傳感器原理及應(yīng)用第7章磁電式傳感器

1、 主要內(nèi)容： 7.1 7.1 磁電感應(yīng)式傳感器 7.2 7.2 霍爾式傳感器 7.3 7.3 磁敏傳感器 磁電式傳感器 機(jī)械能 電 量 磁電傳感器 電感式傳感器是把被測 量轉(zhuǎn)換成電感量的變化， 磁電式傳感器通過檢測 磁場的變化測量被測量。 d eN d t 0 eBlN 電壓靈敏度： 0 / U SVc ms 由 磁電式傳感器靈敏度： 0 eN Blvsv 0 SN Bl 0 / I I SAc ms v 電流靈敏度: : 根據(jù)以上原理有兩種磁電感應(yīng)式傳感器： 恒磁通式：磁路系統(tǒng)恒定磁場，運(yùn)動(dòng)部件 可以是線圈也可以是磁鐵。 變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動(dòng)， 轉(zhuǎn)動(dòng)物體引起磁阻、磁通變化。 恒磁通式

2、 變磁通式（a）開磁路 （b）閉磁路 變磁通式 開磁路閉磁路 動(dòng)鋼型動(dòng)圈型 恒磁通式 磁電感應(yīng)式傳感器 通常用來做機(jī)械振動(dòng) 測量。振動(dòng)傳感器結(jié) 構(gòu)大體分兩種： 動(dòng)鋼型（線圈與 殼體固定） 動(dòng)圈型（永久磁 鐵與殼固定） （線圈隨被測物體運(yùn)動(dòng)） 1-1-彈簧片 2-2-阻尼環(huán) 3-3-磁鐵 4-4-鋁支架 5-5-芯軸 6-6-線圈 v 動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器 輸出不從零開始，從 Va Va 開始 V V Va Va 必需克服靜摩擦力, , 才能相對運(yùn)動(dòng)； V Vc V Vc 慣性太大超過范圍 振動(dòng)傳感器輸出特性 esv 磁鐵與線圈之間相對運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度接近振動(dòng)速度， 磁路氣隙中的線圈切割磁力線，產(chǎn)

3、生于正比振動(dòng)速度 的感應(yīng)電動(dòng)勢 ： ev 電動(dòng)勢正比與振動(dòng)速度 0 eB lN n 信號(hào)輸出送測量電路 直接輸出電動(dòng)勢測量速度； 接入積分電路測量位移； 接入微分電路測量加速度。 esv xvt dv a dt v 積分電路輸出測量位移 0 1 ( ) i utu d t R C If CIf C Ii RIi R UiUi U U0 0 - - + + xvt 0i utu dtx esv i uev 0UU / ifi IIuR理想情況 設(shè)電容C C上初始電壓為零，U U（0 0）=0=0 則有： 因?yàn)?0 0 1 ( )(0) t utuidt C 電容上電壓在t=0t=0以后 v 微分

4、電路輸出測量加速度 0 ( ) i ff du uti RRC dt I If f Rf Rf Ic CIc C UiUi U U0 0 - - + + 0UU cf II 理想情況 i c du ic dt 因?yàn)?esv dv a dt i uev 0 i dudv aut dtdt v 磁電式扭距傳感器： 當(dāng)扭距作用在轉(zhuǎn)軸上時(shí)，兩個(gè)磁電傳感器輸出的感應(yīng) 電壓u u1 1、u u2 2存在相位差，相差與扭距的扭轉(zhuǎn)角成正比， 傳感器可以將扭距引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號(hào)。 轉(zhuǎn)軸 測量電路 磁電傳感器1 1磁電傳感器2 2 齒型轉(zhuǎn)盤 u u1 1 u u2 2 u u 磁電式振動(dòng)傳感器的特點(diǎn)

5、： 磁電式振動(dòng)傳感器是慣性式傳感器，不需要靜止的基準(zhǔn) 參考，可直接裝在被測體上。 傳感器是發(fā)電型傳感器，工作時(shí)可不加電壓，直接將機(jī) 械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。 速度傳感器的輸出電壓正比于速度信號(hào) ，便于 直接放大。 輸出阻抗低幾十幾千歐，對后置電路要求低，干擾小。 v航空，發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)； v兵器，坦克、火炮發(fā)射的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間影響第二次發(fā)射； v民用，機(jī)床、車輛、建筑、橋梁、大壩振動(dòng)監(jiān)測。 uv Hall effect multiplier 實(shí)際應(yīng)用中 磁敏元件主要用 于檢測磁場，而 與人們相關(guān)的磁 場范圍很寬，一 般的磁敏傳感器 檢測的最低磁場 只能到 高斯。 6 10 磁場強(qiáng)度與磁場源的

