第7章 磁傳感器-醫(yī)學(xué)傳感器

1、Page 2醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室引言引言n磁電傳感器也稱電動(dòng)式傳感器或感應(yīng)式傳感磁電傳感器也稱電動(dòng)式傳感器或感應(yīng)式傳感器，它是利用電磁感應(yīng)原理將運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換器，它是利用電磁感應(yīng)原理將運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電勢(shì)輸出。成線圈中的感應(yīng)電勢(shì)輸出。n磁敏傳感器是利用對(duì)磁場(chǎng)敏感的元件制成的磁敏傳感器是利用對(duì)磁場(chǎng)敏感的元件制成的傳感傳感n磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)式的，它不需要輔助電源就對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)式的，它不需要輔助電源就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是有源傳感器。信號(hào)，是有源傳

2、感器。n由于它輸出功率大且性能穩(wěn)定，具有一定的由于它輸出功率大且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（工作帶寬（101000 Hz），所以得到普遍），所以得到普遍的應(yīng)用。的應(yīng)用。Page 3醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室第一節(jié) 磁電式傳感器第二節(jié) 電磁流量計(jì)第三節(jié) 霍爾傳感器第四節(jié) 其他類(lèi)型傳感器第五節(jié) 磁傳感器的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用Page 4醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室一、磁電式傳感器的基本原理一、磁電式傳感器的基本原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)w匝線圈在恒定磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)匝線圈在恒定磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為時(shí)，設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)E與磁通變化率與磁通

3、變化率d/dt有如下關(guān)系：有如下關(guān)系： 根據(jù)這一原理，可以設(shè)計(jì)成兩種磁電傳感器結(jié)構(gòu)：根據(jù)這一原理，可以設(shè)計(jì)成兩種磁電傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式變磁通式和和恒磁通式恒磁通式。dtdWePage 5醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室第一節(jié)第一節(jié) 磁電式傳感器磁電式傳感器右圖所示的結(jié)構(gòu)式線圈做直線運(yùn)動(dòng)的磁電式傳感器，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為：sinsinWBLvdtdxWBLeB- 工作氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度（工作氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）；）；L- 每匝線圈的有效長(zhǎng)度（每匝線圈的有效長(zhǎng)度（m）；）；V- 是線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)直線的速度（是線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)直線的速度（m/s）；）； - 線圈運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向的夾角。線

4、圈運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向的夾角。Page 6醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室右圖所示的結(jié)構(gòu)式線圈做直線運(yùn)動(dòng)的磁電式傳感器，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為：tWBAdtdWBAdtdBAWesinsinsincos- 線圈面的法線方向和磁場(chǎng)方向的夾角, =t 。A- 線圈所包圍的面積； - 角頻率，=d/dt；Page 7醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室二、磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)1. 恒定磁通磁電式傳感器n 這種傳感器工作磁場(chǎng)很定，線圈和磁鐵兩者之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。Page 8醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 9醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n 磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，磁路中的工作

5、氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈（動(dòng)圈式），也可以是磁鐵（動(dòng)鐵式），動(dòng)圈式（如圖（a）和動(dòng)鐵式（如圖（b）的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，由于彈簧較軟，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對(duì)較大。當(dāng)振動(dòng)頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件慣性很大，來(lái)不及隨振動(dòng)體一起振動(dòng)，近乎靜止不動(dòng)，振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體振動(dòng)速度，磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為: Page 10醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n 因恒定磁通磁電式傳感器的工作頻率不高，傳感器能輸出較大的信號(hào)，所以對(duì)變換電路要求不高，采用一

6、般放大交流放大器就能滿足要求。恒定磁通磁電式傳感器信號(hào)變換電路恒定磁通磁電式傳感器信號(hào)變換電路Page 11醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室2. 變磁阻式磁電傳感器 圖（a）為開(kāi)磁路變磁 通式：線圈、磁鐵靜止 不動(dòng)，測(cè)量齒輪安裝在被 測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，隨之一起轉(zhuǎn) 動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，齒的 （a） 凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其變化頻率等于被測(cè)轉(zhuǎn)速與測(cè)量齒輪齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速。Page 12醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室 圖6-1（b）為閉磁路變磁 通式，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的 內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁 鐵和感

