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传感器原理及应用主编戴焯第七章磁电传感器

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传感器第7章

传感器第7章

传感器原理及工程应用
第7章 磁电式传感器
温度误差 2. 温度误差 温度变化,误差式中右边三项不为零,对铜线每摄氏度变化 量为dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2,对铝镍钴永磁合 金dB/B≈-0.02×10-2,可得近似值:γt≈(-4.5%)/10℃ 补偿通常采用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负 温度系数的特殊磁性材料做成。 当温度升高时,热磁分流器的磁导率显著下降,分流掉的磁 通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低, 保持空气 隙的工作磁通不随温度变化, 维持传感器灵敏度为常数。
传感器原理及工程应用
第7章 磁电式传感器
传感器原理及工程应用
第7章 磁电式传感器
霍尔元件基本结构 2. 霍尔元件基本结构 霍尔元件的结构简单,由霍尔片、 引线和壳体组成,如图a所示 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄 片， 引出四个引线。1、1′引 线加激励电压或电流，称为激励 电极；2、2′引线为霍尔输出引 线，称为霍尔电极。 霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷 或环氧树脂封装而成。电路中霍尔 元件可用两种符号表示，如图b。
传感器原理及工程应用
第7章 磁电式传感器
2、恒定磁通式 典型结构如图 磁路系统产生恒定 直流磁场,磁路中 工作气隙固定不变, 因而气隙中磁通也 是恒定不变的。 运动部件可以是线 圈（动圈式图a）, 运动部件可以是磁铁（动铁式图b）工作原理是完全相同 当振动频率远大于固有频率时, 运动部件不随振动体振动, 能量被弹簧吸收,磁铁与线圈间的相对运动速度接近于振 动速度, 产生感应电势为 E=-B0lWv
传感器原理及工程应用
第7章 磁电式传感器
5. 霍尔元件温度补偿 霍尔元件的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化 时, 霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数 都将发生变化, 从而使霍尔元件产生温度误差。 减小霍尔元件温度误差, 除用温度系数小的元件或采用恒 温措施外,用恒流源供电是有效,可以使霍尔电势稳定。减 小输入电阻随温度变化引起的激励电流I变化带来的影响 霍尔元件的灵敏系数KH随温度变化引起霍尔电势的变化。 它与温度的关系： KH=KH0（1+αΔT） 多数霍尔元件的温度系数α是正值,它们的霍尔电势随温 度升高而增加（1+αΔT）倍。同时让激励电流I相应地减 小,保持KHI乘积不变, 就抵消了灵敏系数KH增加的影响。

传感器原理及应用习题答案(完整版)

传感器原理及应用习题答案(完整版)

传感器原理及应用习题答案习题 1 (2)习题 2 (4)习题 3 (8)习题 4 (10)习题 5 (12)习题 6 (14)习题 7 (17)习题 8 (20)习题 9 (23)习题 10 (25)习题 11 (26)习题 12 (28)习题 13 (32)习题 11-1什么叫传感器？它由哪几部分组成？并说出各部分的作用及其相互间的关系。

答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

由于传感器的输出信号一般都很微弱, 因此需要有信号调节与转换电路对其进行放大、运算调制等。

随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。

此外，信号调节转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此信号调节转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。

1-2简述传感器的作用和地位及其传感器技术的发展方向。

答：传感器位于信息采集系统之首，属于感知、获取及检测信息的窗口，并提供给系统赖以进行处理和决策所必须的原始信息。

没有传感技术，整个信息技术的发展就成了一句空话。

科学技术越发达，自动化程度越高，信息控制技术对传感器的依赖性就越大。

发展方向：开发新材料，采用微细加工技术，多功能集成传感器的研究，智能传感器研究，航天传感器的研究，仿生传感器的研究等。

1-3传感器的静态特性指什么？衡量它的性能指标主要有哪些？答：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出—输入关系。

与时间无关。

主要性能指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。

1-4传感器的动态特性指什么？常用的分析方法有哪几种？答：传感器的动态特性是指其输出与随时间变化的输入量之间的响应特性。

《传感器原理及工程的的应用》第四版(郁有文)课后答案详解

《传感器原理及工程的的应用》第四版(郁有文)课后答案详解

第一章传感与检测技术的理论根底1．什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？答：某量值的测得值和真值之差称为绝对误差。