6、分布 測磁的方法： 利用電磁感應(yīng)作用的傳感器（強(qiáng)磁場）如： 磁頭、機(jī)電設(shè)備、測轉(zhuǎn)速、磁性標(biāo)定、差動(dòng)變壓器； 利用磁敏電阻、磁敏二極管、霍爾元件測量磁場； 利用磁作用傳感器，磁針、表頭、繼電器； 利用超導(dǎo)效應(yīng)傳感器，SQVID SQVID 約瑟夫元件； 利用核磁共振的傳感器，有光激型、質(zhì)子型。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，磁敏傳感器正向薄膜化， 微型化和集成化方向發(fā)展。 磁敏傳感器 磁學(xué)量 電信號(hào) 把一個(gè)導(dǎo)體（半導(dǎo)體薄片）兩端通以電 流I I，在垂直方向施加磁感強(qiáng)度B B的磁場， 在薄片的另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與控制電流 I I和磁場強(qiáng)度B B的乘積成比例的電動(dòng)勢 。 或通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）放在磁場中，

7、電流I I與磁場B B方向垂直，在導(dǎo)體另外兩側(cè) 會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。 H U 18781878年美國物理學(xué)家霍爾首先發(fā)現(xiàn)金屬中的霍爾效應(yīng)，因?yàn)?太弱沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體 材料的霍爾效應(yīng)非常明顯，并且體積小有利于集成化?；魻杺?感器是基于霍爾效應(yīng) 在磁場作用下導(dǎo)體中的自由電子做定向運(yùn)動(dòng)。 每個(gè)電子受洛侖茲力作用被推向?qū)w的另一側(cè)： L Fe B H H U E b 霍爾電場 HH FeE 霍爾電場作用于電子的力 當(dāng)兩作用力相等時(shí)電荷不再 向兩邊積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡： HL FF H eEe B Ine bd 通過（半）導(dǎo)體薄片的電流I與下列因素有關(guān)：

8、載流子濃度n，電子運(yùn)動(dòng)速度v，導(dǎo)體薄片橫截面積 b*d， e 為電子電荷量。 H UBb 霍爾電勢： H H U E b 代入后： HHH IBIB UBbRKIB nedd 1 H R ne H H R K d 與薄片尺寸有關(guān) 與材料有關(guān) 霍爾靈敏度 霍爾常數(shù) 式中：電阻率、n n電子濃度 電子遷移率=/E=/E 單位電場強(qiáng)度作用下載流子運(yùn)動(dòng)速度。 霍爾電勢與電 流和磁場強(qiáng)度 的乘積成正比 討論： 任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不是都可 以制造霍爾元件; ; 絕緣材料電阻率很大，電子遷移率很小，不適用； 金屬材料電子濃度n n很高，R RHH很小，U UH H很小; ; 半導(dǎo)體材料

9、電阻率較大 R RH H大，非常適于做霍爾元件， 半導(dǎo)體中電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以霍爾 元件多采用 N N 型半導(dǎo)體（多電子）; ; 由上式可見，厚度d d越小，霍爾靈敏度 K KHH 越大， 所以霍爾元件做的較薄，通常近似1 1微米(d1(d1m)m) 。 H H R K d 1 H R ne HH UKIB 霍爾晶體的外形為矩形薄片有四根引線， 兩端加激勵(lì)，兩端為輸出，RLRL為負(fù)載電阻 ； 電源E E通過R R控制激勵(lì)電流I I； B B 磁場與元件面垂直（向里） 實(shí)測中可把I I* *B B作輸入， 也可把I I或B B單獨(dú)做輸入； 通過霍爾電勢輸出測量結(jié)果。 輸出UoUo

10、與I I或B B成正比關(guān)系，或與I I* *B B成正比關(guān)系。 (1)(1)不等位電勢 當(dāng)霍爾元件通以激勵(lì)電流I I時(shí)，若磁場B=0B=0， 理論上霍爾電勢U UH H=0,=0,但實(shí)際U UH H00，這時(shí)測得的 空載電勢稱不等位電勢 U U0 0 。 產(chǎn)生的原因： 霍爾引出電極安裝不對稱不在 同一等位面上，或激勵(lì)電極接 觸不良。 半導(dǎo)體材料不均勻，幾何尺 寸不均勻，造成電阻率不均 勻。 HH UKIB (1)(1)不等位電勢 不等位電勢的補(bǔ)償： 不等位電勢可表示為 U U0 0 = r = r0 0 I IH H r r0 0不等位電阻 分析不等位電勢時(shí)可 把霍爾元件等效為一 個(gè)電橋，不等