7、應(yīng)線圈組成，內(nèi)外 齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連 接到被測(cè)轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒 （b） 輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測(cè)軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感生電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。Page 13醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室3. 磁電感應(yīng)式傳感器基本特性磁電感應(yīng)式傳感器基本特性n 當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路中，磁電傳感器當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路中，磁電傳感器的輸出電流的輸出電流 I 為為: （6-3）式中：式中： Rf測(cè)量電路輸入電阻；測(cè)量電路輸入電阻； R 線圈等效電阻。線圈等效電阻。n 傳感器的電流靈敏度為傳感器的電流靈敏

8、度為:00ffB LwvEIRRRR00(64)IfIB LwSvRRPage 14醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n 而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為: n 當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場(chǎng)干擾、當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場(chǎng)干擾、 機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測(cè)機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差。相對(duì)誤差為量誤差。相對(duì)誤差為 n 磁電式傳感器在使用時(shí)存在誤差，主要為非線性誤磁電式傳感器在使用時(shí)存在誤差，主要為非線性誤差和溫度誤差。差和溫度誤差。000(65)fffB LwvRUI RRR00(66)fUfB

9、 Lw RUSvRR(67)IIdsdBdLdRsBLRPage 15醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室傳感器電流的磁場(chǎng)效應(yīng)傳感器電流的磁場(chǎng)效應(yīng)非線性誤差 磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是：由于傳感器線圈內(nèi)有電流I流過(guò)時(shí)，將產(chǎn)生一定的交變磁通I，此交變磁通疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化如圖所示。 Page 16醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室溫度誤差 當(dāng)溫度變化時(shí)，式中右邊三項(xiàng)都不為零，對(duì)銅線而言每攝氏度變化量為dL/L0.16710-4，dR/R0.4310-2，dB/B每攝氏度的變化量取決于永久磁鐵的磁性材料。對(duì)鋁鎳鈷永久磁合金，dB/B-0.0210-2，這樣由式（6

10、-7）可得近似值： 這一數(shù)值是很可觀的，所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償通常采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分。 4.5% 10tC Page 17醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室 磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且傳感器磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且傳感器通常具有較高的靈敏度，不需要高增益放大器。但通常具有較高的靈敏度，不需要高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器，若要獲取被測(cè)位移或磁電式傳感器是速度傳感器，若要獲取被測(cè)位移或加速度信號(hào)，則需要配用積分或微分電路。圖為一加速度信號(hào)，則需要配用積分或微分電路。圖為一般測(cè)量

11、電路方框圖。般測(cè)量電路方框圖。磁電感應(yīng)式傳感器測(cè)量電路方框圖磁電感應(yīng)式傳感器測(cè)量電路方框圖4.磁電感應(yīng)式傳感器測(cè)量電路Page 18醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室第二節(jié)第二節(jié) 電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)n 電磁流量計(jì)是一種常見(jiàn)的磁電式傳感器，并廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程中。n 電磁流量計(jì)能夠連續(xù)測(cè)量血壓的瞬時(shí)流速或平均流速，并換算出流量。一、電磁流量計(jì)的工作原理Page 19醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n 當(dāng)導(dǎo)電液體（如血液）再非導(dǎo)磁的導(dǎo)管（如血管）中以均勻速度v流動(dòng)，其流動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直，在管道直徑EE（同時(shí)垂直于流速方向和磁力線方向）處裝上一對(duì)電極，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e可由電極引出。這種情況相當(dāng)于一長(zhǎng)為

