磁敏式傳感器 ppt課件

1、傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器第二篇第二篇 常用傳感器的原理及應(yīng)用常用傳感器的原理及應(yīng)用1.1.掌握傳感器工作原理及特性掌握傳感器工作原理及特性 2.2.掌握測(cè)量誤差及補(bǔ)償霍爾元件）掌握測(cè)量誤差及補(bǔ)償霍爾元件）3.3.了解傳感器的應(yīng)用了解傳感器的應(yīng)用 第第9章章 磁敏式傳感器磁敏式傳感器傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器半導(dǎo)體磁敏式傳感器半導(dǎo)體磁敏式傳感器霍爾元件霍爾元件磁敏電阻磁敏電阻磁敏二極管磁敏二極管磁敏晶體管磁敏晶體管傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 1 1、霍爾效應(yīng)與霍爾元件、霍爾效應(yīng)與霍爾元件霍爾效應(yīng)：置于磁場(chǎng)中的通電

2、半導(dǎo)體，在垂直于霍爾效應(yīng)：置于磁場(chǎng)中的通電半導(dǎo)體，在垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器 霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中洛侖磁力作霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中洛侖磁力作用的結(jié)果用的結(jié)果霍爾電場(chǎng)。霍爾電場(chǎng)。其中，其中，kHkH：霍爾常數(shù)靈敏度），取決于材質(zhì)、溫：霍爾常數(shù)靈敏度），取決于材質(zhì)、溫 度、元件尺寸厚度）度、元件尺寸厚度） ：磁場(chǎng)與元件法線方向的夾角。：磁場(chǎng)與元件法線方向的夾角。 霍爾電勢(shì)霍爾電勢(shì)UHUH為：為：顯然，改變顯然，改變I I或或B B，即可改變，即可改變UHUH。

3、UH = kHIBcosUH = kHIBcos傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器霍爾元件越薄霍爾元件越薄(d越小越小)，kH就越大，薄膜霍爾元件就越大，薄膜霍爾元件厚度只有厚度只有1m左右。左右?；魻栐苫魻柶?、四根引線和殼體組成。霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。4 42 20.1mm3 0.1mm3 激勵(lì)電極激勵(lì)電極霍爾電極霍爾電極傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器霍耳輸出端的端子霍耳輸出端的端子C、D相應(yīng)地稱(chēng)為霍耳端或輸出端。相應(yīng)地稱(chēng)為霍耳端或輸出端。若霍耳端子間連接負(fù)載若霍耳端子間連接負(fù)載,稱(chēng)為霍耳負(fù)載電阻或霍耳負(fù)載。稱(chēng)為霍耳負(fù)載電阻或霍耳負(fù)載。電流電極間的

4、電阻，稱(chēng)為輸入電阻，或者控制內(nèi)阻。電流電極間的電阻，稱(chēng)為輸入電阻，或者控制內(nèi)阻。霍耳端子間的電阻，稱(chēng)為輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻?；舳俗娱g的電阻，稱(chēng)為輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻。 器件電流器件電流(控制電流或輸入電流控制電流或輸入電流):流入到器件內(nèi)的電流。流入到器件內(nèi)的電流。電流端子電流端子A、B相應(yīng)地稱(chēng)為器件電流端、控制電流端或輸相應(yīng)地稱(chēng)為器件電流端、控制電流端或輸入電流端。入電流端。HAAABBBCCCDDD 2、霍耳磁敏傳感器的符號(hào)與基本電路、霍耳磁敏傳感器的符號(hào)與基本電路 傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器控制電流控制電流I；霍耳電勢(shì)霍耳電勢(shì)UH；控制電壓控制電壓E；輸出電阻

5、輸出電阻R2；輸入電阻輸入電阻R1；霍耳負(fù)載電阻霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流霍耳電流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,RW為調(diào)節(jié)電阻為調(diào)節(jié)電阻,保證器件內(nèi)所保證器件內(nèi)所需控制電流需控制電流I?；舳敵龆私迂?fù)載?；舳敵龆私迂?fù)載R3,R3可是一般電阻或放可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)B垂直通過(guò)霍耳器垂直通過(guò)霍耳器件件,在磁場(chǎng)與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。在磁場(chǎng)與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本電路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或或