相对误差有实际相对误差和标称相对误差两种表示方法。

实际相对误差是绝对误差与被测量的真值之比；标称相对误差是绝对误差与测得值之比。

引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，也用相对误差表示，它是相对于仪表满量程的一种误差。

引用误差是绝对误差〔在仪表中指的是某一刻度点的示值误差〕与仪表的量程之比。

2．什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？它们通常应用在什么场合？答：测量误差是测得值与被测量的真值之差。

测量误差可用绝对误差和相对误差表示,引用误差也是相对误差的一种表示方法。

在实际测量中，有时要用到修正值，而修正值是与绝对误差大小相等符号相反的值。

在计算相对误差时也必须知道绝对误差的大小才能计算。

采用绝对误差难以评定测量精度的上下，而采用相对误差比拟客观地反映测量精度。

引用误差是仪表中应用的一种相对误差，仪表的精度是用引用误差表示的。

3． 用测量X 围为-50～+150kPa 的压力传感器测量140kPa 压力时，传感器测得示值为142kPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。

解：绝对误差2140142=-=∆kPa 实际相对误差%43.1%100140140142=⨯-=δ标称相对误差%41.1%100142140142=⨯-=δ引用误差%1%10050150140142=⨯---=）（γ4． 什么是随机误差？随机误差产生的原因是什么？如何减小随机误差对测量结果的影响？答：在同一测量条件下，屡次测量同一被测量时，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差称为随机误差。

随机误差是由很多不便掌握或暂时未能掌握的微小因素〔测量装置方面的因素、环境方面的因素、人员方面的因素〕，如电磁场的微变，零件的摩擦、间隙，热起伏，空气扰动，气压与湿度的变化，测量人员感觉器官的生理变化等，对测量值的综合影响所造成的。

第7章 磁电式传感器1PPT课件

第7章 磁电式传感器1PPT课件

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, 或者正比于其乘积IB。
（二）霍耳元件的主要技术参数
1）输入电阻Rin和输出电阻Rout
Rin指A，B两侧电流电极间的电阻，Rout指C、D两 侧霍耳元件电极间的电阻。
2）额定控制电流IC 室温条件下，允许通过霍耳元件的最大电流值。

I
B
V
R E
R3 UH
霍耳器件的基本电路
霍耳电势UH； 控制电压V；
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。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。
霍尔元件的主要技术参数
型号
EA218 FA 2 4 V H G -11 0 AG1 M F07FZZ M F19FZZ M H 07FZZ M H 19FZZ KH-400A
材料
InAs InAsP GaAs
Ge InSb InSb InSb InSb InSb
控制 霍尔 输入
电流 电压 电阻
(mA) (mV, 0.1T)
按被检测的对象的性质可将它们的应用 分为:直接应用和间接应用。
通过它，将许多非电、非磁的物理量例 如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速 度、加速度、角度、角速度、转数、转速以 及工作状态发生变化的时间等，转换成电量 来进行检测和控制。
（一）霍耳传感器工作原理 1、霍耳效应
B
w FE
FL v
H
I UH
③灵敏度低 与Insb霍尔传感器相比灵敏度低。大多数 Insb霍尔传感器的输出电压较高，但这类 传感器在500高斯左右开始达到饱和。 ④GaAs霍尔传感器的不平衡电压随温度变 化较大。 在弱磁场中(10高斯以下)不如InSb霍尔传 感器。

