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第6章磁電式傳感器2/6/20231學(xué)習(xí)目的掌握霍爾傳感器的工作原理與特性,熟悉霍爾傳感器件了解磁敏電阻、磁敏二極管等磁敏元件的工作原理和特性2/6/202326.1概述6.2霍爾式傳感器的工作原理與特性6.3磁敏傳感器
6.4磁電式傳感器的應(yīng)用
本章小結(jié)復(fù)習(xí)思考題主要內(nèi)容返回主目錄2/6/202336.1概述磁電感應(yīng)式傳感器是通過磁電轉(zhuǎn)換將被測(cè)非電量(如振動(dòng)、位移、速度等)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。1820年奧斯特首次通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)。1831年英國(guó)物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,在切割磁通的電路里,產(chǎn)生與磁通變化速率成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。最簡(jiǎn)單的把磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的磁電傳感器就是線圈。2/6/202346.1概述隨著科技發(fā)展,現(xiàn)代磁電傳感器已向固體化發(fā)展,它是利用磁場(chǎng)作用在被測(cè)物上,使物質(zhì)的電性能發(fā)生變化的物理效應(yīng)制成的,從而使磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。磁電式傳感器的種類較多,不同材料制作的磁傳感器其工作原理和特性也不相同。本章主要介紹霍爾傳感器以及磁阻元件、磁敏二極管、磁敏晶體管等常用半導(dǎo)體磁傳感器的原理、特性和應(yīng)用。2/6/202351879年,美國(guó)物理學(xué)家霍爾經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):如果讓恒定電流通過金屬薄片,并將薄片置于強(qiáng)磁場(chǎng)中,在金屬薄片的另外兩側(cè)將產(chǎn)生與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)現(xiàn)象后來被人們稱為霍爾效應(yīng)。但是由于這種效應(yīng)在金屬中非常微弱,當(dāng)時(shí)并沒有引起人們的重視。1948年以后,由于半導(dǎo)體技術(shù)迅速發(fā)展,人們找到了霍爾效應(yīng)比較明顯的半導(dǎo)體材料,并制成了砷化稼、銻化銦、硅、鍺等材料的霍爾元件。返回本章目錄2/6/20236用霍爾元件做成的傳感器稱為霍爾傳感器?;魻杺鞲衅骺梢宰龅煤苄。◣讉€(gè)平方毫米),可以用于測(cè)量地球磁場(chǎng),制成電羅盤;將它卡在環(huán)形鐵心中,可以制成大電流傳感器?;魻杺鞲衅鬟€廣泛用于無刷電動(dòng)機(jī)、高斯計(jì)、接近開關(guān)、微位移測(cè)量等。它的最大特點(diǎn)是非接觸測(cè)量。返回本章目錄2/6/202376.2霍爾傳感器的工作原理與特性6.2.1霍爾效應(yīng)在置于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)通入電流,若電流與磁場(chǎng)垂直,則在與磁場(chǎng)和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電動(dòng)勢(shì)差,這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾傳感器。所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)。圖6-12/6/202386.2霍爾傳感器的工作原理與特性如圖6-1所示,在長(zhǎng)、寬、高分別為L(zhǎng)、W、H的半導(dǎo)體薄片的相對(duì)兩側(cè)a、b通以控制電流,在薄片垂直方向加以磁場(chǎng)B。設(shè)圖中的材料是N型半導(dǎo)體,導(dǎo)電的載流子是電子。在圖示方向磁場(chǎng)的作用下,電子將受到一個(gè)由c側(cè)指向d側(cè)方向力的作用,這個(gè)力就是洛侖茲力。洛侖茲力用表示,大小為:
電子電荷量載流子的運(yùn)動(dòng)速度磁感應(yīng)強(qiáng)度圖6-12/6/20239在洛侖茲力的作用下,電子向d側(cè)偏轉(zhuǎn),使該側(cè)形成負(fù)電荷的積累,c側(cè)則形成正電荷的積累。這樣,c、d兩端面因電荷積累而建立了一個(gè)電場(chǎng),稱為霍爾電場(chǎng)。該電場(chǎng)對(duì)電子的作用力與洛侖茲力的方向相反,即阻止電荷的繼續(xù)積累。當(dāng)電場(chǎng)力()與洛侖茲力大小相等時(shí),達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)有
