第7章 磁電式傳感器

1、1第七章第七章 磁電傳感器磁電傳感器2磁電型傳感器是將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或電參量的裝置。利用磁場作為媒介可以檢測很多物理量，如位移、振動(dòng)、力、轉(zhuǎn)速、加速度、流量、電流、電功率等。它不僅可實(shí)現(xiàn)非接觸測量，并且不從磁場中獲取能量。常用的磁電式傳感器有磁電感應(yīng)式傳感器、磁柵式傳感器、霍爾式傳感器及各種磁敏元件等。3第一節(jié)第一節(jié) 霍爾傳感器霍爾傳感器霍爾傳感器是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的一種磁敏傳感器?；魻杺鞲衅骼么艌鲎鳛槊浇?，可以檢測很多的物理量，如微位移、加速度、轉(zhuǎn)速、流量、角度等；也可用于制作高斯計(jì)、電流表、功率計(jì)、乘法器、接近開關(guān)和無刷直流電機(jī)等。它可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，而且在很多情況下，可采用

2、永久磁鐵來產(chǎn)生磁場，不需附加能源。因此，這種傳感器廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、電磁檢測等各個(gè)領(lǐng)域中。 4霍爾傳感器有霍爾元件和霍爾集成電路兩種類型。目前，霍爾傳感器已從分立型結(jié)構(gòu)發(fā)展到集成電路階段?；魻柤呻娐肥前鸦魻栐?、放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源等做在一個(gè)芯片上的集成電路型結(jié)構(gòu)。與前者相比，霍爾集成電路更具有微型化、可靠性高、壽命長、功耗低以及負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，正越來越受到人們的重視，應(yīng)用日益廣泛。5一、霍爾效應(yīng)一、霍爾效應(yīng)在半導(dǎo)體薄片上垂直施加磁場在半導(dǎo)體薄片上垂直施加磁場B，在薄片兩個(gè)短邊，在薄片兩個(gè)短邊b方向通入控制電流方向通入控制電流I，則在，則在磁場洛倫茲力磁場洛倫茲力FL作用下，在

3、薄片兩長邊方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象叫做霍爾作用下，在薄片兩長邊方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)。效應(yīng)。)27()(bLfBIdRUHHH輸出電壓輸出電壓控制電流磁感應(yīng)強(qiáng)度霍爾常數(shù)霍爾元件形狀系數(shù) -I -B-R)(HbLfHL L、d d、b b為霍爾元件的幾何參為霍爾元件的幾何參數(shù)數(shù)6令令)37(KHBIUH)(KbLfdRHHH霍爾傳感器輸出電壓霍爾傳感器輸出電壓當(dāng)霍爾元件的材料、幾何尺寸確定后，其輸出電壓當(dāng)霍爾元件的材料、幾何尺寸確定后，其輸出電壓UH與控制電與控制電流流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。成正比。7二、二、 霍爾元件的基本特性霍爾元件的基本特性UH-I特性特性 KH

4、 和和B為常數(shù)是，輸出電壓為常數(shù)是，輸出電壓UH與控制電流的關(guān)系。與控制電流的關(guān)系。2. UH-B特性特性3. UH-IB特性特性8三、測量電路三、測量電路1. 基本電路基本電路控制電流I；霍耳電勢(shì)VH；控制電壓V；輸出電阻R2；輸入電阻R1；霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流IH。 圖中控制電流圖中控制電流I由電源由電源E供給供給, ,R為調(diào)節(jié)電阻為調(diào)節(jié)電阻, ,保證器件內(nèi)所需控制電保證器件內(nèi)所需控制電流流I?；舳敵龆私迂?fù)載。霍耳輸出端接負(fù)載R3, ,R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場或表頭內(nèi)阻等。磁場B垂直通過霍耳器件垂直通過霍耳器件, ,在磁

