传感器基本原理基础知识
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4.1 霍尔元件
主要技术参数
1. 输入电阻Rin：
控制电流电极端子之间的电阻值。
2. 输出电阻Rout：
霍尔电压输出电极端子之间的电阻值。
3. 额定控制电流IC：B=0、 25℃、⊿T =10℃ 最大允许控制电流Icm：最高允许使用温度（Tj）
b、d元件尺寸，ρ电阻率， αs散热系数, ⊿T=Tj-T室温
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4.1 霍尔元件
1. 霍尔计数装置
金属钢球计数 被磁化的钢球经过霍尔开关SL3051； 每过一个钢球产生一个脉冲，可计数和显示。
S 磁铁
S
+5V
钢球
N
绝缘板
SL3051
R4 470k
RL
计
霍尔开关
+12V
C1 22μ R3
1k
IC μ+ A741
数
R5
器
T
470Ω 2N5812
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4.1 霍尔元件
4. 乘积灵敏度KH： 在单位控制电流IC、单位磁感应强度B作用下，
器件输出端开路时的霍尔电压（单位为V/A·T）。
5. 磁灵敏度SB ：
在额定控制电流IC和单位磁感应强度B作用下，霍尔器件 输出端开路的霍尔电压VH。
单位为V/ T
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传感器
R1 10k R2 11k
(a) 工作示意图
(b) 电路图
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4.1 霍尔元件
2. 霍尔汽车点火器
传统点火器： 触点开关可靠性差
霍尔汽车点火器： 无触点 磁轮鼓：交替嵌有永久磁铁 磁轮鼓转动时，磁场变化， SL3020输出脉冲信号。
SN S N
SL3020
N
S
E
S
开关管
4.1 霍尔元件
工艺：
外延法制备单晶硅薄膜霍尔元件 InAs薄膜型高灵敏器件
外形结构----霍尔片、四根引线、壳体
b
c
a
b UH R 负L
载
R
d
c a
d
b
(a )外形
c da
(b )结构
(c )符号
E (d )基本电路
a、b线为控制电流端引线，常为红色导线；
c、d为霍尔输出引线，常为绿色导线：
壳体是非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。
一、物理磁阻效应 1、定义
v 缺点:
转换效率低 受磁场影响大
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4.1 霍尔元件
4.1.1 霍尔元件
一、霍尔效应
金属或半导体薄片、磁场、电流 产生电场
原理：
金属：自由电子；半导体：载流子
B
洛仑兹力FL、电场力FL FL＝FE
霍尔电场EH 霍尔电势UH
FL
v FE
霍尔效应示意图
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I UH
二、转速测量
永磁体固定在被测轴上，元件置于磁铁气隙中。
轴转动时，磁场变化，霍尔元件输出UH 变化。
UH
霍 尔 元 件
ω
N
H 0
S
π
2π
θ =ω t(度 )
VH/mV
ω
0
S
N
H
霍尔元件
ωt/弧度
两种传测感量器转基速本原示理意基图础知识
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4.1 霍尔元件
三、功率测量
外加磁场B正比于被测电压U：
K1、K2均为常数，K=RHKNS N
磁轮鼓
SN
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火花 塞
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4.2 半导体磁阻器件
4.2.1 磁阻效应 磁阻效应：
当半导体片受到与电流垂直的B时，出现电流密度下降， 电阻率增大的现象。
将外加磁场使电阻变化的现象称为磁阻效应。
物理磁阻效应 几何磁阻效应
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4.2 半导体磁阻器件
UH正比于被测功率P
适用于直流大功率的测量。
I
R
RL
UB
霍尔元件
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UH 17
4.1 霍尔元件
四、在无损探伤中的应用
S
NS
N
无缺陷磁料中磁力线的分布
有缺陷磁料中磁力线的分布
原理：
有缺陷时，磁力线有部分露出表面； 用霍尔元件检测泄露磁感应强度B的变化；
组成：
磁场激励源、探伤元件、可调整式探头等组成。
0
0.5
1.0
x /l
UH随x的变化曲线
8
4.1 霍尔元件
4.1.2 霍尔元件的结构与特性
敏感结构：霍尔片
d
d
a
b
c （a）体型
a
b
c （b）改进型
d 霍尔片
a
b
绝缘基片 c
（c）薄膜型
图a ：单晶薄片 图b：克服a、b电极短路作用 图c：元件厚度越小，KH越大，薄膜型器件
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第四章
磁敏传感器
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1
第四章 磁敏传感器
磁学量信号
电信号
体型磁敏传感器：霍尔传感器 结型磁敏传感器：磁敏二极管、磁敏三极管 磁电传感器
检测磁场强度：10-14T~25T
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4.1 霍尔元件
霍尔元件的特点：
v 霍尔元件优点:
信噪比大 频率范围宽 无触点 易微型化和集成化
4
4.1 霍尔元件
霍尔电场EH
RH为霍尔系数； I为外加电流； B为磁场强度
霍尔电势UH
KH为灵敏度系数； I为外加电流； B为磁场强度
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4.1 霍尔元件
洛仑兹力
v 若电子都以均一速度- ，那么在 B作用下所受力：
电场力
电场 EH 作用于电子的力：
负号表示电子的受力方向与电场方向相反
4.1 霍尔元件
6. 不等位电势UM： B=0
材料厚度不均、输出电极焊接不良 两个输出电极不在同一等位面。
UM
R
Ic m E
7. 霍尔电压温度系数β： 温度每变化1℃时UH的相对变化率（单位是%/℃）。
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4.1 霍尔元件 4.1.4 霍尔元件应用
一、位移测量
响应快，无接触测量，一般测量微小位移。
B
N
S
I
0
X
S
N
(a) 传感器磁路结构示意图
(b) 磁场变化
磁场梯度dB/dx为常数，即磁场随x线性变化
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X
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4.1 霍尔元件
霍尔元件沿x方向移动时：
K为位移传感器 输出灵敏度
磁场梯度越大，灵敏度越高； 磁场梯度越均匀，输出线性度越好。
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4.1 霍尔元件
(3) 控制电极对UH的短路作用
控制电极的接触面积
对霍尔电势的短路作用
离控制电极越近UH越小，在l/2处UH有最大值。
四、霍尔效应的用途
测量磁场 检测电流 测微小位移、压力、机械振动： 线性梯度磁场
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U (x ) / m V H
200
b/l=4
150
b/l=2
100 b/l=1
50
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4.1 霍尔元件
二、影响霍尔效应的因素：
(1) 磁场与元件法线的夹角 磁场与薄片法线有一夹角α（0至90°）
(2) 元件的几何形状对UH的影响
f(l/b)
1.0
0.5
f(l/b)为形状效应因子
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0 1.0 2.0 3.0 4.0
l/b
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4.1 霍尔元件