圖6-1霍爾效應(yīng)與霍爾元件所以霍爾電場(chǎng)的強(qiáng)度為(6-2)在c與d兩側(cè)面間建立的電動(dòng)勢(shì)差稱為霍爾電勢(shì),用表示當(dāng)材料中的電子濃度為n時(shí)(6-3)2/6/202310設(shè)---霍爾系數(shù),得設(shè)---霍爾靈敏度,則(6-5)反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱,是由材料性質(zhì)所決定的一個(gè)常數(shù)大小
霍爾靈敏度,它表示霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)的大小
(6-6)2/6/202311霍耳電勢(shì)與材料的關(guān)系通過以上分析,可以看出⑴霍耳電壓UH大小與材料的性質(zhì)有關(guān)。一般來說,金屬材料n較大,導(dǎo)致RH和KH變小,故不宜做霍耳元件?;舳话悴捎肗型半導(dǎo)體材料。RH=1/nq⑵霍耳電壓UH與元件的尺寸關(guān)系很大,生產(chǎn)元件時(shí)要考慮到以下幾點(diǎn):1)根據(jù)式,H愈小,KH愈大,霍耳靈敏度愈高,所以霍耳元件的厚度都比較薄。但H太小,會(huì)使元件的輸入、輸出電阻增加,因此,也不宜太薄。2/6/202312霍耳電勢(shì)與材料的關(guān)系2)元件的長(zhǎng)寬比對(duì)UH也有影響。L/W加大時(shí),控制電極對(duì)霍耳電壓影響減小。但如果L/W過大,載流子在偏轉(zhuǎn)過程中的損失將加大,使UH下降,通常要對(duì)式(6-6)加以形狀效應(yīng)修正:(6-7)式(6-7)中,為形狀效應(yīng)系數(shù),其修正值如下表所示。通常取L/W0.51.01.52.02.53.04.0f(L/W)0.3700.6750.8410.9230.9670.9840.9962/6/202313霍耳電勢(shì)與材料的關(guān)系3)霍耳電壓UH與控制電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。根據(jù)式UH正比于I及B。當(dāng)控制電流恒定時(shí),B愈大,UH愈大。當(dāng)磁場(chǎng)改變方向時(shí),UH也改變方向。同樣,當(dāng)霍耳靈敏度KH及磁感應(yīng)強(qiáng)度B恒定時(shí),增加控制I,也可以提高霍耳電壓的輸出。但電流不宜過大,否則,會(huì)燒壞霍耳元件。2/6/2023146.2.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)霍爾元件是一種四端型器件,如圖6-2所示,它由霍爾片、4根引線和殼體組成?;魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片,尺寸一般為4mm×2mm×0.1mm。通常為紅色的兩個(gè)引線A、B為控制電流,C、D兩個(gè)綠色引線為霍爾電勢(shì)輸出線。圖6-2霍爾元件2/6/202315主要特征參數(shù)(1)額定控制電流I:使霍爾片溫升10℃所施加的控制電流值。(2)輸入電阻:指控制電極間的電阻值。(3)輸出電阻:指霍爾電勢(shì)輸出極之間的電阻值。(4)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度:磁感應(yīng)強(qiáng)度超過時(shí),霍爾電勢(shì)的非線性誤差明顯增大,數(shù)值一般小于零點(diǎn)幾特斯拉。2/6/202316主要特征參數(shù)2/6/202317(5)不等位電勢(shì):在額定控制電流下,當(dāng)外加磁場(chǎng)為零時(shí),霍爾輸出端之間的開路電壓稱為不等位電勢(shì)。它是由于四個(gè)電極的幾何尺寸不對(duì)稱引起的,如圖6-3所示。使用時(shí)多采用電橋法來補(bǔ)償不等位電勢(shì)引起的誤差。圖6-3霍爾元件的不等位電勢(shì)(6)霍爾電勢(shì)溫度系數(shù):在磁感應(yīng)強(qiáng)度及控制電流一定清況下,溫度變化l℃相應(yīng)霍爾電勢(shì)變化的百分?jǐn)?shù)。它與霍爾元件的材料有關(guān),一般為0.1﹪/℃左右。在要求較高場(chǎng)合,應(yīng)選擇低溫漂的霍爾元件。2/6/2023186.2.3集成霍爾傳感器將霍爾敏感元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源等集成于一個(gè)芯片上構(gòu)成霍爾集成傳感器。有些霍爾傳感器的外形與DIP封裝的集成電路相同,故也稱集成霍爾傳感器。類型:分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器。2/6/2023196.2.3集成霍爾傳感器1、霍爾線性集成傳感器