5、場與控制電流作用在磁場與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。下，由負(fù)載上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本電路R實(shí)際使用時(shí)實(shí)際使用時(shí), ,器件輸入信號(hào)可以是器件輸入信號(hào)可以是I I或或B B，或者，或者IBIB, ,而輸出可以正比而輸出可以正比于于I I或或B B, , 或者正比于其乘積或者正比于其乘積IBIB。9霍爾傳感器輸出信號(hào)一般為霍爾傳感器輸出信號(hào)一般為mV級(jí)，需要放大。級(jí)，需要放大?？梢赃x擇運(yùn)算放大器放大電路，輸出線性電壓可以選擇運(yùn)算放大器放大電路，輸出線性電壓Vo=KUH在一些場合，只需要輸出一個(gè)開關(guān)量信號(hào)，這時(shí)運(yùn)放的負(fù)反饋在一些場合，只需要輸出一個(gè)開關(guān)量信號(hào)，這時(shí)運(yùn)放的負(fù)

6、反饋電阻電阻RF？10四、四、 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償零位誤差及補(bǔ)償零位誤差及補(bǔ)償 I=0，B=0時(shí)出現(xiàn)的輸出電壓時(shí)出現(xiàn)的輸出電壓UH.叫做零位誤差。叫做零位誤差。（1）產(chǎn)生零位誤差的原因：）產(chǎn)生零位誤差的原因： 直流寄生電勢(shì)直流寄生電勢(shì) 寄生感應(yīng)電勢(shì)寄生感應(yīng)電勢(shì) 不等位電勢(shì)不等位電勢(shì)可以電路方法補(bǔ)償，運(yùn)算放大器有調(diào)零電路可以電路方法補(bǔ)償，運(yùn)算放大器有調(diào)零電路也可以利用計(jì)算機(jī)軟件補(bǔ)償。也可以利用計(jì)算機(jī)軟件補(bǔ)償。112. 溫度誤差及補(bǔ)償溫度誤差及補(bǔ)償半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化。半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化。控制電流大可以提高靈敏度，但會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱控制電流大可以提高靈敏度，但會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱,增大誤差。增

7、大誤差。利用補(bǔ)償電路利用補(bǔ)償電路或者軟件方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償或者軟件方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償12五、集成霍爾傳感器五、集成霍爾傳感器1.開關(guān)型霍爾集成電路開關(guān)型霍爾集成電路 開關(guān)型霍爾集成電路是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號(hào)。 這種集成電路一般由霍爾元件、穩(wěn)壓電路、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及OC門(集電極開路輸出門)電路等部分組成。 13開關(guān)型霍爾集成電路的開關(guān)形式有單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)兩種，在輸出上有單端輸出和雙端輸出。 常用的型號(hào)有UGN-3020系列和CS系列，外形結(jié)構(gòu)有三端T型和四端T型(雙端輸出)，圖8-13為UGN-3020系列開關(guān)型霍爾集成電路外形與內(nèi)部電路框圖。14

8、2線性型霍爾集成電路線性型霍爾集成電路 線性型霍爾集成電路通常由霍爾元件，差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓電路四部分組成。其特點(diǎn)是輸出電壓與外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B呈線性關(guān)系，它有單端輸出和雙端輸出(差動(dòng)輸出)兩種形式。外形結(jié)構(gòu)有三端T型和八腳雙列直插型，其電路框圖和外形結(jié)構(gòu)如圖15六、霍爾傳感器的應(yīng)用六、霍爾傳感器的應(yīng)用部分霍爾傳感器外觀如圖部分霍爾傳感器外觀如圖16高斯計(jì)：高斯計(jì)：電流計(jì)：電流計(jì)：轉(zhuǎn)速計(jì)：轉(zhuǎn)速計(jì)：霍爾開關(guān)：霍爾開關(guān)：17例：柴油機(jī)防飛車保護(hù)裝置例：柴油機(jī)防飛車保護(hù)裝置 下圖所示是柴油機(jī)防飛車保護(hù)裝置電路。該裝置主體由檢測傳感部分和控制部分組成。檢測部分由磁鐵和霍爾傳感器組成。磁鐵用環(huán)氧

