醫(yī)用磁傳感器

第七章磁傳感器第一節(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)型的磁傳感器第五節(jié)磁傳感器的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用磁傳感器分類(lèi)磁傳感器磁電式傳感器（電動(dòng)式傳感器或感應(yīng)式傳感器）磁敏傳感器（對(duì)磁場(chǎng)敏感的原件）磁電式血流量計(jì)霍爾元件，磁敏二極管，磁敏三極管第一節(jié)磁電式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器,是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。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)量的電信號(hào),是有源傳感器輸出功率大且性能穩(wěn)定,具有一定的工作帶寬（10～1KHz）

基本原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)W匝線圈在均恒磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為φ，則線圈的感應(yīng)電勢(shì)e為：負(fù)號(hào)表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)總是反抗磁通量的變化

基本原理當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，它所產(chǎn)生的感生電勢(shì)為：基本原理當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e為：

基本原理在線圈結(jié)構(gòu)一定的情況下，這種線圈的感應(yīng)電勢(shì)與線圈對(duì)磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v(或者ω)成正比，可以用于測(cè)量速度和角速度由于速度與位移存在積分關(guān)系，與加速度存在微分關(guān)系，通過(guò)在電路中接入積分電路或者微分電路便可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)的位移和加速度

磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)恒定磁通式磁電傳感器

磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)變磁阻式磁電傳感器磁電式傳感器的誤差和補(bǔ)償當(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Io為傳感器的電流靈敏度為傳感器的輸出電壓為傳感器的電壓靈敏度為

磁電式傳感器的誤差當(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)量誤差。相對(duì)誤差為dL/L≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2,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≈-0.02×10-2溫度誤差溫度補(bǔ)償負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻與線圈串聯(lián)熱磁分路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。當(dāng)溫度升高時(shí),熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降,經(jīng)它分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低,從而保持空氣隙的工作磁通不隨溫度變化,維持傳感器靈敏度為常數(shù)

磁電式傳感器的非線性誤差由于傳感器線圈內(nèi)有電流i流過(guò)時(shí)，將產(chǎn)生一定的交變磁通φi疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上。使得傳感器的靈敏度受到影響。補(bǔ)償線圈

磁電式傳感器的非線性誤差第二節(jié)電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)的工作原理

電磁血流量計(jì)的組成

電磁血流量計(jì)的探頭

電磁血流量計(jì)的探頭

電磁血流量計(jì)的檢測(cè)電路直流激勵(lì)受交流電磁場(chǎng)干擾影響很小直流磁場(chǎng)易使通過(guò)測(cè)量管道的電解質(zhì)液體被極化，即電解質(zhì)在電場(chǎng)中被電解，產(chǎn)生正負(fù)離子。在電場(chǎng)力的作用下，負(fù)離子跑向正極，正離子跑向負(fù)極。將導(dǎo)致正負(fù)電極分別被相反極性的離子所包圍易受到其他信號(hào)的干擾，如心電信號(hào)

電磁血流量計(jì)的檢測(cè)電路交流激勵(lì)相當(dāng)于調(diào)制，可以有效地去除干擾變壓器效應(yīng)：交變電流引發(fā)交變磁場(chǎng)，從而使電極、血液和導(dǎo)線回路內(nèi)的磁通量發(fā)生改變電磁血流量計(jì)的檢測(cè)電路第三節(jié)

霍爾式傳感器利用霍爾元件（Hallelement）基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)（磁場(chǎng)方向垂直于薄片）中，當(dāng)有電流I流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)演示

當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。cdab磁感應(yīng)強(qiáng)度B較大時(shí)的情況

作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高。霍爾電勢(shì)EH可用下式表示：

EH=KHIB磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdab磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdab霍爾電勢(shì)洛侖茲力電場(chǎng)力兩力平衡時(shí)，電流密度j=nqvn—N型半導(dǎo)體中的電子濃度N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體p—P型半導(dǎo)體中的空穴濃度霍耳電勢(shì)UH與I、B的乘積成正比，而與d成反比。

—霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。ρ—材料電阻率μ—載流子遷移率,μ=v/E,即單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下載流子的平均速度。