這種線性型傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系,廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場(chǎng)、電流等的測(cè)量、控制。這種傳感器有單端輸出和雙端輸出(差動(dòng)輸出)兩種電路,如圖6-4所示。圖6-4線形霍爾集成傳感器結(jié)構(gòu)2/6/2023202.開關(guān)型霍爾集成傳感器開關(guān)型霍爾集成傳感器由霍爾元件、放大器、施密特整形電路和開關(guān)輸出等部分組成,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖6-5所示。當(dāng)有磁場(chǎng)作用在霍爾開關(guān)集成傳感器上時(shí),根據(jù)霍爾效應(yīng)原理,霍爾元件輸出霍爾電勢(shì),該電壓經(jīng)放大器放大后,送至施密特整形電路。圖6-5霍爾開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖2/6/2023212.開關(guān)型霍爾集成傳感器當(dāng)放大后的霍爾電勢(shì)大于“開啟”閾值時(shí),施密特電路翻轉(zhuǎn),輸出高電平,使晶體管導(dǎo)通,整個(gè)電路處于開狀態(tài)。圖6-5霍爾開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖2/6/2023222.開關(guān)型霍爾集成傳感器當(dāng)磁場(chǎng)減弱時(shí),霍爾元件輸出的電壓很小,經(jīng)放大器放大后其值仍小于施密特的“關(guān)閉”閾值時(shí),施密特整形器又翻轉(zhuǎn),輸出低電平,使晶體管截止,電路處于關(guān)狀態(tài)。這樣,一次磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化,就使傳感器完成一次開關(guān)動(dòng)作。圖6-5霍爾開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖2/6/2023232/6/202324
霍耳元件其他符號(hào)及代號(hào)國(guó)產(chǎn)器件常用H代表霍耳元件,后面的字母代表元件的材料,數(shù)字代表產(chǎn)品的序號(hào)。如HZ-1元件,說明是用鍺材料制成的霍耳元件;HT-1元件,說明是用銻化銦(InSb)材料制成的元件。
II返回本章目錄2/6/2023256.3 磁敏傳感器6.3.1磁敏電阻1.磁阻效應(yīng)磁敏電阻是利用磁阻效應(yīng)制成的一種磁敏元件。將一載流導(dǎo)體置于外磁場(chǎng)中,除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外,其電阻也會(huì)隨磁場(chǎng)變化,這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。2/6/2023266.3 磁敏傳感器在沒有外加磁場(chǎng)時(shí),磁阻元件的電流密度矢量,如圖6-8a所示。當(dāng)磁場(chǎng)垂直作用在磁阻元件表面上時(shí),由于霍爾效應(yīng),使得電流密度矢量偏移電場(chǎng)方向某個(gè)霍爾角,如圖6-8b所示。這使電流流通的途徑變長(zhǎng),導(dǎo)致元件兩端金屬電極間的電阻值增大。電極間的距離越長(zhǎng),電阻的增長(zhǎng)比例就越大,所以在磁阻元件的結(jié)構(gòu)中,大多數(shù)是把基片切成薄片,然后用光刻的方法插入金屬電極和金屬邊界。圖6-8磁阻元件工作原理示意圖2/6/202327磁阻效應(yīng)的表達(dá)式當(dāng)溫度恒定,在弱磁場(chǎng)范圍內(nèi),磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比。對(duì)于只有電子參與導(dǎo)電的最簡(jiǎn)單情況,理論推出磁阻效應(yīng)的表達(dá)式為磁感應(yīng)強(qiáng)度電子遷移率磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻率(6-8)2/6/202328磁阻效應(yīng)的表達(dá)式設(shè)電阻率的變化為則電阻率的相對(duì)變化為(6-9)由上式可知,磁場(chǎng)一定,遷移率高的材料磁阻效應(yīng)明顯。InSb(銻化銦)和InAs(砷化銦)等半導(dǎo)體的載流子遷移率都很高,更適合于制作磁敏電阻。2/6/2023292.磁敏電阻的形狀磁阻效應(yīng)除與材料有關(guān)外,還與磁阻器件的幾何形狀及尺寸密切相關(guān)在恒定磁感應(yīng)強(qiáng)度下,磁敏電阻的長(zhǎng)與寬的比越小,電阻率的相對(duì)變化越大??紤]到形狀影響時(shí),電阻率的相對(duì)變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度和遷移率的關(guān)系可用下式近似表示