传感器原理与应用主编 戴焯第六章 压电传感器

传感器原理与应用主编 戴焯第六章 压电传感器

图6－3
石英晶体压电效应
（a）纵向压电效应 （b）横向压电效应
纵向压电效应所产生的电荷量大小由下式确定： q XX = d XX FX s1/s2 （6－1） 式中 d XX —纵向压电系数，脚标中第1个X 表示电荷平 面的法线方向，第2个脚标X 表示作用力的方向，其大小 为d XX =2.31×10－12C·N－1。 S1=Bl 被极化面积，s2 受力面积
当石英晶体受Y 轴向压力Fy作用时，如图6－2（c） 所示，晶体受压力亦变形，晶体内正、负离子的相对位置 发生变化，此时电偶极矩P1增大、P2和P3减小，电偶极矩 矢量和在X 轴向分量(P1+P2+P3)x＜0，因而在垂直于X 轴 正向的晶体表面上出现负电荷，其相对面上出现等量正电 荷。而电偶极矩矢量和在Y 轴和Z 轴向分量仍为0，不会 在垂直于Y 轴和Z 轴的晶体表面上出现电荷。
d ij
d11 d12 d13 d14 d15 d16 d 21 d 22 d 23 d 24 d 25 d 26 d 31 d 32 d 33 d 34 d 35 d 36
（6－5）
式中 I =1、2、3表示电荷平面法线方向，即X、Y、Z轴向； j =1、2、3、4、5、6表示作用力的方向，其中1、2、3为X、 Y、Z 轴单向力方向，4、5、6为绕X、Y、Z 轴剪切力方向。
当石英晶体受Z 轴向力作用时，因Z 轴向力与片内离 子平面X－Y 垂直，故不会引起离子在X－Y 平面上位移， 此时电偶极矩的矢量和仍保持为0，晶体表面不会出现电 荷。
3．压电效应
石英晶体在 X 轴向力作用下产生表面电荷的现象， 称为纵向压电效应。在石英晶体线性弹性范围内，X 轴向 力使晶片产生形变，并引起极化现象，极化强度与作用力 成正比，极化方向决定于作用力的正向，极化后在晶体表 面所产生的电荷极性如图6－3（a）所示。

《传感器原理与应用》课程教学大纲(胡版)于光辉

《传感器原理与应用》课程教学大纲(胡版)于光辉

《传感器原理及应用》课程大纲（Principle and Application of Sensor）课程编号：0723223课程性质：专业课适用专业：电子信息科学与技术，微电子学先修课：模拟电路、数字电路、信号系统后续课程：计算机应用系统设计，毕业设计总课时数： 40＋16 课时总学分：3 学分其中实验学分：0.5 学分教学目的与要求：掌握常见传感器的工作原理、结构性能与特点，误差补偿方法，提高传感器工作性能的途径；能根据检测与控制的要求，合理选用传感器；掌握常用调理电路的工作原理。

掌握常用传感器和测试电路的基本实验技能；了解传感器的发展方向。

了解各种传感器的典型应用。

教学内容与学时安排第一章概论( 2学时 )第一节传感器的定义和传感器的作用第二节传感器的组成和分类第三节传感器的发展趋势重点：了解传感器的定义和组成、传感器的分类方法、传感器在科技发展中的重要性和传感器技术的发展趋势。

第二章传感器的一般特性（ 2学时）第一节传感器的静态特性第二节传感器的动态特性重点：了解传感器的静态特性和动态特性的概念。

掌握主要静态特性的定义、计算方法。

掌握一阶传感器和二阶传感器的基本特性及其数学表示。

第三章传感器的弹性敏感元件（ 2学时）第一节弹性敏感元件的基本特性第二节弹性元件的材料第三节弹性敏感元件的特性参数计算重点：了解弹性敏感元件的作用、形式和特性。

第四章电阻应变式传感器（ 4学时）第一节电阻应变片的工作原理第二节电阻应变片的动态特性第三节电阻应变片的误差分析第四节电阻应变片的信号调理电路第五节电阻应变式力传感器第六节固态压阻式传感器重点：了解应变片的结构和工作原理。

了解各种电阻应变式传感器的构造、工作原理。

掌握应变片与弹性敏感元件正确配合的方法。

掌握温度误差的分析方法、减小误差的方法。

掌握信号调理电路的工作原理。

第五章电容式传感器（ 4学时）第一节电容式传感器的工作原理及结构形式第二节电容式传感器的信号调理电路第三节电容式传感器的应用重点：了解电容式传感器的结构及工作原理。