6、B，或者，或者IB,而輸出可而輸出可以正比于以正比于I或或B, 或者正比于其乘積或者正比于其乘積IB。R3RW傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器霍爾元件的轉(zhuǎn)換效率較低，實(shí)際應(yīng)用中，可將幾個(gè)霍爾元件的轉(zhuǎn)換效率較低，實(shí)際應(yīng)用中，可將幾個(gè)霍爾元件的輸出串聯(lián)或采用運(yùn)算放大器放大，以獲霍爾元件的輸出串聯(lián)或采用運(yùn)算放大器放大，以獲得較大的得較大的UHUH?；魻栐倪B接電路霍爾元件的連接電路傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器2 2、霍爾元件的材料及主要特性參數(shù)、霍爾元件的材料及主要特性參數(shù)霍爾元件多采用霍爾元件多采用N N型半導(dǎo)體材料高的電阻率和載型半導(dǎo)體材料高的電阻率和載流子的遷移率

7、）。目前最常用的霍爾元件材料有鍺流子的遷移率）。目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、銻化銦、銻化銦(InSb)(InSb)、砷化銦、砷化銦(InAs)(InAs)等半等半導(dǎo)體材料。導(dǎo)體材料。主要特性參數(shù)：主要特性參數(shù)：額定激勵(lì)電流額定激勵(lì)電流IHIH靈敏度靈敏度KH KH 輸入電阻輸入電阻RiRi與輸出電阻與輸出電阻R0R0傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器不等位電勢(shì)不等位電勢(shì)U0U0和不等位電阻和不等位電阻r0 r0 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B B為零、激勵(lì)電流為額定值為零、激勵(lì)電流為額定值IHIH時(shí)，霍爾電極間的空載電勢(shì)稱(chēng)為不等位電勢(shì)或時(shí)，霍爾電

8、極間的空載電勢(shì)稱(chēng)為不等位電勢(shì)或零位電勢(shì)零位電勢(shì)U0U0。不等位電勢(shì)。不等位電勢(shì)U0U0與額定激勵(lì)電流與額定激勵(lì)電流IHIH之比稱(chēng)為不等位電阻零位電阻之比稱(chēng)為不等位電阻零位電阻r0 .r0 . 產(chǎn)生不等位電勢(shì)的原因主要有：霍爾電極安產(chǎn)生不等位電勢(shì)的原因主要有：霍爾電極安裝位置不正確不對(duì)稱(chēng)或不在同一等電位面上）；裝位置不正確不對(duì)稱(chēng)或不在同一等電位面上）；半導(dǎo)體材料的不均勻造成了電阻率不均勻或是幾半導(dǎo)體材料的不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流何尺寸不均勻；激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。不均勻分布等。霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)、內(nèi)阻溫度系數(shù)等霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)、內(nèi)

9、阻溫度系數(shù)等 傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器3 3、測(cè)量誤差及其補(bǔ)償、測(cè)量誤差及其補(bǔ)償不等位電勢(shì)誤差及其補(bǔ)償不等位電勢(shì)誤差及其補(bǔ)償霍爾元件有兩對(duì)電極，各相鄰電極之間的電阻若為霍爾元件有兩對(duì)電極，各相鄰電極之間的電阻若為r1r1、r2r2、r3r3、r4r4，霍爾元件可等效為一個(gè)四臂電阻，霍爾元件可等效為一個(gè)四臂電阻電橋。電橋。 （a不等位電勢(shì)不等位電勢(shì) （b霍爾元件等效電路霍爾元件等效電路 傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器能夠使電橋達(dá)到平衡的措施均可以用于補(bǔ)償不等位能夠使電橋達(dá)到平衡的措施均可以用于補(bǔ)償不等位電勢(shì)。由于霍爾元件的不等位電勢(shì)同時(shí)也是溫度的電勢(shì)。由于霍爾元

10、件的不等位電勢(shì)同時(shí)也是溫度的函數(shù)，所以同時(shí)要考慮溫度補(bǔ)償問(wèn)題函數(shù)，所以同時(shí)要考慮溫度補(bǔ)償問(wèn)題 。傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差及其補(bǔ)償常用的補(bǔ)償電路包括：恒流源激勵(lì)并聯(lián)分流電阻常用的補(bǔ)償電路包括：恒流源激勵(lì)并聯(lián)分流電阻補(bǔ)償電路；恒壓源激勵(lì)輸入回路串聯(lián)電阻補(bǔ)償電補(bǔ)償電路；恒壓源激勵(lì)輸入回路串聯(lián)電阻補(bǔ)償電路；電橋補(bǔ)償電路；以及采用正、負(fù)不同溫度系路；電橋補(bǔ)償電路；以及采用正、負(fù)不同溫度系數(shù)的電阻或合理選取負(fù)載電阻的阻值補(bǔ)償電路等數(shù)的電阻或合理選取負(fù)載電阻的阻值補(bǔ)償電路等等。等。傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器假設(shè)初始溫度為假設(shè)初始溫度為T(mén)0時(shí)有如下