(6-10)2/6/2023302.磁敏電阻的形狀式中—形狀效應(yīng)系數(shù),L,b分別為磁阻器件的長(zhǎng)度和寬度。除長(zhǎng)方形磁阻器件外,還有圓盤形磁阻器件,其中心和邊緣各有一個(gè)電極,如圖6-9所示。這種圓盤形磁阻器件稱為科爾比諾圓盤。這時(shí)的效應(yīng)稱科爾比諾效應(yīng)。因?yàn)閳A盤的磁阻最大,故大多磁阻器件做成圓盤結(jié)構(gòu)。圖6-9磁敏電阻的形狀2/6/202331磁阻元件2/6/2023323.磁敏電阻的基本特性(1)B-R特性。它由無磁場(chǎng)時(shí)的電阻和磁感應(yīng)強(qiáng)度B時(shí)的電阻來表示。隨元件形狀不同而異,約為數(shù)十歐至數(shù)千歐,隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化而變化。圖6-10為磁敏電阻的特性曲線。在0.1T以下的弱磁場(chǎng)中,曲線呈現(xiàn)平方特性,而超過0.1T后呈現(xiàn)線性變化。圖6-10磁敏電阻的B-R特性2/6/202333(2)靈敏度K磁敏電阻的靈敏度可由下式表示:(6-11)式中——磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.3T時(shí)的值;——無磁場(chǎng)時(shí)的電阻值。一般情況下,磁敏電阻的靈敏度K≥2.7。2/6/202334(3)溫度系數(shù)磁敏電阻的溫度系數(shù)約為-2%/℃,這個(gè)值較大。為補(bǔ)償磁敏電阻的溫度特性,可采用兩個(gè)元件串聯(lián)成對(duì)使用,用差動(dòng)方式工作。2/6/2023356.3.2磁敏二極管
磁敏二極管是一種磁電轉(zhuǎn)換的元件,可以將磁信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào).特點(diǎn):具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)快、無觸點(diǎn)、輸出功率大及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。應(yīng)用:它可廣泛應(yīng)用于磁場(chǎng)的檢測(cè)、磁力探傷、轉(zhuǎn)速測(cè)量、位移測(cè)量、電流測(cè)量、無觸點(diǎn)開關(guān)和無刷直電流電機(jī)等許多領(lǐng)域。
2/6/2023361.磁敏二極管的結(jié)構(gòu)磁敏二極管是PN
結(jié)型的磁電轉(zhuǎn)換元件,有硅磁敏二極管和鍺磁敏二極管兩種,結(jié)構(gòu)如圖6-11所示。在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的P型和N型兩個(gè)區(qū)域,在P、N之間有一個(gè)較長(zhǎng)的本征區(qū)I
,本征區(qū)I的一面磨成光滑的復(fù)合表面(為I區(qū)),另一面打毛,成為高復(fù)合區(qū)(r區(qū)),因?yàn)殡娮?空穴對(duì)易于在粗糙表面復(fù)合而消失。當(dāng)通以正向電流后就會(huì)在P、I、N結(jié)之間形成電流。由此可知,磁敏二極管是PIN型的。圖6-11磁敏二極管結(jié)構(gòu)示意圖2/6/2023371.磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與普通二極管區(qū)別:普通二極管PN結(jié)的基區(qū)很短,以避免載流子在基區(qū)復(fù)合,磁敏二極管的PN結(jié)卻有很長(zhǎng)的基區(qū),大于載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度,但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成。圖6-11磁敏二極管結(jié)構(gòu)示意圖2/6/2023382.工作原理磁敏二極管在磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化下,其電流發(fā)生變化,于是就實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。