,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,6,章,磁敏式传感器,主要内容,6.1,磁电感应式传感器,6.2,霍尔式传感器,知识单元与知识点,电磁感应、霍尔效应的基本概念；,磁电感应式传感器的工作原理、分类（恒磁通式：动圈式和动铁式结构，变磁通式：开磁路和闭磁路结构）、基本特性、测量电路与应用；,霍尔式传感器的工作原理、测量电路与应用；,霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿。,能力点,深入理解电磁感应、霍尔效应的基本概念；,理解磁电感应式传感器的工作原理、分类、基本特性、测量电路；,理解霍尔式传感器的工作原理；,了解霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿；,了解磁电感应式传感器、霍尔式传感器的应用。,重难点,重点：电磁感应、霍尔效应的基本概念，磁敏式传感器工作原理、分类、测量电路，霍尔式传感器的工作原理。,难点：磁敏式传感器的基本特性。,学习要求,熟练掌握电磁感应、霍尔效应的基本概念；,掌握磁电感应式传感器的工作原理、分类、基本特性、测量电路；,掌握霍尔式传感器的工作原理；,了解霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿；,了解磁电感应式传感器、霍尔式传感器的应用。,学习导航,磁电式传感器,对磁场参量（如磁感应强度,、磁通,）敏感、通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换为电信号的器件或装置称为磁敏式传感器,磁电作用主要分为,：,电磁感应,霍尔效应,磁敏式传感器,：,利用电磁感应的磁电感应式传感器,利用霍尔效应的霍尔式传感器,6.1.1,工作原理,电磁感应定律,（法拉第，,1831,）,：当导体在稳定均匀的磁场中，沿着垂直于磁场方向作切割磁力线运动时，导体内将产生感应电势：,如果导体的运动方向与磁场方向成,角呢？,线位移：,角位移：,恒磁通式传感器,磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因此气隙中磁通是恒定不变的。,根据运动部件的不同，分为动圈式和动铁式。,适用于线位移情形。,工作原理,动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的。,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，当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，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近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势。,图（,a,）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，,线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积,。,特点：这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而,不宜测量高转速,。,图,(b),为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。显然，,感应电势的频率与被测转速成正比。,6.1.4,磁电感应式传感器的应用,磁电感应式振动速度传感器,6.2,霍尔式传感器,当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差，这一现象被称为,霍尔效应,。,霍尔效应产生的电动势被称为,霍尔电势,。,霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。,每个电子受到洛伦兹力,大小：,电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在洛伦兹力作用下向里飘移，结果在导电板里底面积累了电子，而外表面积累了正电荷，将形成附加内电场,称为,霍尔电场,E,H,。,在霍尔电场作用下，电子将受到一个与洛仑兹力方向相反的电场力的作用，此力阻止电荷的继续积聚，当在金属体内电子积累达到动态平衡时（电荷不再积聚），电子所受洛仑兹力和电场力大小相等,：,相应的电动势称为,霍尔电势,U,H,：,定义,霍尔灵敏度为,(,表征了一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小,),：,因此有：,在霍尔器件的使用中，电源是一常量,，,而电子在电场中的平均迁移速度为,（是单位电场强度下，电子的平均迁移速度）,:,因此有：,因此有：,所以：,霍尔电势正比于激励电流、电压,Uc,及,及磁感应强度,B,外，,还与材料的迁移率及器件的宽度,b,成正比，与器件长度,成反比。,其灵敏度与霍尔系数,成正比而与霍尔片厚度,成反比。,故常做成薄片状（,0.1,0.2mm),。,灵敏度还与载流子浓度成反比，因金属的自由电子浓度过高，不适于制作霍尔元件；载流子的迁移率对灵敏度也有影响，一般电子迁移率远大于空穴，故,常采用,N,型半导体材料制作。,霍尔元件,霍尔元件的外形、结构和符号,6.2.2,测量电路,可变电阻,R,p,起调节激励电流,I,的作用,6.2.3,霍尔式传感器的应用,微位移的测量,霍尔键盘,键盘是电子计算机的一个重要外围设备，早期的键盘都采用机械接触式，在使用过程中容易产生抖动噪声，系统的可靠性也不高；目前大都采用无触点键盘开关,构造：每个键上都有两小块永久磁铁，键被按下时，磁铁的磁场加在下方的开关型集成霍尔传感器上，形成开关动作,开关型集成霍尔元件的工作十分可靠，功耗低，动作过程中传感器与机械部件之间没有机械接触，使用寿命非常长,电场比例性应用,这类应用利用了磁场强度恒定时，在一定的温度下，霍尔电压与控制电流之间具有很好的线性关系特性。典型的应用是直接测量电流。,乘法类应用,该类应用利用了当霍尔元件的霍尔灵敏度,恒定时，霍尔电压与控制电流及外加磁场的磁感应强度的乘积成正比。如果控制电流为,，,磁感应强度,由励磁电流,产生，则霍尔输出电压为：,