12、導(dǎo)管直徑的導(dǎo)線（L=2r）在做切割磁力線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理：vrBe2r- 導(dǎo)管半徑（導(dǎo)管半徑（m）；）；B 氣隙磁通密度氣隙磁通密度 (Wb/m2);v 導(dǎo)管內(nèi)液體速度導(dǎo)管內(nèi)液體速度 （m/s）；）；Page 20醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n 由于液體在管道中橫截面上的流速是不均勻的，導(dǎo)管由于液體在管道中橫截面上的流速是不均勻的，導(dǎo)管軸心處的速度最快，越靠近導(dǎo)管管壁流速越小，并以軸心處的速度最快，越靠近導(dǎo)管管壁流速越小，并以導(dǎo)管軸線對(duì)稱。這種軸對(duì)稱的情況產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與平導(dǎo)管軸線對(duì)稱。這種軸對(duì)稱的情況產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與平均速度的關(guān)系表示為：均速度的關(guān)系表示為：vrBVe22/ rQvr

13、QBe2將平均速度以流量代替，即 ，代入上式，得：Page 21醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室二、二、 電磁流量計(jì)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用電磁流量計(jì)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用電磁血流量計(jì)電磁血流量計(jì)1. 電磁血流量計(jì)的組成電磁血流量計(jì)的組成Page 22醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室2. 電磁血流量計(jì)的探電磁血流量計(jì)的探頭頭血管外電磁血流傳血管外電磁血流傳感器感器鉗型（用于心血管手術(shù)）鉗型（用于心血管手術(shù)）管型（用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)）管型（用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)）n導(dǎo)管尖端式電磁血流傳感器導(dǎo)管尖端式電磁血流傳感器n 用以測(cè)量血管內(nèi)血流狀態(tài)的傳感器，主要用于用以測(cè)量血管內(nèi)血流狀態(tài)的傳感器，主要用于測(cè)量主動(dòng)脈根部血流，并同時(shí)測(cè)主動(dòng)脈血壓測(cè)量主動(dòng)脈根

14、部血流，并同時(shí)測(cè)主動(dòng)脈血壓n外磁場(chǎng)式插入型血流量探頭外磁場(chǎng)式插入型血流量探頭n 用來(lái)測(cè)量動(dòng)物血管中的血流量，需外界提供磁場(chǎng)。用來(lái)測(cè)量動(dòng)物血管中的血流量，需外界提供磁場(chǎng)。Page 23醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n電磁血流量計(jì)測(cè)量精度的影響因素電磁血流量計(jì)測(cè)量精度的影響因素Page 24醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室3. 電磁血流量計(jì)的檢查電路n 采用交變電流激勵(lì)，對(duì)應(yīng)不同的激勵(lì)方式，采用不同的信號(hào)檢查系統(tǒng)。n 頻率選擇：血流信號(hào)的最高頻率：fM 激勵(lì)電流頻率：fe （2001000Hz） 傳感器輸出信號(hào)帶寬： fe-fM fe+fM n克服變壓器效應(yīng)：交變磁場(chǎng)中磁通密度的變化將在此回路中產(chǎn)生感應(yīng)

15、電動(dòng)勢(shì)。 為了克服變壓器效應(yīng)，要選擇適當(dāng)?shù)膭?lì)磁電流波形，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)電路。Page 25醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室第三節(jié)第三節(jié) 霍爾傳感器霍爾傳感器 霍爾傳感器為載流半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中有電磁效霍爾傳感器為載流半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中有電磁效應(yīng)（霍爾效應(yīng)）而輸出電動(dòng)勢(shì)的一種傳感器。應(yīng)（霍爾效應(yīng)）而輸出電動(dòng)勢(shì)的一種傳感器。 n隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始用半導(dǎo)體材料隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得制成霍爾元件，由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。到應(yīng)用和發(fā)展。n霍爾傳感器廣泛用于電磁測(cè)量電流、磁場(chǎng)、霍爾傳感器廣泛用于電磁測(cè)量電流、磁場(chǎng)、壓力、加速度、振動(dòng)等方

16、面的測(cè)量。壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。 Page 26醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室一、霍爾傳感器的工作原理及特性一、霍爾傳感器的工作原理及特性1. 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場(chǎng)方場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)，該電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件。應(yīng)，該電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件。在垂直于外磁場(chǎng)B的方向上放置一個(gè)導(dǎo)電板，導(dǎo)電板通以電流I，方向如圖所示。Pag

