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【图解】磁电式传感器图解分析
磁电式传感器 9.6.1 磁感应电式传感器 1、磁感应电式传感器的特点按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式。
2、恒定磁通式磁电感应式传感器
恒定磁通磁电感应式传感器的结构原理
v或角速度ω表示，则所产生的感应电动势e为
(
4
.
4
)
l—每匝线圈的平均长度；B—线圈所在磁场的磁感应强度； S—每匝线圈的平均截面积.B、l、N、S均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v 或ω)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。
如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。
但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。
3、变磁通式磁电感应式传感器
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磁电式传感器原理及应用磁电式传感器是一种基于磁效应的传感器，能够通过测量电流和磁场之间的关系来检测和测量电流、位移、速度、角度等物理量。
该传感器通过电流和磁场之间的相互作用，将物理量转化为电信号，从而实现对物理量的测量和控制。
磁电式传感器具有高精度、高分辨率、高灵敏度、可靠性高等优点，因此在许多领域得到广泛应用。
磁电式传感器的工作原理主要是基于磁电效应，即通过磁场作用于磁电材料产生的电势差来测量物理量。
常用的磁电材料有铁磁材料、反铁磁材料和压电材料等。
当磁电材料受到外界磁场的影响时，内部的电荷分布状态发生改变，从而在材料的两侧产生电势差。
根据外加电场的方向，可以将磁电材料分为电压系数和电流系数两种类型。
磁电式传感器的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：1. 电流测量：磁电式传感器可以通过测量电流所产生的磁场来实现对电流的测量。
在电力系统中，磁电式传感器被广泛用于测量电流，用于电能计量、故障检测和保护等。
2. 位移测量：通过将磁电材料与磁场探头相结合，可以实现对位移的测量。
在工业自动化领域，磁电式传感器被广泛应用于位移传感器、液位传感器、角度传感器等领域。
例如，在机械加工中，可以通过位移传感器来监测工件的位移，从而实现对机械加工的控制和调整。
3. 速度测量：磁电式传感器可以通过测量旋转物体所产生的磁场来实现对速度的测量。
在汽车行业中，磁电式传感器被广泛用于测量车速，用于车速表和巡航控制系统等。
4. 角度测量：通过将磁电材料与磁场探头结合，磁电式传感器可以实现对角度的测量。
在航空航天、机器人、自动化控制等领域，磁电式传感器被广泛应用于角度传感器、导航传感器、姿态传感器等领域。
5. 磁场测量：磁电式传感器可以通过测量磁场对磁电材料产生的电势差来实现对磁场的测量。
在地理勘测、地震监测等领域，磁电式传感器被用于测量地球磁场和地震活动等。
总之，磁电式传感器作为一种重要的传感器技术，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断发展和进步，磁电式传感器将更加精确、灵敏地测量和控制物理量，为各个领域的发展做出更大的贡献。
一、引言磁电式传感器（magnetic-electric sensor）是一种常见的传感器类型，广泛应用于各个领域中，包括工业自动化、交通运输、机器人、医疗设备等。
磁电式传感器利用磁力与电磁感应的原理，将磁场的变化转化为电信号，从而实现对磁场强度、方向或位置的检测。
本文将详细解释磁电式传感器的工作原理，包括其基本原理、结构、工作方式以及应用领域。
二、磁电式传感器的原理1. 电磁感应原理磁电式传感器的工作原理基于电磁感应的原理。
根据法拉第电磁感应定律，当一个导体在磁力线穿过时，会在导体中产生电动势。
这种现象可以用以下公式表示：EMF = -dΦ/dt其中EMF表示电动势，Φ表示磁场通量，dt表示时间的微小变化。
根据该定律可知，当磁场强度或磁场方向发生变化时，会在导体中产生电动势。
2. 磁电效应原理磁电式传感器的核心部件是磁电材料，如铁电材料或磁电材料。
磁电材料具有磁电效应，即在外加磁场的作用下，会产生磁感应强度与电场强度之间的线性关系。
磁电效应可以通过以下公式表示：E = k * H其中E表示电场强度，k表示磁电系数，H表示磁场强度。
根据该公式可知，当磁场强度发生变化时，磁电材料会产生相应的电场强度变化。