RH------霍爾系數(shù)霍爾元件的電磁特性

①UH–I特性

在磁場(chǎng)和環(huán)境溫度一定時(shí)，霍爾輸出電勢(shì)UH與控制電流I之間呈線性關(guān)系，如圖所示，直線的斜率稱(chēng)為控制電流靈敏度，用k1表示

k1=(UH/I)B恒定代入可以得到k1=kHB

因此，霍爾元件的靈敏度系數(shù)kH越大，其k1也越大。

②UH-B特性

當(dāng)控制電流一定時(shí)，霍爾元件的開(kāi)路輸出電壓隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加并不是完全成線性關(guān)系，只有當(dāng)B小于0.5T時(shí)，UH–B

的線性度才比較好。R-B特性指霍爾元件的輸入 電阻與磁場(chǎng)之間的 關(guān)系。 霍爾元件的內(nèi)阻隨磁場(chǎng)的絕對(duì)值增加而增加的現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)

霍爾元件的誤差與補(bǔ)償1.零位誤差當(dāng)霍爾元件通以控制電流而不加外磁場(chǎng)時(shí)，其輸出端仍然存在空載電動(dòng)勢(shì)，稱(chēng)為不等位電勢(shì)霍爾元件的誤差與補(bǔ)償不等位電勢(shì)的補(bǔ)償使霍爾電極對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償電路DR1R2CBAR3R4霍爾元件的誤差與補(bǔ)償WABDR2R3R4R1CWADCBWDCABWABDR2R3R4R1CWDCABBWBDR2R3R4R1AC2、寄生直流電勢(shì)當(dāng)霍爾元件通以交流控制電流而不加外磁場(chǎng)時(shí)，霍爾輸出除了交流不等位電勢(shì)外，還有一直流電勢(shì)分量，稱(chēng)寄生直流電勢(shì)。3、感應(yīng)零電勢(shì)霍爾元件在交流或脈動(dòng)磁場(chǎng)中工作時(shí)，即使不加控制電流，霍爾端也會(huì)有輸出，這個(gè)輸出就是感應(yīng)零電勢(shì)。它是由于霍爾電極的引線布置不合理而造成的。

4、自激場(chǎng)零電勢(shì)當(dāng)霍爾元件通以控制電流時(shí)，此電流也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)稱(chēng)為自激場(chǎng)。

霍爾元件的誤差與補(bǔ)償溫度誤差 由于霍爾元件一般由半導(dǎo)體材料制成，而半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度都隨溫度變化，因此其性能參數(shù)如輸入電阻、輸出電阻和霍爾常數(shù)等也隨著溫度而變化，從而導(dǎo)致霍爾電勢(shì)變化，產(chǎn)生溫度誤差

溫度誤差補(bǔ)償恒流源供電，輸入回路并聯(lián)電阻IUHtUHIRPRi(t)Rt(t)RPIUHI當(dāng)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)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。當(dāng)溫度恒定時(shí)，在磁場(chǎng)中，磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比。如果器件只有在電子參與導(dǎo)電的情況下，理論推導(dǎo)出來(lái)的磁阻效應(yīng)方程為：第四節(jié)磁敏電阻式傳感器一、磁敏電阻式傳感器電阻率的相對(duì)變化可以看出，在磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ一定時(shí)，遷移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半導(dǎo)體材料）磁阻效應(yīng)越明顯。從微觀上講，材料的電阻率增加是因?yàn)殡娏鞯牧鲃?dòng)路徑因磁場(chǎng)的作用而加長(zhǎng)所致。磁阻元件的主要特性1.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)—電阻特性曲線的斜率。2.電阻—溫度特性半導(dǎo)體磁阻元件的溫度特性不好。元件的電阻值在不大的溫度變化范圍內(nèi)減小的很快。因此，在應(yīng)用時(shí)，一般都要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。溫度（℃）020150504080100電阻（Ω）10060磁敏二極管的P型和N型電極由高阻材料制成，在P、N之間有一個(gè)較長(zhǎng)的本征區(qū)I。本征區(qū)I的一面磨成光滑的無(wú)復(fù)合表面（I區(qū)），另一面打毛，設(shè)置成高復(fù)合區(qū)（r區(qū))。（一）磁敏二極管二、磁敏二極管和磁敏三極管1.磁敏二極管的結(jié)構(gòu)+－（a）結(jié)構(gòu)（b）符號(hào)P+N+I區(qū)r區(qū)當(dāng)磁敏二極管末受到外界磁場(chǎng)作用時(shí)，外加正向偏壓后，則有大量的空穴從P區(qū)通過(guò)I區(qū)進(jìn)入N區(qū)，同時(shí)也有大量電子注入P區(qū)，形成電流。只有少量電子和空穴在I區(qū)復(fù)合掉。P+N+I區(qū)r面2.磁敏二極管的工作原理當(dāng)磁敏二極管受到外界正向磁場(chǎng)作用時(shí)，則電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，由于r區(qū)的電子和空穴復(fù)合速度比光滑面I區(qū)快，因此，形成的電流因復(fù)合而減小，電阻增大。P+N+I區(qū)r面H+當(dāng)磁敏二極管受到外界反向磁場(chǎng)作用時(shí)，電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向r區(qū)的對(duì)面偏移，由于電子和空穴復(fù)合率明顯變小，因此，電流變大，電阻減小。P+N+I區(qū)r面H-（三）磁敏二極管的主要特性

