中感应电动势电动势 和和 ，此，此时定尺绕组总的感应电动势为时定尺绕组总的感应电动势为(5-24)(5-24) 上式把感应同步器两尺的相对位移上式把感应同步器两尺的相对位移 和和感应电动势的幅感应电动势的幅 联系起来，因此，联系起来，因此，可以通过检测可以