传感器原理及应用模块七磁敏传感器及其应用711霍尔传感器


霍尔传感器的工作原理：
原
置于磁场中的导体或半导体中流过电流时，
理
若是没有磁场的影响，则正电荷载流子能平稳
及
地流过，此时，输出端（从载流导体上平行于
应
电流和磁场方向的两个面引出）的电压为零。
用
当加入一个与电流方向垂直的磁场时(如下图所
示)，电荷载流子会由于洛伦兹力的作用而偏向
一边，在输出端产生电压，即霍尔电压。这一
模块七 磁敏传感器及其应用
7.1.1 霍尔传感器
霍尔传感器电路符号与标称
传
感
只要霍尔传感器受磁场的影响，传感器便有电信号输
器 出。霍尔元件实物图和电路符号如图所示，电路的标称用
原 字母H表示。 理
及
应
用
（a）霍尔传感器实物图
（b）电路符号
霍尔元件电路符号
模块七 磁敏传感器及其应用
7.1.1 霍尔传感器
关的接通与断开。 比较常用的霍尔传感器有CS－3000系列、SH－100系列、
HK系列等。
模块七 磁敏传感器及其应用
7.1.1 霍尔传感器
霍尔集成传感器
传
用集成电路技术，将霍尔元件、放大器、
感
温度补偿电路、施密特触发器和稳压电源等电
器
路集成在一个芯片上，就构成了霍尔集成传感
原
器。
理
及
应
用
输出 信号
开关型
由霍尔元件、放大器、施密特触发器、输出晶体 管和稳压电源等组成。具有开关特性，但导通磁 感应强度和截止磁感应强度之间存在滞后效应， 这一特性大大增强了电路的抗干扰能力，保证开 关动作稳定，不产生振荡现象。
的形 式
由霍尔元件、放大器、差动输出电路和稳压电源

传感器原理及应用习题答案完整版

传感器原理及应用习题答案习题1 (3)习题2 (5)习题3 (9)习题4 (11)习题5 (13)习题6 (15)习题7 (18)习题8 (21)习题9 (24)习题10 (26)习题11 (27)习题12 (29)习题13 (33)习题11-1 什么叫传感器？它由哪几部分组成？并说出各部分的作用及其相互间的关系。

答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

由于传感器的输出信号一般都很微弱, 因此需要有信号调节与转换电路对其进行放大、运算调制等。

随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。

此外，信号调节转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此信号调节转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。

1-2 简述传感器的作用和地位及其传感器技术的发展方向。

答：传感器位于信息采集系统之首，属于感知、获取及检测信息的窗口，并提供给系统赖以进行处理和决策所必须的原始信息。

没有传感技术，整个信息技术的发展就成了一句空话。

科学技术越发达，自动化程度越高，信息控制技术对传感器的依赖性就越大。

发展方向：开发新材料，采用微细加工技术，多功能集成传感器的研究，智能传感器研究，航天传感器的研究，仿生传感器的研究等。

1-3 传感器的静态特性指什么？衡量它的性能指标主要有哪些？答：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出—输入关系。

与时间无关。

主要性能指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。

1-4 传感器的动态特性指什么？常用的分析方法有哪几种？答：传感器的动态特性是指其输出与随时间变化的输入量之间的响应特性。

常用的分析方法有时域分析和频域分析。

【课件】传感器与检测技术 磁电式传感器原理及应用


第 5章
磁电式传感器
传感器原理及应用
测量转速时，传感器的转轴1 与被测物转轴相连接，因而带动转 子2转动。当转子2的齿与定子5的 齿相对时，气隙最小，磁路系统的 磁通最大。而齿与槽相对时，气隙 最大，磁通最小。
（2）磁电感应式转速传感器
因此当定子5不动而转子2转动 时，磁通就周期性地变化，从而在 线圈4中感应出近似正弦波的电压 信号，其频率与转速成正比关系。
第 5章
磁电式传感器
传感器原理及应用
5.1 磁电感应式传感器 5.1.1 工作原理 当线圈与磁铁间有相对运动时，线圈中产生的感 应电势e为
式中 B ：工作气隙磁感应强度； N：线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数；
l ：每匝线圈的平均长度; v ：线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度(ms-1)。
第 5章
磁电式传感器
传感器原理及应用
由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时， 这种传感器的灵敏度（e/v）是随振动频率而变化；当振动频
率远大于固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率 而变化，而近似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大， 传感器灵敏度随振动频率增加而下降。
不同结构的恒定磁通磁电感应式传感器的频率响应特性 是有差异的，但一般频响范围为几十赫至几百赫。
它属于动圈式恒定磁通型。其结构原理图如图5-3所示，永 久磁铁3通过铝架4和圆筒形导磁材料制成的壳体7固定在一起， 形成磁路系统，壳体还起屏蔽作用。磁路中有两个环形气隙， 右气隙中放有工作线圈6，左气隙中放有用铜或铝制成的圆环形 阻尼器2。工作线圈和圆环形阻尼器用心轴5连在一起组成质量 块，用圆形弹簧片1和8支承在壳体上。
将传感器固定在被测振动体上永久磁铁铝架和壳体将传感器固定在被测振动体上永久磁铁铝架和壳体一起随被测体振动由于质量块有一定的质量产生惯性力而一起随被测体振动由于质量块有一定的质量产生惯性力而弹簧片又非常柔软因此当振动频率远大于传感器固有频率时弹簧片又非常柔软因此当振动频率远大于传感器固有频率时线圈在磁路系统的环形气隙中相对永久磁铁运动以振动体的振线圈在磁路系统的环形气隙中相对永久磁铁运动以振动体的振动速度切割磁力线产生感应电动势通过引线动速度切割磁力线产生感