1.磁電特性：在給定的條件下，磁敏二極管輸出的電壓變化與外加磁場(chǎng)的關(guān)系。B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0ΔU/V在弱磁場(chǎng)下(0.1T一下)輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，曲線趨于飽和。2.伏安特性：磁敏二極管正向偏壓和通過(guò)其電流的關(guān)系。不同磁場(chǎng)強(qiáng)度H作用下，磁敏二極管伏安特性不同當(dāng)所加偏壓一定時(shí)，磁場(chǎng)按正方向增加時(shí)，二極管電阻增加，電流減小。在同一磁場(chǎng)下，電流越大，輸出電壓越大。1357921.510.50-0.5-1-1.5-2

U(V)I(mA)3.溫度特性：在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，輸出電壓變化量隨溫度的變化。溫度升高時(shí)，電流急增，電壓減少，磁靈敏度下降，須采用溫度補(bǔ)償。T/℃020400.20.40.60.81.0E=6VB=0.1T8060-20-5-4-3-2-1IΔUI/mAΔU/V溫度補(bǔ)償電路Rm1EU0Rm2RtEU0RmRm1Rm2Rm3Rm4EU0常用的補(bǔ)償電路:采用兩支性能接近的磁敏二極管，按相反磁極性組合，即將它們的磁敏面相對(duì)或背向放置，溫度無(wú)論如何變化，兩管的分壓比不會(huì)發(fā)生變化，輸出電壓則不隨溫度變化。同時(shí)由于兩管互補(bǔ)，當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí)，輸出電壓變化量增加，能提高靈敏度。Rm1EU0Rm2不僅能很好的實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，提高靈敏度。電路如不平衡，可以適當(dāng)調(diào)整橋臂電阻的大小。采用兩個(gè)互補(bǔ)電路并聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)，溫度特性、對(duì)稱(chēng)性、靈敏度都好，但是需要尋找4個(gè)性能相近的磁敏二極管。Rm1Rm2Rm3Rm4EU01.磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與工作原理在弱P型本征半導(dǎo)體上用合金法或擴(kuò)散法形成發(fā)射極、基極和集電極?；鶇^(qū)較長(zhǎng)?；鶇^(qū)側(cè)面制成一個(gè)復(fù)合速率很高的復(fù)合區(qū)r。長(zhǎng)基區(qū)分為運(yùn)輸基區(qū)和復(fù)合基區(qū)。(二)磁敏三極管的工作原理和主要特性(a)結(jié)構(gòu)(b)符號(hào)bcecN+eH-H+bIrN+P+當(dāng)磁敏三極管末受磁場(chǎng)作用時(shí)，由于基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，大部分載流子通過(guò)e-I-b形成基極電流，少數(shù)載流子輸入到c極。因而形成基極電流大于集電極電流的情況，使β＜l。工作原理:N+N+eP+xIrbcy當(dāng)受到正向磁場(chǎng)(H+)作用時(shí)，由于磁場(chǎng)的作用，洛侖茲力使載流子偏向發(fā)射結(jié)的一側(cè)，導(dǎo)致集電極電流顯著下降，當(dāng)反向磁場(chǎng)(H-)作用時(shí)，在H-的作用下，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大。N+N+eP+xrbycIN+N+eP+xIrbcH-y圖7-25磁敏三極管工作原理N+N+eP+xIrbcyH+N+N+eP+xIrbcH-yN+N+eP+xrbycI（a）(b)(c)由此可知、磁敏三極管在正、反向磁場(chǎng)作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。這樣就可以利用磁敏三極管來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)、電流、轉(zhuǎn)速、位移等物理量。與普通晶體管的伏安特性曲線類(lèi)似。由圖可知，磁敏三極管的電流放大倍數(shù)小于1。(1)伏安特性2.磁敏三極管的主要特性Ib=0Ib=5mA1.00.80.60.40.20246810Uce/VIc/mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAUce/VIb=3mA,B=-0.1T1.00.80.60.40.20246810Ic/mAIb=3mA,B=0Ib=3mA,B=0.1T(1)為不受磁場(chǎng)作用時(shí)(2)磁場(chǎng)為1kGs