17、e 27醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室導(dǎo)電板中的電流是金屬中自由電子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，每個(gè)電子受洛侖磁力Fm的作用，F(xiàn)m的大小為： 式中：e-電子電荷； v-電子運(yùn)動(dòng)平均速度； B-磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 mFevB 101.602 10eCPage 28醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Fm的方向如圖所示，此時(shí)電子除了沿電流反方向作定向運(yùn)動(dòng)外，還在Fm的作用下向上漂移，結(jié)果使金屬導(dǎo)電板上底面積累電子，而下底面積累正電荷，從而形成了附加內(nèi)電場(chǎng)EH，稱霍爾電場(chǎng)，該電場(chǎng)強(qiáng)度為: 此時(shí)電荷不再向兩底面積累，達(dá)到平衡狀態(tài)。 bUEHHvBEHevBeEHbvBUH勻強(qiáng)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)公式：E=U/d 任何電場(chǎng)

18、中都適用的：E=F/q 平行板電容器間的場(chǎng)強(qiáng)E=U/d=4kQ/S 介質(zhì)中點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)：E=kQ/(*r2) Page 29醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室 若金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n，電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度為v，則激勵(lì)電流I=nvbd（-e），則: 將式代入式得: 將上式代入式得: Ivbdne HIBEbdne HIBUned Page 30醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室式中令RH=-1/（ne），稱之為霍爾常數(shù)，其大小取決于導(dǎo)體載流子密度，則: 式中:KH=RH /d 稱為霍爾片的靈敏度。由上式可見(jiàn)，霍爾電勢(shì)正比于激勵(lì)電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，其靈敏度與霍爾常數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。為

19、了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。HHHIBURK IBdPage 31醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室(6 18)HHIBBIURpedd上述推導(dǎo)是針對(duì)N型半導(dǎo)體，對(duì)于P型半導(dǎo)體，則:式中：對(duì)霍爾片材料的要求，希望有較大的霍爾常數(shù) RH，霍爾元件激勵(lì)極間電阻 ，同時(shí)，其中U I為加在霍爾元件兩端的激勵(lì)電壓，EI為霍爾元件激勵(lì)極間內(nèi)電場(chǎng)，v為電子移動(dòng)的平均速度。1(6 19)HRpeLRbdIIUE LvLRIIunevbdPage 32醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室則:解得 : (620)LLbdnebd (621)HR 從式（6-21）可知，霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積。

20、若要霍爾效應(yīng)強(qiáng)，即霍爾電勢(shì)大，則RH值大，因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。此外，霍爾電勢(shì)的大小還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān)。Page 33醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n 一般要求霍爾元件靈敏度越大越好，霍爾元件的厚度d與KH成反比，因此，霍爾元件的厚度越小，其靈敏度越高。當(dāng)霍爾元件的寬度b加大，或L/b 減小時(shí)，載流子在偏轉(zhuǎn)過(guò)程中的損失將加大，使UH下降。通常要對(duì)式（6-17）加以形狀效應(yīng)修正： ( )(623)HHLUK IBfbPage 34醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室2. 霍爾元件的電磁特性 UH I 特性特性 UH B 特性特性Page 35醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n

21、R B 特性特性Page 36醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室二、霍爾元件的誤差以及補(bǔ)償二、霍爾元件的誤差以及補(bǔ)償1. 霍爾元件不等位電勢(shì)補(bǔ)償霍爾元件不等位電勢(shì)補(bǔ)償 不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí)，有時(shí)甚至超過(guò)霍爾不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí)，有時(shí)甚至超過(guò)霍爾電勢(shì)，因而必須采用補(bǔ)償?shù)姆椒āＨ鐖D所示電勢(shì)，因而必須采用補(bǔ)償?shù)姆椒āＨ鐖D所示 。不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路Page 37醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室其中A、B為激勵(lì)電極，C、D為霍爾電極，極分布電阻分別用R1、 R2、 R3、 R4表示。理想情況下，R1=R2=R3=R4，即可取得零位電勢(shì)為零（或零位電阻為零）。實(shí)際上