传感器原理及应用第7章 磁电式传感器概要


变磁通式（a）开磁路
恒磁通式
（b）闭磁路
第7章
磁电式传感器
传感器原理及应用
7．1 磁电感应式传感器（电动式） 7.1.2 磁电感应式传感器的应用
变磁通式
开磁路
闭磁路
第7章
磁电式传感器
传感器原理及应用
7．1 磁电感应式传感器（电动式） 7.1.2 磁电感应式传感器的应用
磁电感应式传感器 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） 恒磁通式 动圈型 动钢型

磁电式振动传感器的特点： • 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。 u v ，便于 • 速度传感器的输出电压正比于速度信号 直接放大。 • 输出阻抗低几十～几千欧，对后置电路要求低，干扰小。 航空，发动机等设备的振动实验； 兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射； 民用，机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。
idt
0
t
则有：
u0 (t )
1 RC
u dt
i
ui e v
u0 t
u dt x
i
第 7章
磁电式传感器
传感器原理及应用
If Rf
7．1 磁电感应式传感器（电动式） 7.1.2 磁电感应式传感器的应用
微分电路输出测量加速度 因为
e sv
dv a dt
传感器原理及应用 7.2 霍尔式传感器 __ Hall effect multiplier

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106高斯。
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（3）不等位电势(零位误差的主要原因）
霍尔元件控制电流I 和霍尔电压UH 的四电极分布不
对称而引起的寄生不等位电势。如图7－5所示，当各电极
a、b、c、d 对称分布时，各电极之间的电阻r1、r2、r3、 r4相等，此时电阻桥平衡，寄生霍尔电压ΔUH = 0。当各
电极分布不对称时，两个霍尔电极不在一个等位面上，电 阻桥失去平衡，故产生不等位寄生电势。
开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出电压经 电路处理后形成一个高电平或低电平的开关量输出，集成 电路主要由霍尔元件、差分放大器、施密特触发器等部分 组成，如图7－8所示。
2020/11/25
图7－8 开关型集成霍尔传感器原理框图
霍尔元件一般由平面型硅霍尔元件组成，在0.1T磁场 作用下，其开路输出电压约20mV，接负载后不低于10mV。 由于霍尔元件输出电压随温度上升而下降，因而通常选用 具有负温度系数二极管与霍尔元件串联，温度上升使串联 二极2管020/1正1/25向压降下降，从而补偿霍尔输出电压。
2020/11/25
令
KH
RH d
fHbL
，称之为霍尔元件灵敏度，
则（7－2）改写为
UH KHIB
（7－3）
可见，当霍尔元件的半导体材料性能及几何尺寸确
定后，霍尔元件的输出电压UH 正比于控制电流I 和磁感 应强度B 。
二、霍尔元件的基本特性 霍尔元件是由具有霍尔效应的半导体薄片、电极引 线及壳体组成，其电路符号如图7－2所示。图中两短边引 线通入控制电流，两长边引线输出霍尔电压；霍尔元件的 壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。
2020/11/25
图7－6 不等位电势补偿电路
2020/11/25
2．温度误差及其补偿
霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精度，造 成测量误差的主要因素有两类：半导体的固有特性；半导体制造工 艺缺陷。其主要表现形式为温度误差和零位误差。一般来说，温度 升高半导体材料的电阻率（下降）和迁移率（下降）载流子浓度 （增加）RH下降，霍尔元件中常用的几种材料，硅比锗温度系数小 一些，梯化铟对温度最敏感，但其霍尔常数大，砷化铟温度系数最 小，但其霍尔常数小。不同材料的霍尔元件都具有一定的温度系数，