3. 磁电式传感器的构成磁电式传感器通常由磁电材料、电极、封装以及相关电路组成。
磁电材料：磁电材料是磁电式传感器的核心部件，它通过磁电效应将磁场的变化转化为电场的变化。
常见的磁电材料包括铁电材料和磁电材料。
电极：电极用于连接磁电材料和外部电路，将磁电材料产生的电场信号引出。
封装：封装是保护磁电材料和电极的外壳，通常采用环氧树脂或金属外壳进行封装。
相关电路：相关电路包括放大电路、滤波电路和输出电路等，用于放大和处理磁电材料产生的电场信号，提供给外部电路使用。
4. 磁电式传感器的工作原理磁电式传感器的工作原理基于磁电效应和电磁感应的原理。
当存在磁场时，磁电材料会产生相应的电场变化。
根据电磁感应原理，当磁场的强度或方向发生变化时，会在磁电材料中产生电动势。
磁电式传感器课程设计。
一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解磁电式传感器的基本原理，掌握其工作方式和应用范围。
2. 学生能够描述磁电式传感器的构造，了解其主要组成部分及功能。
3. 学生能够掌握磁电式传感器在物理量检测中的应用，如速度、位移等。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，进行磁电式传感器的简单设计和搭建。
2. 学生能够运用磁电式传感器进行物理量的检测，并能够分析检测结果。
3. 学生能够通过实际操作，掌握磁电式传感器的调试方法。
情感态度价值观目标：1. 学生对磁电式传感器产生兴趣，提高对物理学科的学习热情。
2. 学生能够认识到磁电式传感器在现代科技领域的重要性，增强科技创新意识。
3. 学生在团队协作中，培养沟通、合作能力和解决问题的能力。
课程性质：本课程属于物理学科，以实验和实践为主，注重理论联系实际。
学生特点：初三学生，具有一定的物理知识和实验技能，对新鲜事物充满好奇。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重启发式教学，引导学生主动探究，培养实践能力和创新精神。
在教学过程中，将目标分解为具体的学习成果，便于教学设计和评估。
二、教学内容1. 磁电式传感器原理：讲解磁电式传感器的工作原理，涉及电磁感应定律、磁路基本概念等，对应教材第三章第二节。
2. 磁电式传感器构造：介绍磁电式传感器的组成部分，包括磁体、线圈、电路等，结合教材第三章第三节内容。
3. 磁电式传感器应用：分析磁电式传感器在速度、位移等物理量检测中的应用，举例说明，参考教材第三章第四节。
4. 磁电式传感器设计与搭建：引导学生运用所学知识，进行简单磁电式传感器的设计与搭建，结合教材实验部分内容。
5. 磁电式传感器调试：教授调试方法，让学生通过实际操作，学会调试磁电式传感器，提高实践能力，参考教材第五章实验部分。
6. 磁电式传感器在现代科技领域的应用：拓展学生视野，介绍磁电式传感器在高新技术领域的应用，如无人驾驶、智能制造等。
教学安排：第一课时：磁电式传感器原理及构造；第二课时：磁电式传感器应用；第三课时：磁电式传感器设计与搭建；第四课时：磁电式传感器调试及现代科技领域应用。
第 11次课 2 学时7.2 霍尔传感器霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种非接触式传感器。
在磁场中被测量通过霍尔元件转换成电动势输出。
霍尔传感器可应用于多种非电量测量，它可以直接测量磁场及微小位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。
特别是在检测微位移、大电流、微弱磁场等方面得到了广泛应用。
目前，霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。
利用磁阻效应和磁敏特性做成的磁阻、磁敏传感器也广泛应用于各个测量与控制技术领域。
7.2.1霍尔效应图7.2-1 霍尔效应原理图如图7.2-1所示，在一个均匀磁场中，放置一块长为l 、宽为b 厚为d 的半导体。
当在长度方向有电流通过半导体时，在垂直于电场和磁场的方向，即在半导体的宽度方向，产生横向电场，称为霍尔电场E H ，相应的电势称为霍尔电势U H ，这种现象叫霍尔效应。
此时，半导体中电子所受到的磁场力(也称为洛仑兹力)为F L = e υB (7.2-1)式中 υ——半导体中电子运动的速度；B ——外磁场感应强度；e ——电子的电荷量。
产生霍尔效应的原因是，在磁场力F L 的作用下，电子被推向半导体的一侧，并在该侧面上形成电子积累，而另一侧则形成正电荷积累；从而在半导体的两侧面产生静电场。
此电场产生的电场力为F E =eE H =beU H 式中 E H ——电子积累形成的电场强度；U H ——半导体两侧面由于电子积累而形成的电位差，即霍尔电势；b ——霍尔元件宽度。
