传感器基本原理和应用第七章磁电传感器
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磁电式传感器原理及应用
变磁通式磁电感应传感器一般做成转速传感器，产生感应电动 势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化的频率。 变磁通式转速传感器的结构有开磁路和闭磁路两种。
如图所示开磁路变磁通式转速传感器。 测量齿轮4安装在被测转轴上与其一起 旋转。当齿轮旋转时，齿的凹凸引起 磁阻的变化，从而使磁通发生变化， 因而在线圈3中感应出交变的电势，其 频率等于齿轮的齿数Z和转速n的乘积， 即
(4) 霍尔元件的电阻温度系数α：表示在不施加磁场的条件下， 环境温度每变化1℃时电阻的相对变化率，单位为%/℃。
(5) 霍尔寄生直流电势U0：在外加磁场为零、霍尔元件用交流激
励时，霍尔电极输出除了交流不等位电动势外，还有一直流电势， 称为寄生直流电势。
(6) 霍尔最大允许激励电流Imax：以霍尔元件允许最大温升为限
式中：N为线圈在工作气隙磁场中的匝数；B为工作气隙磁感应 强度；l为每匝线圈平均长度。
当传感器结构参数确定后，N、B和l均为恒定值，E与dx/dt成 正比，根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。
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的；当振动频率远大于固
1.1 恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理
恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感 应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动——线圈切割 磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。
磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度
dx/dt成正比的感应电动势E，其大小为 E NBl dx dt
扭转0角 与感应电动势相位差的关
系为
式中：z为传感0 器z定子、转子的齿
数。
2 霍尔式传感器
如图所示开磁路变磁通式转速传感器。 测量齿轮4安装在被测转轴上与其一起 旋转。当齿轮旋转时，齿的凹凸引起 磁阻的变化，从而使磁通发生变化， 因而在线圈3中感应出交变的电势，其 频率等于齿轮的齿数Z和转速n的乘积， 即
(4) 霍尔元件的电阻温度系数α：表示在不施加磁场的条件下， 环境温度每变化1℃时电阻的相对变化率，单位为%/℃。
(5) 霍尔寄生直流电势U0：在外加磁场为零、霍尔元件用交流激
励时，霍尔电极输出除了交流不等位电动势外，还有一直流电势， 称为寄生直流电势。
(6) 霍尔最大允许激励电流Imax：以霍尔元件允许最大温升为限
式中：N为线圈在工作气隙磁场中的匝数；B为工作气隙磁感应 强度；l为每匝线圈平均长度。
当传感器结构参数确定后，N、B和l均为恒定值，E与dx/dt成 正比，根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。
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的；当振动频率远大于固
1.1 恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理
恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感 应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动——线圈切割 磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。
磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度
dx/dt成正比的感应电动势E，其大小为 E NBl dx dt
扭转0角 与感应电动势相位差的关
系为
式中：z为传感0 器z定子、转子的齿
数。
2 霍尔式传感器
传感器原理7磁电式传感器课件
。
02
磁电式传感器基础知识
磁电式传感器的工作原理
磁电式传感器是通过磁场感应原理来检测物理量的传感器。 当被测物体（如金属）接近传感器时，会在传感器线圈中产 生感应电动势，从而实现对被测物体的检测。
磁电式传感器通常由线圈和磁铁组成，当被测物体接近线圈 时，会引起线圈中磁通量的变化，进而产生感应电动势。
07
案例分析：某型号磁电式 传感器的应用与性能分析
应用场景介绍
工业自动化生产线
用于检测生产线上的物体运动速度和位置，实现自动化控制。
汽车安全系统
用于检测汽车发动机和传动系统的工作状态，保障行车安全。
物流分拣系统
用于识别包裹上的条形码和地址信息，实现快速分拣和配送。
传感器性能测试与分析
灵敏度测试
测量误差大
可能是由于传感器老化、参数设置错 误或环境干扰导致，需要进行校准和 检查。
无信号输出
可能是传感器损坏或电源故障导致， 需更换传感器或检查电源。
温度漂移
由于温度变化导致传感器测量值发生 变化，需要进行温度补偿或更换更高 品质的传感器。
06
磁电式传感器的发展趋势 与展望
新材料在磁电式传感器中的应用
优化设计方法
采用有限元分析、仿真软件等工具进行优化设计，提高传感器性能 。
磁电式传感器的材料选择
材料要求
根据传感器的工作原理和 应用环境，选择具有高磁 导率、高电阻率、低损耗 等特性的材料。
常用材料
如坡莫合金、硅钢等软磁 材料，以及导电材料如铜 、铝等。
材料性能比较
对不同材料的性能进行比 较，选择最适合的材料组 合，以提高传感器性能。