图7－10 线性型集成霍尔传感器原理框图
2020/11/25
（a）单端输出 （b）双端输出
差分放大器通常为两级差分放大电路，第二级差分 放大采用达林顿管，全电路的增益可达1000倍，因而灵敏 度大大提高；在磁不饱和的情况下，输出电压与磁感应强 度有很好的线性关系。这种电路内部一般都没有电源调整 电路和附加温度补偿电路，应用时最好外加稳压电路及温 度补偿措施。
六、霍尔传感器的应用
霍尔传感器由于结构简单、体积小、动态特性好、工 作寿命长等特点，因而在许多领域得到广泛应用。
1．高斯计
如图7－11所示，将霍尔元件垂直置于磁场B 中，输 入恒定的控制电流I，则霍尔输出电压UH 正比于磁感应强 度B，用此方法可以测量恒定或交变磁场的高斯数。
2020/11/25
图7－11 高斯计原理图 (测恒定、交变磁场）图7－12 电流计原理图
2．电流计
如图7－12所示，将霍尔元件垂直置于磁环开口气隙
中，让载流导体穿过磁环，由于磁环气隙的磁感应强度B 与待测电流I成正比，当霍尔元件控制电流IH一定时，霍 尔输出电压UH 则正比于待测电流I，这种非接触检测安全 简便20，20/1适1/25用于高压线电流检测。 B=f(I) UH= KH IHf(I)
FE=qEH=Uh / b
F L q v F B E q U hb /
I=-nqvbd
2020/11/25
霍尔电压UH 的大小为
UH
RH d
IBH f
L b
（7－2）
式中 RH —霍尔常数（m3/c）
f
H
L b
—霍尔元件形状系数
d —霍尔元件厚度（m） L —霍尔元件长度（m） b —霍尔元件宽度（m） I —控制电流（A） B —磁感应强度（特斯拉T，即Wb/m2）
电阻，rT 具有如rH 相同的正温度系数,此时霍尔元件的控
制 电流
IH
rT rH rT
I
基本不变。
β rT α rH
β-霍2020尔/11/2器5 件内阻温度系数 α-霍尔电势温度系数（查元
• 电桥补偿电路。RP用于调节补偿不等位电势。在霍尔 元件输出回路串接一个温度补偿电桥，桥臂上R1~R4 均为等值的锰铜电阻，其中一个桥臂电阻并联热敏电阻 Rt。当温度变化时， Rt阻值随之变化，使补偿电桥的输 出电压相应变化。只要精心调整补偿电桥的温度系数， 便可以做到一定温度范围内－40——＋40，在1、2两
点间的霍尔电势与温度基本无关。
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五、集成霍尔传感器
随着硅集成电路工艺日趋完善，可以把霍尔元件和 测量电路集成在一起而组成集成霍尔传感器。目前已研制 出多种集成霍尔传感器，按其功能不同可分为两大类，即 开关型集成霍尔传感器和线性型集成霍尔传感器。
1．开关型集成霍尔传感器（控制电路）
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图7－2 霍尔元件电路符号
由式（7－2）可知，要使霍尔元件有较高的灵敏度，
必须要求霍尔元件材料有较大的霍尔常数。霍尔常数RH
等于材料的电阻率与电子迁移率的乘积，金属材料电子迁 移率大，但电阻率很小；绝绝材料电阻率极高，但载流子 迁移率极低；只有半导体材料适于作霍尔元件，其电阻率 和载流子的迁移率都比较大。目前常用的半导体材料有硅、 锗、锑化铟和砷化铟等，这些材料不但有较大的霍尔常数， 而且有较好的线性度。
3．转速计
如图7－13所示，将霍尔元件移置旋转盘下边，让转
盘上小磁铁形成的磁力线垂直穿过霍尔元件；当控制电流
I 一定时，霍尔输出电压UH 决定于小磁铁的磁场。
由于小磁铁固定在旋
转盘上，当旋转盘随转轴
转动时，霍尔元件上获得
周期变化的磁脉冲，因而
产生相应的霍尔脉冲电压，
此脉冲电压单位时间内的
个数，正比于转轴的旋转
第七章 磁电传感器