此电场阻止电子继续向该侧面偏移，当电子所受到的电场力F E 与磁场F L 相同时，电子的积累就达到动态平衡。
此时，两侧面建立的电场称为霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势。
上述分析可表示为eE H = e υB (7.2-2) 当电子运动的方向与外磁场强度的方向相互垂直时，则有U H =bE H =b υB (7.2-3) 由式(7.2-3)可见，霍尔电势的大小决定于载流体中电子的运动速度，通常称为载流子迁移率。
它是指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值，此值与载流体材料有关。
又电流密度j = ne υ，n 是单位体积中的载流子数。
则流经载流体的电流式中 d ——霍尔元件厚度。
把电子速度υ=nebdI 代入式（4-37），则霍尔电势为 U H =ned IB =R H d IB =K H IB （7.2-4） 式中 R H ——霍尔系数。
霍尔系数反映霍尔效应的强弱，由材料物理性质决定。
由于霍尔系数主要取决于导电粒子密度，导电粒子密度越大，霍尔系数越小，霍尔电势越小，所以金属不适于作霍尔器件。
K H ——霍尔器件的灵敏度。
它表示霍尔器件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小。
由式(7.2-4)可知，霍尔器件的灵敏度，不仅与霍尔器件的材料有关，还与尺寸有关。
由式(7.2-4)还可以看出，当外界磁场强度B 和激励电流I 中的一个量为常量，而另一个作为输出量时，则输出霍尔电势正比于B 或I 。
当B 和I 均为输入变量时，则输出霍尔电势正比于B 和I 的乘积。
如果磁场方向与半导体薄片法线方向不垂直，其角度为α则霍尔电势为U H =K H IB cos α通过以上分析，可以看出：（1）霍尔电压U H 大小与材料的性质有关。
一般来说，金属材料n 较大，导致R H 和K H变小，故不宜做霍尔元件。
霍尔元件一般采用N 型半导体材料。
(2)霍尔电压U H 与元件的尺寸关系很大，生产元件时要考虑到以下几点：1)根据式K H ＝ned R H ＝ned1，d 愈小，K H 愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄。
但d 太小，会使元件的输入、输出电阻增加，因此，也不宜太薄。
2）元件的长宽比对U H 也有影响。
l/ b 加大时，控制电极对霍尔电压影响减小。
但如 果l/ b 过大，载流子在偏转过程中的损失将加大，使U H 下降，通常要对式(4-38)加以形状 效应修正：U H ＝K H IBf （l/ b ）式中，f (l/ b )为形状效应系数，其修正值如表7.2-1所示。
通常取l/ b ＝2。
表7.2-1 形状效应系数(3)霍尔电压U H 与控制电流及磁场强度有关。
根据式(7.2-4)，U H 正比于I 及B 。
当控制电流恒定时，B 愈大，U H 愈大。
当磁场改变方向时，U H 也改变方向。
同样，当霍尔灵敏度K H 及磁感应强度B 恒定时，增加控制I ，也可以提高霍尔电压的输出。
但电流不宜过大，否则，会烧坏霍尔元件。
7.2.2霍尔元件通常采用N 型锗(Ge)、锑化铟(InSb)和砷化铟(InAs)等半导体材料制成的具有霍尔效应的器件，即为霍尔元件。
由于半导体材料电阻率高，具有很高的载流子迁移率，霍尔系数很大，因此适合用作霍1、霍尔元件的构造图7.2-2 霍尔元件结构图7.2-2是霍尔元件的基本结构。
图中的矩形薄片状长方晶体称为基片。
基片一般采用半导体材料。
在它的两垂直侧面上各装有一对电极。
电极a-c用于加激励电压或电流，称为激励电极。
电极b-d 作为霍尔电势的输出，故称为霍尔电极。
因为厚度值越小，即基片越薄，霍尔元件的灵敏系数越大，所以希望基片尽量薄，簿膜霍尔元件一般为1μm左右。
霍尔电极在基片上的位置以及它的宽度对霍尔电势U H值的影响较大。
如图7.2-2所示，霍尔电极的宽度bd应小于基片的长度ac，而电极位置即bd连接点，应在长度的1/2处。
2、霍尔元件基本电路图7.2-3 霍尔元件的两种符号在电路中，霍尔元件可用两种符号表示，如图7.2-3所示。
其基本电路如图7.2-4所示。
图7.2-4 霍尔元件的基本电路激励电流由电源E供给，可变电阻用于调节激励电流I。
电阻R L为输出霍尔电势的负载电阻，通常它是显示记录装置和放大器的输入阻抗。
3.霍尔器件主要参数①霍尔灵敏系数K H：表示在单位控制电流和单位感应强度作用下，霍尔器件输出端电压。
元件厚度对K，有很大影响，霍尔元件越薄，则霍尔灵敏系数越大。
②输入电阻R in：电流电极端间的电阻。
它的数值一般为几欧至几百欧，T要与材料有关，也受温度影响。