误差分析
分析传感器在使用过程中出现的误差来源，提出减小误差 的方法。
02
磁电式传感器基础知识
磁电式传感器的工作原理
磁电式传感器是通过磁场感应原理来检测物理量的传感器。 当被测物体（如金属）接近传感器时，会在传感器线圈中产 生感应电动势，从而实现对被测物体的检测。
磁电式传感器通常由线圈和磁铁组成，当被测物体接近线圈 时，会引起线圈中磁通量的变化，进而产生感应电动势。
07
案例分析：某型号磁电式 传感器的应用与性能分析
应用场景介绍
工业自动化生产线
用于检测生产线上的物体运动速度和位置，实现自动化控制。
汽车安全系统
用于检测汽车发动机和传动系统的工作状态，保障行车安全。
物流分拣系统
用于识别包裹上的条形码和地址信息，实现快速分拣和配送。
传感器性能测试与分析
灵敏度测试
测量误差大
可能是由于传感器老化、参数设置错 误或环境干扰导致，需要进行校准和 检查。
无信号输出
可能是传感器损坏或电源故障导致， 需更换传感器或检查电源。
温度漂移
由于温度变化导致传感器测量值发生 变化，需要进行温度补偿或更换更高 品质的传感器。
06
磁电式传感器的发展趋势 与展望
新材料在磁电式传感器中的应用
优化设计方法
采用有限元分析、仿真软件等工具进行优化设计，提高传感器性能 。
磁电式传感器的材料选择
材料要求
根据传感器的工作原理和 应用环境，选择具有高磁 导率、高电阻率、低损耗 等特性的材料。
常用材料
如坡莫合金、硅钢等软磁 材料，以及导电材料如铜 、铝等。
材料性能比较
对不同材料的性能进行比 较，选择最适合的材料组 合，以提高传感器性能。
误差分析
分析传感器在使用过程中出现的误差来源，提出减小误差 的方法。
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
传感器原理及应用第7章-磁电式传感器概要
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
❖ 磁电式扭距传感器：
当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应 电压u1、u2存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比， 传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。
齿型转盘
u
转轴
磁电传感器1
u1
磁电传感器2
➢随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化， 微型化和集成化方向发展。
第7章 概述
磁电式传感器
传感器原理及应用
➢ 霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电
转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。 ➢随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展， 广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等 方面的电磁、压力、加速度、振动测量。 ➢ 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。
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）
动圈型
动钢型 恒磁通式
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
❖ 动圈式振动速度传感器
磁
电
学 量
磁敏传感器
信 号
第7章 磁电式传感器
7.2 霍尔式传感器 7.2.1 霍尔效应
传感器原理及应用
➢1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为 太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体 材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传 感器是基于霍尔效应
第7章 磁电式传感器PPT课件
（2）输入电阻 Ri
控制电极间的电阻值（20±5℃）
输出电阻 R0
指霍尔电极间的电阻值
IH UH Ri
Ro
(3）不等位电势和不等位电阻
• 当霍尔元件的激励电流为I时，若
元件所处位置磁感应强度为零，
此时测得的空载霍尔电势。
• 不等位电势就是激励电流经不等
位电阻所产生的电压。 (4） 寄生直流电势
r0
U0 I
一般分为两种： 磁电感应式: 利用导体和磁场发生相对运动产生感应电势 霍尔式: 载流半导体在磁场中有电磁效应(霍尔效应)而输出电
势
第7章 磁电式传感器 7.1.1 磁电感应式传感器工作原理
以电磁感应原理为基础的，根据电磁感应定律，线圈两端 的感应电动势正比于线圈所包围的磁链对时间的变化率，即
e W d
– 对KHI乘积项同时进初行始补状偿态。：采KH用0,R恒i0流, 源I与H 0输入Ri回0RP路0RI并P0 联电阻 。
Ip
IH
温度变化后：Ri Ri0 (1 T ) Rp Rp0 (1 T )
Rp Is
UH
IH
RpIs Rp Ri
Rp0(1 T )Is Rp0(1 T ) Ri0(1 T )
要使
UH0=UH 即 KH0IH0B=KHIHB
图7-14 恒流温度补偿电路
Rp0
(
)Ri0
第7章 磁电式传感器
具有温度补偿的补偿电路
• 右图是一种常见的具有温度补偿 的不等位电势补偿电路。该补偿 电路本身也接成桥式电路，其工 作电压有霍尔元件的控制电压提 供；其中一个为热敏电阻Rt，并 且于霍尔元件的等效电阻的温度 特性相同。
第7章 磁电式传感器
磁电感应式传感器工作原理
1.