22、，由于不等位電阻的存在，說(shuō)明此四個(gè)電阻值不相等，可將其視為電橋的四個(gè)橋臂，則電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻（如圖6-12（a）所示），或在兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻（如圖6-12（b）所示）。Page 38醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室2. 霍爾元件溫度補(bǔ)償霍爾元件溫度補(bǔ)償霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的，因此它們的許多參數(shù)都具霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。有較大的溫度系數(shù)。為了減小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件或采為了減小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外，由用恒溫措施外，由UH=KHIB可看出：

23、采用恒流源供電是個(gè)有可看出：采用恒流源供電是個(gè)有效措施，可以使霍爾電勢(shì)穩(wěn)定。但也只能減小由于輸入電阻隨效措施，可以使霍爾電勢(shì)穩(wěn)定。但也只能減小由于輸入電阻隨溫度變化而引起的激勵(lì)電流溫度變化而引起的激勵(lì)電流I變化所帶來(lái)的影響。霍爾元件的變化所帶來(lái)的影響?；魻栐撵`敏系數(shù)靈敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，它隨溫度的變化引起霍爾電勢(shì)也是溫度的函數(shù)，它隨溫度的變化引起霍爾電勢(shì)的變化?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫(xiě)成：的變化?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫(xiě)成： 1HHOKKT Page 39醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室 式中：式中：KHO-溫度溫度T0時(shí)的時(shí)的KH值；值； T=T-T0-溫度變化

24、量；溫度變化量； -霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)?；魻栯妱?shì)溫度系數(shù)。并且大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)并且大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)是正值，它們的霍爾是正值，它們的霍爾電勢(shì)隨溫度升高而增加（電勢(shì)隨溫度升高而增加（1+T）倍。如果，與此同時(shí)）倍。如果，與此同時(shí)讓激勵(lì)電流讓激勵(lì)電流I相應(yīng)地減小，并能保持相應(yīng)地減小，并能保持KHI乘積不變，也就乘積不變，也就抵消了靈敏系數(shù)抵消了靈敏系數(shù)KH增加的影響。圖增加的影響。圖6-13就是按此思路設(shè)就是按此思路設(shè)計(jì)的一個(gè)既簡(jiǎn)單、計(jì)的一個(gè)既簡(jiǎn)單、 補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償電路。電路補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償電路。電路中用一個(gè)分流電阻中用一個(gè)分流電阻Rp與霍爾元件的激勵(lì)電極相并聯(lián)從而與霍爾元件

25、的激勵(lì)電極相并聯(lián)從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?1HHOKKT Page 40醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室圖圖6-13 6-13 恒流源溫度補(bǔ)償電路恒流源溫度補(bǔ)償電路 在圖所示的溫度補(bǔ)償電路中，設(shè)初始溫度為在圖所示的溫度補(bǔ)償電路中，設(shè)初始溫度為T(mén)0T0，霍爾霍爾元件輸入電阻為元件輸入電阻為Ri0Ri0，靈敏系數(shù)為靈敏系數(shù)為KH1KH1，分流電阻為分流電阻為Rp0Rp0，根據(jù)分流概念得根據(jù)分流概念得 ：Page 41醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室0000(624)PHPiR IIRR當(dāng)溫度升至當(dāng)溫度升至T T時(shí)，電路中各參數(shù)變?yōu)闀r(shí)，電路中各參數(shù)變?yōu)?0(1)(625)iiRRT 0(1)(6

26、26)PPRRT式中：式中：霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)；霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)；分流電阻溫度系數(shù)。分流電阻溫度系數(shù)。則：則：000(1)(1)(1)PPHPiPiRT IR IIRRRTRT Page 42醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室溫度升高溫度升高T，為使霍爾電勢(shì)不變，補(bǔ)償電路必須滿，為使霍爾電勢(shì)不變，補(bǔ)償電路必須滿足溫升前、后的霍爾電勢(shì)不變，即足溫升前、后的霍爾電勢(shì)不變，即 :將式（將式（6-20）、（）、（6-21）、（）、（6-24）代入上式，經(jīng)整理）代入上式，經(jīng)整理并略去并略去、T2高次項(xiàng)后得高次項(xiàng)后得:00(629)PiRR000(627)HHHHHHUKIBUK I B00(62