11、位電壓 相當(dāng)于橋路初始有不 平衡輸出U U0 000，可在 電阻大的橋臂上并聯(lián) 電阻。 (2)(2)溫度誤差及補(bǔ)償 霍爾元件是半導(dǎo)體元件，它的許多參數(shù)與溫度有關(guān)。 當(dāng)溫度T T變化時(shí)，載流子濃度n n、遷移率、電阻率， 霍爾系數(shù) R RH H 都會(huì)變化。以下是幾種補(bǔ)償方法： 恒流源補(bǔ)償： 由 U UH H = K= KH H I BI B 可見恒流源I I供電可使U UH H穩(wěn)定， 但靈敏度系數(shù) K KH H = R = RHH/d = /d /d = /d 也是溫度的函數(shù)： T T ，溫度T T變化時(shí)靈敏度K KH H也變化。 多數(shù)霍爾器件是正溫度系數(shù)，T KT KH H ，可通過減小I I

12、保 持 K KH H * * I I 不變，抵消溫度造成K KH H增加的影響。 00 0 1()1 H tHH KKttKT (2)(2)溫度誤差及補(bǔ)償 u具體補(bǔ)償方法: :在霍爾元件上并聯(lián)一電阻 Rp Rp 分流， I IH HU UH H R RiNiN當(dāng)T TI IP P U UH H RpRp 自動(dòng)加強(qiáng)分流，使Ip Ip 增大， I IH H 下降，U UH H下降； 補(bǔ)償電阻 Rp Rp 可選擇負(fù)溫度系數(shù). . I IH H R RP PT TI IP P U UH H (1)(1)位移測量 (2)(2)測轉(zhuǎn)速 (3)(3)計(jì)數(shù)裝置( (導(dǎo)磁產(chǎn)品) ) 檢缺口 檢齒 磁 場 測 量

13、 霍爾元件符號(hào) 霍爾傳感器位移測量原理 霍爾壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理 線性霍爾集成電路( (測位移、測振動(dòng)) ) 輸出電壓在一定范圍與磁感應(yīng)強(qiáng)度B B成線性關(guān)系 四端輸出 開關(guān)型集成器件( (測轉(zhuǎn)速、開關(guān)控制、判斷N SN S極性) ) 輸出兩種狀態(tài)H H、L L，高低電平轉(zhuǎn)換的磁場強(qiáng)度B B不同 B B、B B形成切換回差, ,這是位置式作用傳感器的特點(diǎn), , 作無觸點(diǎn)開關(guān)時(shí)可防止干擾引起的誤動(dòng)作 。 分為常開、常閉型兩種 形成切換回 差 霍爾開關(guān)元件性能演示動(dòng)畫 集成霍爾元件 集成霍爾元件 接口電路 應(yīng)用 ：無觸點(diǎn)開關(guān) 應(yīng)用 ：交直流鉗形數(shù)字電流表 環(huán)形磁集束器作用是將載流導(dǎo) 體中被測電流產(chǎn)生的

14、磁場集中到霍 爾元件，以提高靈敏度。 霍爾元件靈敏度 控制電流c 霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度與導(dǎo)線電 流 I x 成正比， B Ix ，由測量電 路求出霍爾輸出電勢： H = KHc B = KHc KB Ix KB為比例系數(shù), KHc KB 一定 霍爾元件 磁集束器 導(dǎo)線電流 Ix 鉗口 應(yīng)用 ： 應(yīng) 用 ： 應(yīng)用 ：天然氣點(diǎn)火電路（無觸點(diǎn)開關(guān)） 高壓 線圈 應(yīng)用 ：霍爾計(jì)數(shù)裝置 N S 霍爾元件 鋼珠 絕緣傳送帶 磁鋼 信號(hào)輸出 n 磁敏元件也是基于磁電轉(zhuǎn)換原理,60,60年代西門子公司 研制了第一個(gè)磁敏元件,68,68年索尼公司研制成磁敏二極管, , 目前磁敏元件應(yīng)用廣泛。 磁 敏 元 件 磁