9、樹脂粘合而固定在柴油機(jī)的飛輪一側(cè)上，其隨著飛輪的運(yùn)轉(zhuǎn)，霍爾傳感器（開關(guān)型）產(chǎn)生一個(gè)個(gè)計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。控制部分主要由頻率電壓變換器件、控制繼電器電磁閥組成。18 頻率電壓變換器件將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之呈線性對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，并經(jīng)內(nèi)部運(yùn)放和輸出放大級(jí)后輸出。 當(dāng)信號(hào)頻率高于一定值時(shí)，輸出放大級(jí)輸出電壓增大到繼電器的吸合電壓，使繼電器KA吸合，并通過二級(jí)管VD將LM2917的3腳電位鉗定，從而實(shí)現(xiàn)了超速鎖定的目的。這時(shí)即使信號(hào)頻率下降，控制繼電器KA仍將處于吸合狀態(tài)，直到斷開電源為止。 繼電器KA吸合，電磁閥YV切斷柴油機(jī)供油，從而迫使柴油機(jī)停車，保護(hù)柴油機(jī)和它的負(fù)載機(jī)械不會(huì)因?yàn)轱w車（過速）而損壞。19例

10、：照明自動(dòng)控制裝置例：照明自動(dòng)控制裝置當(dāng)人打開門進(jìn)衛(wèi)生間再關(guān)上門時(shí)，磁鋼G離開霍爾集成傳感器HG（CS-3020），HG輸出高電平脈沖，觸發(fā)單穩(wěn)電路A1，A1的1腳輸出高電平信號(hào)，此高電平信號(hào)又觸發(fā)A2，A2的13腳輸出高電平，經(jīng)VT放大驅(qū)動(dòng)VS雙向晶閘管導(dǎo)通，EL燈亮，同時(shí)LED發(fā)光。經(jīng)任意長時(shí)間，拉門出來再關(guān)上門時(shí)，磁鋼G再次離開HG，HG輸出一正脈沖，使A1又一次輸出高電平，A2再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，腳13變?yōu)榈碗娖剑琕T和VS均截止，EL和LED熄滅。20第二節(jié)、磁敏電阻第二節(jié)、磁敏電阻一、 磁阻效應(yīng)某些半導(dǎo)體材料在磁場作用下，其電阻的阻值隨磁場的變化而變化，這種現(xiàn)象叫磁阻效應(yīng)（MR）。利用這

11、種效應(yīng)制成的元件稱為磁敏電阻。金屬和半導(dǎo)體材料都有磁阻效應(yīng)，由于半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)更顯著，故目前生產(chǎn)的磁敏電阻都是用半導(dǎo)體材料制成的。利用該現(xiàn)象制作的電阻，就是磁敏電阻21二、二、 磁敏電阻的特性磁敏電阻的特性包括三方面包括三方面磁阻靈敏度磁阻靈敏度詞組特性詞組特性磁阻溫度系數(shù)磁阻溫度系數(shù)22三、應(yīng)用三、應(yīng)用直線位移傳感器直線位移傳感器磁卡磁卡23第三節(jié)、磁敏二極管和磁敏三極管第三節(jié)、磁敏二極管和磁敏三極管一、磁敏二極管一、磁敏二極管具有二極管結(jié)構(gòu)，其輸出隨外界磁性量變化而變化的磁敏元件 利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)。磁敏二極管工作時(shí)需要加正向偏壓利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)。磁敏二極管工作時(shí)需要加

12、正向偏壓磁場變化磁場變化磁敏二極管電阻變化磁敏二極管電阻變化 UO變化。變化。溫度對(duì)磁敏二極管影響較大，一般需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度對(duì)磁敏二極管影響較大，一般需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。單管單管用熱敏電阻補(bǔ)償用熱敏電阻補(bǔ)償二管二管差動(dòng)半橋電路差動(dòng)半橋電路四管四管差動(dòng)全橋差動(dòng)全橋選擇電阻選擇電阻R類類似于晶體管電路選似于晶體管電路選擇靜態(tài)工作點(diǎn)。擇靜態(tài)工作點(diǎn)。9V9V+ +- -U UO OR R24 （2）磁電特性 在給定條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場間的變化關(guān)系，叫做磁敏二極管的磁電特性。 磁敏二極管的磁電特性曲線（a）單個(gè)使用時(shí)（b）互補(bǔ)使用時(shí)B / 0.1T1.0 2.0 3.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0B / 0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0 3kREE=12V（18V）