图 7 - 5 是动圈式振动速度传感器结构示意图。 其结构主 要由钢制圆形外壳制成, 里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外 壳固定成一体, 永久磁铁中间有一小孔, 穿过小孔的芯轴两端 架起线圈和阻尼环, 芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳 相连。
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
（7 - 13）
EH=
IB bdae
（7 -14）
第7章 磁电式传感器将上源自代入式（7 - 10）得UH =
IB ned
（7 -15）
式中令RH =1/（ne）, 称之为霍尔常数, 其大小取决于导
体载流子密度，则
UH =RH
IB d
K
HIB
（7 - 16）
式中KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。由式（7 - 16）可见, 霍尔
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
7.1
磁电感应式传感器又称磁电式传感器, 是利用电磁感应 原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的 一种传感器。 它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量 转换成易于测量的电信号, 是有源传感器。由于它输出功率 大且性能稳定, 具有一定的工作带宽（10～1000 Hz）, 所以 得到普遍应用。
但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小, 温 度系数也较小, 输出特性线性度好。 表 7 - 1 为常用国产霍尔 元件的技术参数。
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
2. 霍尔元件基本结构
霍尔元件的结构很简单, 它由霍尔片、 引线和壳体组成, 如图 7 - 9(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′两根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。 在电 路中霍尔元件可用两种符号表示，如图7- 9(b)所示。
图 7 - 5 是动圈式振动速度传感器结构示意图。 其结构主 要由钢制圆形外壳制成, 里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外 壳固定成一体, 永久磁铁中间有一小孔, 穿过小孔的芯轴两端 架起线圈和阻尼环, 芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳 相连。
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
（7 - 13）
EH=
IB bdae
（7 -14）
第7章 磁电式传感器将上源自代入式（7 - 10）得UH =
IB ned
（7 -15）
式中令RH =1/（ne）, 称之为霍尔常数, 其大小取决于导
体载流子密度，则
UH =RH
IB d
K
HIB
（7 - 16）
式中KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。由式（7 - 16）可见, 霍尔
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
7.1
磁电感应式传感器又称磁电式传感器, 是利用电磁感应 原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的 一种传感器。 它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量 转换成易于测量的电信号, 是有源传感器。由于它输出功率 大且性能稳定, 具有一定的工作带宽（10～1000 Hz）, 所以 得到普遍应用。
但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小, 温 度系数也较小, 输出特性线性度好。 表 7 - 1 为常用国产霍尔 元件的技术参数。
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
2. 霍尔元件基本结构
霍尔元件的结构很简单, 它由霍尔片、 引线和壳体组成, 如图 7 - 9(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′两根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。 在电 路中霍尔元件可用两种符号表示，如图7- 9(b)所示。
磁电式传感器的工作原理
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。
磁电感应式传感器的应用课件
工作原理
磁电感应式传感器通过磁场的变 化来感应被测物体的状态或变化 ，并将感应信号转换为电信号输 出，以供后续处理或控制使用。
类型与特点
类型
磁电感应式传感器有多种类型，如霍 尔传感器、磁阻传感器、磁通门传感 器等。
特点
磁电感应式传感器具有高灵敏度、高 分辨率、低噪声、长寿命等优点，同 时对温度、湿度等环境因素具有较强 的适应性。
04
磁电感应式传感器的优势与局限 性
优势分析
高灵敏度与分辨率
磁电感应式传感器能够精确地 检测微弱磁场变化，适用于对
微小信号有高要求的场合。
快速响应
由于其工作原理，磁电感应式 传感器能够迅速响应磁场变化 ，适合动态测量。
宽测量范围
通过调整设计参数，磁电感应 式传感器可以覆盖很宽的磁场 范围，满足多种应用需求。