27、8)HHHHKIK IPage 43醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)和溫度系數(shù)及及霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)是確定值。由式（是確定值。由式（6-27）即可計(jì)算）即可計(jì)算出分流電阻出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)及所需的溫度系數(shù)值。為了滿足值。為了滿足R0及及兩個(gè)條件，分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻兩個(gè)條件，分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合，這樣雖然麻煩但效果很好。的串、并聯(lián)組合，這樣雖然麻煩但效果很好。Page 44醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室三、集成霍爾傳感器1. 集成線性霍爾傳感器Page 4

28、5醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室2. 集成開(kāi)關(guān)式霍爾傳感器Page 46醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室第四節(jié)第四節(jié) 其他類(lèi)型的磁傳感器其他類(lèi)型的磁傳感器一、磁敏電阻式傳感器磁敏電阻器是基于磁阻效應(yīng)的磁敏元件。磁敏電阻是磁阻位移傳感器、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等的核心部件。1. 磁阻效應(yīng)當(dāng)一載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，其電阻會(huì)隨磁場(chǎng)而變化，這種現(xiàn)象被稱為磁阻效應(yīng)。Page 47醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n 當(dāng)溫度恒定時(shí)，在磁場(chǎng)內(nèi)，磁阻和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比，即磁阻效應(yīng)方程： 式中：式中： - 磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的電阻率；的電阻率； 0 - 零磁場(chǎng)下的電阻率；零磁場(chǎng)下的電阻率； - 電子遷移率；電子遷移率；

29、B - 磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁感應(yīng)強(qiáng)度。2201 0.273BPage 48醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n 磁敏電阻的靈敏度特性 磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度的影響較大。磁阻元件的靈敏度特性用在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度下的電阻變化率來(lái)表示，即磁場(chǎng)電阻變化率特性曲線的斜率。在運(yùn)算時(shí)常用RB/R0求得， R0表示無(wú)磁場(chǎng)情況下磁阻元件的電阻值，RB為施加0.3T磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)磁阻元件的電阻值。Page 49醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 50醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 51醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 52醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 53醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page

30、54醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 55醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 56醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 57醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 58醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 59醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室0 246 8 10 12Page 60醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 61醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 62醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 63醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室一、生物磁學(xué)簡(jiǎn)介一、生物磁學(xué)簡(jiǎn)介1. 生物磁場(chǎng)的來(lái)源生物磁場(chǎng)的來(lái)源2. 外磁場(chǎng)引起的生物效應(yīng)外磁場(chǎng)引起的生物效應(yīng)-生物磁效應(yīng)生物磁效應(yīng)二、生物磁場(chǎng)的測(cè)量二、生物磁場(chǎng)

31、的測(cè)量3. 干擾磁場(chǎng)的抑制干擾磁場(chǎng)的抑制4. 生物磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)生物磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)Page 64醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室第五節(jié)第五節(jié) 磁傳感器的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用磁傳感器的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用一、生物磁學(xué)簡(jiǎn)介1. 生物磁場(chǎng)的來(lái)源n 生物體內(nèi)生物電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)；n 人體精神器官和組織的活動(dòng)，往往伴隨著微弱的生物電流，運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生磁場(chǎng)，凡是能產(chǎn)生生物電流的部位必定會(huì)同時(shí)產(chǎn)生生物磁場(chǎng)； 生物材料產(chǎn)生生物磁場(chǎng)：在少數(shù)生物體內(nèi)，含有微量的強(qiáng)磁性物質(zhì)（主要是Fe3O4）,這種物質(zhì)能使生物體對(duì)磁場(chǎng)有敏銳的反應(yīng)。Page 65醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室2. 外磁場(chǎng)引起的生物效應(yīng)-生物磁效應(yīng)外磁場(chǎng)在生物體中引起的效應(yīng)是多