11、參數(shù)：霍爾元件的輸入電阻為時(shí)有如下參數(shù)：霍爾元件的輸入電阻為Ri0，選用的補(bǔ)償電阻選用的補(bǔ)償電阻RP0，被分流掉的電流為，被分流掉的電流為Ip0，激勵(lì)電流，激勵(lì)電流Ic0，霍爾元件的靈敏度霍爾元件的靈敏度KH0。當(dāng)溫度升為當(dāng)溫度升為T(mén)時(shí)，上述各參數(shù)相應(yīng)為：時(shí)，上述各參數(shù)相應(yīng)為：Ri、RP、Ip、Ic、KH，且有關(guān)系且有關(guān)系)1 ()1 ()1 (000TKKTRRTRRHHPPii、；0TTT分別為輸入電阻、分流電分別為輸入電阻、分流電阻及靈敏度的溫度系數(shù)阻及靈敏度的溫度系數(shù) 0000iPPcRRRII)1 ()1 ()1 (000TRTRTRIIiPPc由電路由電路傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第

12、9章 磁敏式傳感器00iPRR于是于是 對(duì)于確定的霍爾元件，其參數(shù)是確定值，可由上式求得分流電阻RP0及要求的溫度系數(shù)，為此，此分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻進(jìn)行串并聯(lián)。)1 ()1 ()1 ()1 (0000000TRTRTRBITKUBIKBIKUiPPHHcHcHH當(dāng)溫度變化當(dāng)溫度變化T時(shí)，為使霍爾電勢(shì)不變則必須有如下關(guān)系：時(shí)，為使霍爾電勢(shì)不變則必須有如下關(guān)系：傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器4 4、霍爾集成傳感器、霍爾集成傳感器 將霍爾元件與放大、整形等電路集成在同一芯將霍爾元件與放大、整形等電路集成在同一芯片上，具有體積小、靈敏度高、價(jià)格便宜、性能穩(wěn)片上，具有體積小、

13、靈敏度高、價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。定等優(yōu)點(diǎn)。 差動(dòng)輸出線性霍爾集成傳感器差動(dòng)輸出線性霍爾集成傳感器傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性磁感應(yīng)強(qiáng)度B/T5.64.63.62.61.6-0.3 -0.2-0.100.10.20.3輸輸出出電電壓壓U/VSL3501T傳感器的輸出特性曲線傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開(kāi)路由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開(kāi)路輸出五部分組成。輸出五部分組成。 穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；開(kāi)路

14、輸出可使傳感器方便地與源電壓范圍內(nèi)工作；開(kāi)路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。各種邏輯電路接口。 霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出輸出+穩(wěn)壓穩(wěn)壓VCC1霍耳元件霍耳元件放大放大BT整形整形地地H霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器開(kāi)關(guān)型霍爾集成傳感器開(kāi)關(guān)型霍爾集成傳感器傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器5 5、霍爾傳感器的應(yīng)用、霍爾傳感器的應(yīng)用 霍爾位移傳感器霍爾位移傳感器輸出電勢(shì)為輸出電勢(shì)為UH1UH2。在初始位置時(shí)在初始位置時(shí)UH1=VH2，則，則輸出為零；輸出為零；當(dāng)改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件當(dāng)改

15、變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對(duì)位置時(shí)，即可得到輸?shù)南鄬?duì)位置時(shí)，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移出電壓，其大小正比于位移量。量。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大范圍大( (輸出電勢(shì)變化范圍可達(dá)輸出電勢(shì)變化范圍可達(dá)1000:1)1000:1)、壽命長(zhǎng)等、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。 傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器 霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器電機(jī)通斷控制電路 N S磁鋼P(yáng)ST-52512VCC3GNDOUT1 kEb12 V4.7 k2SA10