③输出电阻R out：无负载时，霍尔电势输出电极端间的电随。
它的数值与输入电阻属于同一数量级，并且也受温度影响。
选择适当的负载电阻与之匹配，可以减小温度引起的影响。
④最大控制电流I max：在磁感应强度B=0和室温(不超过允许温升)条件下，从霍尔元件电流输入端输入的最大允许电流值。
一般为几毫安至几十毫安。
⑤最大磁感应强度B max：当磁感应强度超过某值时，霍尔电势的非线性误差将明显增大，此值即力最大磁感应强度。
M 位差，称为不等位电势，应设法减小此电势。
⑦霍尔电势温度系数α：在一定磁场强度和控制电流作用下，温度每变化l ℃时，霍尔电势变化的百分数。
它与霍尔元件的材料及温度有关。
一般为0.00℃-1。
7.2.3霍尔器件的误差及补偿方法引起霍尔电势误差的因素较多，主要可归结为温度误差和不等位电势误差。
1、温度误差及补偿霍尔元件是由半导体制成的。
因为半导体对温度很敏感，因而其霍尔系数、电阻率、霍尔电势的输入、输出电阻等均随温度有明显变化，导致霍尔元件产生温度误差。
不同材料的霍尔元件温度系数不同，其中锑化铟对温度最敏感，温度系数最大，砷化铟温度系数最小，而且线性度也较好，是霍尔元件的常用材料。
霍尔元件的温度误差可以采用多种方法进行补偿，最常用的方 法是采用恒流源供电。
为了提高霍尔电势对温度的稳定性，可采用图4-32所示恒流源电路。
此电路的温度补偿效果取决于并联电阻R 值的选择。
图7.2-5 恒流源温度补偿电路由图7.2-5所示电路及前述公式，并根据温度补偿的目的是使补偿后的霍尔电势基本不受温度影响的原则，可以推导出下列关系式：R =ααβ-R in （7.2-5） 式中 R in ——霍尔元件的输人电阻；α——霍尔电势温度系数；β——输出电阻温度系数。
霍尔元件的R in ，α，β值在产品说明书中给出，所以选定霍尔元件后，根据式（7.2-5）可确定并联补偿电阻的阻值。
2、不等位电势及其补偿霍尔元件在额定激励电流作用下，当不加外磁场时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势。
产生不等位电势的原因，是由于在制作霍尔元件时，两个霍尔电极没有完全对称地焊在霍尔元件两侧(在工艺上不可能保证霍尔电极焊在同一等位面上)；或霍尔元件材料的电阻率不均匀，基片宽度、厚度不一致；或激励电流极与基片的端面接触不良等。
由于上述种种原因，即使磁场强度为零，在霍尔电极上的电势也不为零。
要完全消除以上原因弓起的不等位电势是很困难的，可通过补偿措施使不等位电势减小到一定程度，一般要求不等位电势U 小于1mV 。
在进行不等位电势补偿时，把霍尔元件等效为一个四臂电桥，如图4-33(a)所示。
不等位电势相当于电桥的不平衡输出，因此凡能便电桥达到平衡的方法都可用以补偿不等位电势。
图7.2-6 不等位电势的几种补偿电路图7.2-6给出了几种不等位电势的补偿电路。
其申，图(b)所示电路为不对称补偿电路，这种电路结构简单，调整方便，但因补偿电阻R与霍尔元件等效桥臂电阻的电阻温度系数不相同，因此工作温度变化后，原来的补偿关系被破坏，所以只在一定温度下能起到补偿效果；图(c)，(d)，(e)所示的3种电路都是对称电路，当温度在一定范围内变化时，补偿的稳定性较好。
但图(c)和图(d)两种电路减小了霍尔元件的输人电阻，降低了霍尔电势的输出；图(e)所示电路对输入电阻的减小比图(c)所示电路要小些，但它要求霍尔元件必须做成五端元件，在制造上麻烦一些；图(c)和图(e)电路的缺点是输出电阻增大。
7.2.4传感器的类型7.2.4.1霍尔开关集成传感器霍尔开关集成传感器是利用霍尔效应与集成电路技术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。
霍尔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。
图7.2-7是霍尔开关集成传感器的内部框图。
它主要由稳压电路、霍尔元件（注意电路符号）、放大器、整形电路及开关输出5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，开关输出可使该电路方便地与各种逻辑电路连接。
当有磁场作用在霍尔开关集成传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电压U H，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。
当放大后的霍尔电压大于“开启”阂值时，施密特电路翻转，输出高电平，使三极管VT导通，并具有拉流的作用，整个电路处于开状态。
当磁场减弱时，霍尔元件输出的U H电压很小，经放大器放大后其值还小于施密特的“关闭”阂值时，施密特整形器又翻转，输出低电平，使三极管VT截止，电路处于关状态。
