磁电式传感器(1)复习进程

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。
二、霍尔元件
霍尔元件的外形如图7-12所示，它是由霍尔片、4根引线和壳 体组成，如图7-12（b）所示。
霍尔元件的壳体上是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。 目前最常用的霍尔元件材料是锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟 （InSb）、砷化铟（InAs）和不同比例亚砷酸铟和鳞酸铟组成 的In（AsyP1-y）型固熔体（其中y表示百分比）等半导体材料。
2．恒定磁通式 工作气隙中的磁通保持不变，而线圈中的感应电势是由于工
作气隙中的线圈相对永久磁铁运动，并切割磁力线产生的，输 出感应电势与相对速度成正比。
（1）磁电式振动传感器 （a)工作原理
磁电式振动传感器由永久磁铁（磁钢）、线圈、弹簧、阻尼 器和壳体等组成，如图7-2所示。它是一种典型的二阶传感器，
出现等量的正电荷。在这两个侧面上产生霍尔电场EH，相应的 电势称为霍尔电势UH。
洛伦兹力FB为
FB evB
v —半导体电子运动的速度；
e —电子的电荷量。
霍尔电场产生的电场力FH为
FH
eEH
eU H w
电流密度 的电流
j ，nenv是单位体积中的载流子数。则流经载流体
I jwd nevwd
将电子速度
霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片（一般为4mm×2mm×0.1mm）， 在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端 引线，通常用红色导线。（其焊接处称为控制电流极（或称激 励电极），要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接 触（无PN结特性）。
在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根 霍尔输出引线，通常用绿色导线。（其焊接处称为霍尔电极， 要求欧姆接触，且电极宽度与基片长度之比要小于0.1，否则 影响输出。 ）
作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。 霍尔电势EH可用下式表示：
EH=KH IB
霍尔效应演示
d a
b c
当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧
偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。
在力FB的作用下，电子向半导体片的一个侧面偏转，在该
侧面上形成电子的积累，而在相对的另一侧面上因缺少电子而
三、霍尔元件的不等位电势和温度误差的补偿
1、不等位电势的产生及其补偿 不等位电势定义：霍尔元件在额定激励电流作用下，不加外
v 代I入式（7-20），则霍尔电势为
newd
UH
IB ned
RH
IB d
KH IB
RH—霍尔系数。系数反映霍尔效应的强弱。 KH—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。
由此可见：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。
当外界磁场强度B和激励电流I中的一个量为常数而另一个为 输入量时，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。
霍尔式传感器特点:
★优点:结构简单、体积小、坚固、频率响应宽（从直流到
微波）、动态范围（输出电动势的变化）大、非接触、使用寿 命长、可靠性高、易于微型化和集成化 。
★缺点：转换率较低、温度影响大、要求转换精度较高时
必须进行温度补偿 。
一、霍尔效应
图7-11所示，一块长为 、l宽为w、厚为d的N型半导体簿 片，位于磁感应强度为B的磁场中，B垂直于 l -w平面。沿l
磁电式传感器(1)
一、工作原理:
根据电磁感应定律，线圈两端的感应电势e正比于匝链线 圈的磁通的变化率，即
e W d
dt Φ—匝链线圈的磁通；W—线圈匝数。
★若线圈在恒定磁场中作直线运动并切割磁力线时，则线
圈两端产生的感应电势e为
e WBl dx sin WBlvsin
dt
B—磁场的磁感应强度；x—线圈与磁场相对运动的位移； v—线圈与磁场相对 运动的速度；θ—线圈运动方向与磁场方向之间的夹角； W—线圈的有效匝 数； l—每匝线圈的平均长度。
可以用一个由集中质量m、集中弹簧K和集中阻尼器C组成的
二阶系统来表示，如图7-3所示。
(b)典型结构 磁电式振动传感器的结构有多种：按活动部件是磁铁还是线
圈又可分为动钢型和动圈型磁电式传感器。
动钢型磁电式传感器
动圈型磁电式传感器
第二节 霍尔式传感器
霍尔式传感器是基于霍尔效应将被测量（如电流、磁场、位 移、压力、压差、转速等）转换成电动势输出的一种传感器。
由上可见：当传感器的结构确定后，B、S、W、l 均为
定值，因此，感应电势e与相对速度v（或 ）成正比。
根据上述基本原理，磁电式传感器可分为两种基本类型 ：变 磁通式；恒定磁通式。
1．变磁通式 永久磁铁与线圈均不动，感应电势是由变化的磁通产生的。
如图7-1所示的转速传感器。
●结构特点：
永久磁铁、线圈和外壳均固定不 动，齿轮安装在被测旋转体轴上。当 齿轮转动时，齿轮与软铁磁轭之间的 气隙距离随之变化，从而导致气隙磁 阻和穿过气隙的主磁通发生变化。
如果磁场方向与半导体簿片法线方向不垂直，其角度为 ，
则霍尔电势为
UH KH IB cos
★霍尔电场阻止电子继续偏转，当电场力FH与磁场力FB相同时，
电子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。
eEH evB
当电子运动的方向与外磁场强度的方向相互垂直时，则有
UH wEH wvB (7-20)
当θ=90o（线圈垂直切割磁力线）时，有：
e WBlv
★若线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线，感应电势为
式中，
e WBS d sin WBS sin
dt
— 旋转运动的相对角速度（
） dd；t
S —每匝线圈的截面积；
θ—线圈平面的法线方向与磁场方 向间的夹角。
●当θ=90o时，可写成: e WBS
通电流I，N型半导体中载流子一电子将受到B产生的洛伦兹力
FB的作用。
霍尔元件的结构及工作原理
半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于 薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上 将产生电动势EH，这种磁感应强度B为零时的情况
磁感应强度B 较大时的情况