16、12V1MC0.1 V2傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器 霍爾加速度傳感器霍爾加速度傳感器 霍爾振動(dòng)傳感器霍爾振動(dòng)傳感器傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器 霍爾流量計(jì)霍爾流量計(jì)傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器無(wú)損探傷無(wú)損探傷傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器9.2 磁敏電阻磁敏電阻 1、磁阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng) 當(dāng)一載流半導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，其電阻值會(huì)隨磁當(dāng)一載流半導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，其電阻值會(huì)隨磁場(chǎng)而變化的這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。場(chǎng)而變化的這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。 在磁場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體片內(nèi)電流分布是不均勻的，改變磁場(chǎng)的強(qiáng)弱就影響電流密度的分布，故表現(xiàn)為半導(dǎo)體片的電阻

17、變化。bLfBK/1220傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器與霍爾效應(yīng)的區(qū)別：即霍爾電勢(shì)是指垂直于電流方向的與霍爾效應(yīng)的區(qū)別：即霍爾電勢(shì)是指垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應(yīng)則是沿電流方向的電阻變化。橫向電壓，而磁阻效應(yīng)則是沿電流方向的電阻變化。 磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)及幾何形狀有關(guān)，一般遷移率大的材料，磁阻效應(yīng)愈顯著；元件的長(zhǎng)、寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大。 傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器2、磁敏電阻的結(jié)構(gòu)與特性、磁敏電阻的結(jié)構(gòu)與特性 磁敏電阻常選用磁敏電阻常選用InSbInSb、InAsInAs和和NiSbNiSb等半導(dǎo)體材料，等半導(dǎo)體材料，在絕緣基片上蒸鍍薄的半導(dǎo)體材料，

18、也可在半導(dǎo)體薄在絕緣基片上蒸鍍薄的半導(dǎo)體材料，也可在半導(dǎo)體薄片上光刻或腐蝕成型柵狀結(jié)構(gòu)）。片上光刻或腐蝕成型柵狀結(jié)構(gòu)）。 傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器主要特性：主要特性：磁電特性：電阻的增量與磁場(chǎng)的平方成正比；磁電特性：電阻的增量與磁場(chǎng)的平方成正比；與磁場(chǎng)的正負(fù)無(wú)關(guān)；與磁場(chǎng)的正負(fù)無(wú)關(guān)；溫度特性：溫度系數(shù)影響大；溫度特性：溫度系數(shù)影響大；頻率特性：工作頻率范圍大；磁感應(yīng)的范圍頻率特性：工作頻率范圍大；磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。比霍爾元件大。傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器3、磁敏電阻的應(yīng)用、磁敏電阻的應(yīng)用 磁頭；接近開(kāi)關(guān)和無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)；也可用于位磁頭；接近開(kāi)關(guān)和無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)

19、關(guān)；也可用于位移、力、加速度等參數(shù)的測(cè)量。移、力、加速度等參數(shù)的測(cè)量。 R1、R2磁敏電阻位移傳感器磁敏電阻位移傳感器 傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器9.3 磁敏二極管和磁敏三極管磁敏二極管和磁敏三極管 磁敏二極管和磁敏三極管是一種磁敏二極管和磁敏三極管是一種PNPN結(jié)型的新型磁電結(jié)型的新型磁電轉(zhuǎn)換器件，它具有輸出信號(hào)大、靈敏度高約為霍爾轉(zhuǎn)換器件，它具有輸出信號(hào)大、靈敏度高約為霍爾元件的數(shù)百至數(shù)千倍）、工作電流小、體積小等特點(diǎn)，元件的數(shù)百至數(shù)千倍）、工作電流小、體積小等特點(diǎn)，在磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)速、探傷等檢測(cè)與控制中應(yīng)用廣泛。在磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)速、探傷等檢測(cè)與控制中應(yīng)用廣泛。1、磁敏二極管、磁敏二極管傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器工作原理工作原理磁場(chǎng)強(qiáng)度的改變引起電流發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。磁場(chǎng)強(qiáng)度的改變引起電流發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。 傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第9章 磁敏式傳感器主要特性主要特性u(píng)伏安特性：不同磁場(chǎng)作用下所加正向偏壓與二極管伏安特性：不同磁場(chǎng)作用下所加正向偏壓與二極管流過(guò)電流的關(guān)系。流過(guò)電流的關(guān)系。u磁電特性：輸出電壓的變比與外加磁場(chǎng)的關(guān)系。磁電特性：輸出電壓的變比與外加磁場(chǎng)的關(guān)系。u溫度特性：溫度系數(shù)的影響。溫度特性：溫度系數(shù)的影響。u頻率特性：與材料、尺寸有關(guān)。頻率特性：與材料、尺寸有關(guān)。 傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)