磁电传感器可分为两大类，一类是基于铁芯线圈电磁 感应原理的磁电感应式传感器，一类是基于半导体材料磁 敏效应的磁敏传感器。本章将介绍目前常见的几种半导体 材料磁敏效应器件及其传感器，即霍尔元件、磁敏电阻、 磁敏二极管及磁敏三极管。
第一节 霍尔传感器
霍尔是美国的一位物理学家，他在1879年首先在金属 材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱 而没有得到应用，后来人们发现某些半导体材料的霍尔效 应十分显著，因而制成相应的霍尔元件，广泛用于电磁测 量、计数器、转速计、位移及无触点开关等。
差分放大器采取双端输入、双端输出工作方式，将霍 尔输出电压放大几十倍；其共模反馈电阻进一步消除温度 对输出电压的影响，增强抗干扰能力。
施密特触发器将差分放大器输出电压整形为矩形脉冲， 并利用整形中的回差进一步提高抗干扰能力。整形后输出 的矩形脉冲经倒相后加至输出级，使输出电平与磁感应强 度之间的关系如图7－9所示。
速度，从而实现转速的检
测；转盘上磁铁对数越多，
传感器测速的分辨率越高。
（周期脉冲） 2020/11/25
图7－13 转速计原理图
5．集成特性
霍尔元件具有结构简单、体积小、无活动部件，便于 与测量电路一起作成集成霍尔传感器。
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三、测量电路
霍尔元件基本测量电路如图7－4所示。霍尔电压UH 一般为毫伏数量级，因而实际应用时霍尔效应输出电压UH
要接差动放大器；根据霍尔元件工作条件不同，霍尔电压 可以是线性量或开关量，因而其测量电路可能是线性型或 开关型。
开关型集成霍尔传感
器输出电平具有迟滞现象，
其回差宽度ΔB =BH－BL 。 ΔB 越小，电平转移灵敏 度就越高；反之，ΔB 越
大，输出电平抗干扰能力
越强。
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图7－9 输出电平与磁感应强度关系
2．线性型集成霍尔传感器（测量电路）
线性型集成霍尔传感器的输出电压与外加磁感应强度 之间呈线性比例关系、集成电路主要由霍尔元件和差分放 大器组成，差分放大器有单端输出和双端输出两种形式， 如图7－10所示。
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一、霍尔效应
如图7－1所示，在(金属）半导体薄片上垂直施加磁 场B，在薄片两短边b方向通入控制电流I，则在薄片两长 边L方向产生电动势，这种现象称之为霍尔效应，该电动
势称为霍尔电压UH ，该半导体薄片称为霍尔元件。
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图7－1 霍尔效应原理图
图7－1中，v 表示半导体中电子在控制电流I作用下 的运动方向和速度，FL 表示电子受到磁场的洛伦兹力 ，
2．UH—B 特性
当KH 和I 为定值时，霍尔电压UH 与磁场B 具有单值 关系，在磁不饱和时（一般B小于0.5T） UB 与B 具有线
性关系。利用这一特性，霍尔元件可用于测量交、直流磁
感应强度或磁场强度；若B 为一个均匀梯度的磁场，则霍 尔电压UB 取决于霍尔元件在磁场中的位置，从而实现微
位移及可转换为微位移的压力、加速度、振动等非电量的 测量。 2020/11/25
致使霍尔电压UH随温度而变化，产生温度误差。为了减小温度误差，
除了选择温度系数小的霍尔元件或采取恒温措施外，通常可采用图 7－7所示恒流源控制电路补偿方法。
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图7－7 温度补偿电路
在图7－7电路中,电流I为恒定电流，不受温度影响
；电阻rH 为霍尔元件等效输入电阻，并联rT 为外接补偿
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• 常用半导体材料的特性
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由这些半导体材料制成的霍尔元件在应用时都具有如 下几个基本特性。
1．UH—I 特性