磁电感应式传感器能够测量磁场强度 和方向，常用于地质勘查、机、发电机等设备的运行过程中 ，磁电感应式传感器可以检测磁场变 化，确保设备正常运行。
电机与发电机控制
电机控制
磁电感应式传感器可用于控制电机的启动、停止、正反转等操作，提高电机运行效率和稳定性。
发电机调节
柱形线圈等，以满足不同测量范围和精度要求。
磁路结构设计
02
优化磁路结构，减小磁阻，提高磁场利用率，从而提高传感器
的灵敏度和线性度。
封装与防护设计
03
考虑传感器的封装和防护设计，以提高其环境适应性和使用寿
命。
性能提升与改进
信号处理与放大
采用适当的信号处理电路和放大 器，对传感器输出信号进行放大 和滤波，以提高信号质量和测量 精度。
信号处理与
信号处理电路
磁电感应式传感器输出的感应电动势信号非常微弱，需要通过信号处理电路进行 放大、滤波等处理，以便更好地进行测量和输出。
磁电感应式传感器通过磁场的变 化来感应被测物体的状态或变化 ，并将感应信号转换为电信号输 出，以供后续处理或控制使用。
类型与特点
类型
磁电感应式传感器有多种类型，如霍 尔传感器、磁阻传感器、磁通门传感 器等。
特点
磁电感应式传感器具有高灵敏度、高 分辨率、低噪声、长寿命等优点，同 时对温度、湿度等环境因素具有较强 的适应性。
04
磁电感应式传感器的优势与局限 性
优势分析
高灵敏度与分辨率
磁电感应式传感器能够精确地 检测微弱磁场变化，适用于对
微小信号有高要求的场合。
快速响应
由于其工作原理，磁电感应式 传感器能够迅速响应磁场变化 ，适合动态测量。
宽测量范围
通过调整设计参数，磁电感应 式传感器可以覆盖很宽的磁场 范围，满足多种应用需求。
磁电感应式传感器能够测量磁场强度 和方向，常用于地质勘查、机、发电机等设备的运行过程中 ，磁电感应式传感器可以检测磁场变 化，确保设备正常运行。
电机与发电机控制
电机控制
磁电感应式传感器可用于控制电机的启动、停止、正反转等操作，提高电机运行效率和稳定性。
发电机调节
柱形线圈等，以满足不同测量范围和精度要求。
磁路结构设计
02
优化磁路结构，减小磁阻，提高磁场利用率，从而提高传感器
的灵敏度和线性度。
封装与防护设计
03
考虑传感器的封装和防护设计，以提高其环境适应性和使用寿
命。
性能提升与改进
信号处理与放大
采用适当的信号处理电路和放大 器，对传感器输出信号进行放大 和滤波，以提高信号质量和测量 精度。
信号处理与
信号处理电路
磁电感应式传感器输出的感应电动势信号非常微弱，需要通过信号处理电路进行 放大、滤波等处理，以便更好地进行测量和输出。
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敏度。利用这一特性，霍尔元件可直接用于测量电流或激
励源电压，也可以用于测量能转换为电流的其他物理量。
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
传感器
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传。感器基本原理和应用第七章磁电
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传的感器压基本力原理、和应加用第速七章度磁电、振动等非电量的测
量。
传感器
3．UH—IB 特性
利用UH 与IB 的乘积关系，霍尔元件可作成乘法器， 当控制电流I 和磁场B 为同一电源激励时，可利用霍尔元
件进行电源输出功率的测量。
4．开关特性
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）
传感器基本原理和应用第七章磁电 传感器
令
KH
RH d
fHbL
则（7－2）改写为
UH KHIB
，称之为霍尔元件灵敏度， （7－3）
第七章 磁电传感器
第一节 霍尔传感器
一、霍尔效应
二、霍尔元件的基本特性
三、测量电路
四、误差及其补偿
五、集成霍尔传感器
六、霍尔传感器的应用
第二节 磁敏电阻
一、磁阻效应
二、磁敏电阻的基本特性
三、磁敏电阻的应用
第三节 磁敏二极管和磁敏三极管
一、磁敏二极管
二、磁敏三极管 传感器基本原理和应用第七章磁电
三、磁敏管的应用
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、传陶感器瓷基本或原理环和应氧用第树七章脂磁电封装而成。
霍尔元件霍尔效应的建立时间极短（10－12～10－14 S），适宜于作高频信号的检测或无触点开关，利用这一 特性，霍尔元件可用于制作计数器或转速计。
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。
传感器基本原理和应用第七章磁电 传感器
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
FE 表示该霍尔电场的电场力；当霍尔电场力FE 与洛伦兹 力FL 相等时，电荷积累达到动态平衡。
FE=qEH=Uh / b
F L q v F B E q U hb /
I=-nqvbd
传感器基本原理和应用第七章磁电 传感器
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）
传感器
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。
霍尔元件在控制电流I=0或磁场B=0时出现的霍尔电压 ΔUH ，称之为零位误差。引起零位误差的原因主要有如下
三个因素。 （1）直流寄生电势
霍尔元件控制电流或霍尔电压两引线电极焊点大小不 等、热容量不同,或接触不良、欧姆电阻大小不等，因而 引起温差电势。提高电极焊点结构上的对称性，保持电极
引线接触良好，且散热条件相同，可以减小这种直流寄生
传感器
常用半导体材料的特性
传感器基本原理和应用第七章磁电 传感器
传感器基本原理和应用第七章磁电 传感器