15、敏傳感器主要有： 磁敏電阻； 磁敏二極管； 磁敏三極管； 霍爾式磁敏傳感器。 磁阻效應(yīng)： 22 0 (10.273) B B 由于霍爾電場作用會(huì)抵消洛倫茲力, ,磁阻效應(yīng)被大大減弱, , 但仍然存在。磁阻元件的電阻率與形狀有關(guān)： 長方形樣品 扁條狀長形 圓盤樣品 電阻變化很小 磁阻變化明顯 不產(chǎn)生霍爾電場 H H U E b H H U E b v 磁敏電阻與霍爾元件屬同一類, ,都是磁電轉(zhuǎn)換元件, ,本 質(zhì)不同是磁敏電阻沒有判斷極性的能力, ,只有與輔助材料 ( (磁鐵) )并用才具有識(shí)別磁極的能力. . 磁敏電阻的輸出特性 例：磁阻圖形識(shí)別傳感器BS05A1HFAABS05A1HFAA檢測

16、電路， 工作電壓5V5V，輸出0.30.30.8v0.8v，被測物體3mm3mm，可測 磁性齒輪，磁性墨水，磁性條形碼，磁帶，識(shí)別有 機(jī)磁性（自動(dòng)售貨機(jī)）。 磁敏電阻的應(yīng)用 無偏置磁場時(shí), ,檢測磁 場不能判別磁性；輸出弱 磁場時(shí)磁阻與磁場關(guān)系： R = RR = R0 0（1+MB21+MB2） R R0 0 零磁場內(nèi)阻，M M 零磁場系數(shù)； 外加偏置磁場時(shí)，相當(dāng) 在檢測磁場外加了偏置磁 場，工作點(diǎn)移到線性區(qū)， 磁極性也作為電阻值變化 表現(xiàn)出來，這時(shí)電阻值的 變化為 R = RR = RB B（1+MB1+MB） R RB B 加偏置磁場電阻 偏置磁鐵 R RM M （1 1）磁敏二極管（鍺

17、管2ACM,硅管2DCM） 特點(diǎn)：長“基區(qū)” PIPI為摻雜區(qū)，本征區(qū)I I長度較長構(gòu)成高阻半導(dǎo)體； 工作過程：磁敏二極管在長“基區(qū)”的一側(cè)面設(shè)置了復(fù)合區(qū)r r，r r面是個(gè) 粗糙面截流子復(fù)合速度非常高，r r區(qū)對面是復(fù)合率很小的光滑面。 外加正向電壓時(shí)，同時(shí)注入I I區(qū)。 v無磁場 B=0 B=0 時(shí)，大部分P P區(qū)空穴N N電子形成電流； v加正向磁場 B B，由于洛侖磁力作用，空穴電子偏向r r區(qū)，并在r r區(qū)很快 復(fù)合 ，I I區(qū)載流子減小 ，電流減小 ，壓降增加 ； v加反向磁場 B B，空穴電子偏向r r區(qū)對面，復(fù)合減少 ，I I區(qū)載流子增加 ， 電阻減小 電流增加 ，壓降減小 。

18、 （1 1）磁敏二極管（鍺管2ACM,硅管2DCM） 在正向磁場 作用下電阻大 ，電流小 在負(fù)向磁場 作用下電阻小 ，電流大 在磁場作用下，磁敏二極管靈敏度大大提高。 輸出電壓與外加磁場的關(guān)系叫磁敏二極管的磁電特性， 具有正反磁靈敏度，這是磁阻元件欠缺的。但正向磁靈敏度 大于反向磁靈敏度，需互補(bǔ)使用，對臂相同、臨臂相反。 UU B B E E D1D1D2D2 D3D3D4D4 U U0 0 （2 2）磁敏三極管 以鍺管NPNNPN型為例： 磁敏三極管也是以長基區(qū)為特征， 有兩個(gè)PNPN結(jié)，發(fā)射極與基極之間的PN PN 結(jié)由長基區(qū)二極管構(gòu)成，有一個(gè)高復(fù) 合區(qū)，集電極電流大小與磁場有關(guān)。 v加正向磁場 B B，載流子偏向高復(fù)合區(qū)，集電極電流減?。?v加反向磁場 B B，載流子背向高復(fù)合區(qū)，集電極電流IcIc增加； v當(dāng)基極電流一定，靠外加磁場可以改變集電極電流，這是與普通 三極管不同之處； v由于長基區(qū)大于擴(kuò)散長度，所以發(fā)射極電流增