基極為3mA(2)磁電特性磁敏三極管的磁電特性是應(yīng)用的基礎(chǔ)，右圖為國(guó)產(chǎn)NPN型3BCM(鍺)磁敏三極管的磁電特性，在弱磁場(chǎng)作用下，曲線接近一條直線。-3-2-112345B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.1圖7-273BCM磁敏三極管的磁電特性(3)溫度特性及其補(bǔ)償磁敏三極管對(duì)溫度比較敏感，使用時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。對(duì)于鍺磁敏三極管如3ACM、3BCM，其磁靈敏度的溫度系數(shù)為0.8％/0C；硅磁敏三極管(3CCM)磁靈敏度的溫度系數(shù)為-0.6％/0C

。因此，實(shí)際使用時(shí)必須對(duì)磁敏三極管進(jìn)行溫度補(bǔ)償。具體補(bǔ)償電路如圖所示。當(dāng)溫度升高時(shí)，V1管集電極電流IC增加．導(dǎo)致Vm管的集電極電流也增加，從而補(bǔ)償了Vm管因溫度升高而導(dǎo)致IC

的下降。對(duì)于硅磁敏三極管因其具有負(fù)溫度系數(shù)，可用正溫度系數(shù)的普通硅三極管來(lái)補(bǔ)償因溫度而產(chǎn)生的集電極電流的漂移。ECR1μAmAV1VmReR2補(bǔ)償電路(a)利用鍺磁敏二極管電流隨溫度升高而增加的特性，使其作為硅磁敏三極管的負(fù)載，從而當(dāng)溫度升高時(shí)，可補(bǔ)償硅磁敏三極管的負(fù)溫度漂移系數(shù)所引起的電流下降。WVmU0EC補(bǔ)償電路(b)下圖是采用兩只特性一致、磁極相反的磁敏三極管組成的差動(dòng)電路。這種電路既可以提高磁靈敏度，又能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，它是一種行之有效的溫度補(bǔ)償電路。U0W1RLVm1Vm2ECW2RLRe補(bǔ)償電路

(c)●人體中所含元素：碳、氫、氧、氮、硫、磷、氯、鈉、鉀、鈣、鎂、鐵等和一些微量元素。其中多數(shù)有順磁性（3d或4d族的過(guò)渡離子）。蛋白質(zhì)、酶和自由基均為順磁性●占人體70%的水具有弱抗磁性。●極少數(shù)材料為鐵磁性一、生物材料的磁性1生物磁現(xiàn)象生物磁學(xué)的研究?jī)?nèi)容包括兩部分：①生物機(jī)體自身或被誘發(fā)產(chǎn)生的磁場(chǎng)——診斷；②磁場(chǎng)引起的生物效應(yīng)——治療。第五節(jié)磁傳感器的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用二、人體磁場(chǎng)生物組織、器官、細(xì)胞等存在很微弱的磁場(chǎng)。產(chǎn)生原因：①變動(dòng)磁場(chǎng)：生物電荷運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。細(xì)胞膜內(nèi)外的離子運(yùn)動(dòng)的生物電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)；如心磁場(chǎng)10－11T，腦磁場(chǎng)10－12T②定常磁場(chǎng)：自然界含有鐵性成分及某些磁性物質(zhì)(如Fe3O4粉塵等）經(jīng)呼吸道吸入或經(jīng)消化道食入人體內(nèi)而形成的磁場(chǎng)；10－8T③感應(yīng)磁場(chǎng)：生物磁性材料（如肝、脾）在外磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的磁場(chǎng);④誘發(fā)磁場(chǎng)：在外界刺激下產(chǎn)生誘發(fā)電位，引起誘發(fā)磁場(chǎng)。如誘發(fā)腦磁場(chǎng)10－13T三、機(jī)體與外磁場(chǎng)的相互作用1、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：生物（帶電）體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所致。分子極化——電荷再分布；帶電粒子遷移——傳導(dǎo)電流；2、洛侖茲力：

磁場(chǎng)中，帶電粒子改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)方向?；瘜W(xué)物質(zhì)內(nèi)部再分布。3、磁化：

具有