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
当KH 和B 为定值时，在一定的温度下，霍尔电压UH 与控制电流I 有较好的线性关系，此时I 对UH 有较高的灵
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 ，
其大小为
FL qv B(7-Fra bibliotek)式中q 为电子的电荷量， FL 方向符合左手掌定则, 运动电子在洛伦兹力FL 的作用下，电子以抛物线形式向一
侧运动，致使在霍尔元件的两长边积累起等量的正、负电 荷，形成霍尔电场，该电场对随后的电子施加一电场力FE
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。
（a）线性型 传感器基本原理和应用第七章磁电
（b）开关型
图7－4 霍尔传感元器件测量电路
传感器基本原理和应用第七章磁电 传感器
传感器基本原理和应用第七章磁电 传感器
四、误差及其补偿
1．零位误差及其补偿
电势。 （2）寄生感应电势
当控制电流I 为交变电流时,此电流形成的交变磁场
传感器基本原理和应用第七章磁电 传感器
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。
图7－传感1器基霍本原尔传理感和效器应用应第原七章理磁电图
励源电压，也可以用于测量能转换为电流的其他物理量。
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
传感器
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传。感器基本原理和应用第七章磁电
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传的感器压基本力原理、和应加用第速七章度磁电、振动等非电量的测
量。
传感器
3．UH—IB 特性
利用UH 与IB 的乘积关系，霍尔元件可作成乘法器， 当控制电流I 和磁场B 为同一电源激励时，可利用霍尔元
件进行电源输出功率的测量。
4．开关特性
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）
传感器基本原理和应用第七章磁电 传感器
令
KH
RH d
fHbL
则（7－2）改写为
UH KHIB
，称之为霍尔元件灵敏度， （7－3）
第七章 磁电传感器
第一节 霍尔传感器
一、霍尔效应
二、霍尔元件的基本特性
三、测量电路
四、误差及其补偿
五、集成霍尔传感器
六、霍尔传感器的应用
第二节 磁敏电阻
一、磁阻效应
二、磁敏电阻的基本特性
三、磁敏电阻的应用
第三节 磁敏二极管和磁敏三极管
一、磁敏二极管
二、磁敏三极管 传感器基本原理和应用第七章磁电
三、磁敏管的应用
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、传陶感器瓷基本或原理环和应氧用第树七章脂磁电封装而成。
霍尔元件霍尔效应的建立时间极短（10－12～10－14 S），适宜于作高频信号的检测或无触点开关，利用这一 特性，霍尔元件可用于制作计数器或转速计。
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
FE 表示该霍尔电场的电场力；当霍尔电场力FE 与洛伦兹 力FL 相等时，电荷积累达到动态平衡。
FE=qEH=Uh / b
F L q v F B E q U hb /
I=-nqvbd
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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）
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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。
霍尔元件在控制电流I=0或磁场B=0时出现的霍尔电压 ΔUH ，称之为零位误差。引起零位误差的原因主要有如下
三个因素。 （1）直流寄生电势
霍尔元件控制电流或霍尔电压两引线电极焊点大小不 等、热容量不同,或接触不良、欧姆电阻大小不等，因而 引起温差电势。提高电极焊点结构上的对称性，保持电极
引线接触良好，且散热条件相同，可以减小这种直流寄生
传感器
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
当KH 和B 为定值时，在一定的温度下，霍尔电压UH 与控制电流I 有较好的线性关系，此时I 对UH 有较高的灵
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 ，
其大小为
FL qv B(7-Fra bibliotek)式中q 为电子的电荷量， FL 方向符合左手掌定则, 运动电子在洛伦兹力FL 的作用下，电子以抛物线形式向一
侧运动，致使在霍尔元件的两长边积累起等量的正、负电 荷，形成霍尔电场，该电场对随后的电子施加一电场力FE
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。
（a）线性型 传感器基本原理和应用第七章磁电
（b）开关型
图7－4 霍尔传感元器件测量电路
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四、误差及其补偿
1．零位误差及其补偿
电势。 （2）寄生感应电势
当控制电流I 为交变电流时,此电流形成的交变磁场
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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。
图7－传感1器基霍本原尔传理感和效器应用应第原七章理磁电图