且I區(qū)和r區(qū)的復(fù)合能力之差越大,磁敏二極管的靈敏度就越高。圖6-12磁敏二極管工作原理示意圖2/6/2023393.磁敏二極管的主要特性(1)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(chǎng)間的變化關(guān)系。圖6-13給出磁敏二極管單個(gè)使用和互補(bǔ)使用時(shí)的磁電特性曲線。圖6-13磁敏二極管磁電特性曲線正向磁靈敏度大于反向互補(bǔ)使用時(shí),正、反向磁靈敏度曲線對(duì)稱,且在弱磁場(chǎng)下有較好的線性2/6/202340(2)伏安特性在給定磁場(chǎng)情況下,磁敏二極管兩端正向偏壓和通過它的電流的關(guān)系曲線。如圖6-14所示。不同種類的磁敏二極管伏安特性也不同。圖6-14磁敏二極管伏安特性曲線2/6/202341(3)溫度特性一般情況下,磁敏二極管受溫度的影響較大。反映磁敏二極管的溫度特性好壞,也可用溫度系數(shù)來表示。硅磁敏二極管在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的溫度系數(shù)小于+20mV/℃,的溫度系數(shù)小于0.6%/℃。而鍺磁敏二極管的溫度系數(shù)小于-60mV/℃,的溫度系數(shù)小于1.5%/℃。所以,規(guī)定硅管的使用溫度為-40~+85℃,而鍺管則現(xiàn)定為-40~+65℃。指在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下,輸出電壓變化量(或無磁場(chǎng)作用時(shí)輸出電壓)隨溫度變化的規(guī)律,如圖6-15所示。圖6-15磁敏二極管溫度特性2/6/202342(4)頻率特性硅磁敏二極管的響應(yīng)時(shí)間,幾乎等于注入載流子漂移過程中被復(fù)合并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的時(shí)間。所以,頻率響應(yīng)時(shí)間與載流子的有效壽命相當(dāng)。硅管的響應(yīng)時(shí)間小于,即響應(yīng)頻率高達(dá)1MHz。鍺磁敏二極管的響應(yīng)頻率小于10kHz,如圖6-16所示。圖6-16鍺磁敏二極管頻率特性2/6/2023436.3.3磁敏晶體管1.
磁敏晶體管的結(jié)構(gòu)工作原理
磁敏晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖6-17所示。NPN型磁敏晶體管是在弱P型近本征半導(dǎo)體上,用合金法或擴(kuò)散法形成三個(gè)結(jié)——即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)所形成的半導(dǎo)體元件。其最大特點(diǎn)是基區(qū)較長(zhǎng),在長(zhǎng)基區(qū)的側(cè)面制成一個(gè)復(fù)合率很高的高復(fù)合區(qū)。在區(qū)的對(duì)面保持光滑的無復(fù)合的鏡面,長(zhǎng)基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部分。圖6-17磁敏晶體管結(jié)構(gòu)與符號(hào)2/6/2023442.工作原理磁敏晶體管的基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度,因而注入的載流子除少部分輸入到集電極外,大部分通過e-I-b而形成基極電流當(dāng)受到正向磁場(chǎng)作用時(shí),由于洛侖茲力作用,載流子向發(fā)射結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn),從而使集電極電流明顯下降當(dāng)受反向磁場(chǎng)作用時(shí),載流子在洛侖茲力作用下,向集電結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn),使集電極電流增大圖6-18磁敏晶體管工作原理示意圖2/6/2023452.工作原理由此可以看出,磁敏晶體管工作原理與磁敏二極管完全相同。在正向或反向磁場(chǎng)作用下,會(huì)引起集電極電流的減少或增加。因此,可以用磁場(chǎng)方向控制集電極電流的增加或減少,用磁場(chǎng)的強(qiáng)弱控制集電極電流的增加或減少的變化量。2/6/2023463.磁敏晶體管的主要特性(1)磁電特性:磁電特性是磁敏晶體管最重要的工作特性之一。例如,國(guó)產(chǎn)NPN型3BCM鍺磁敏晶體管的磁電特性曲線如圖6-19所示。在弱磁場(chǎng)作用下,曲線接近一條直線。圖6-193BCM的磁電特性2/6/202347(2)伏安特性磁敏晶體管的伏安特性類似普通晶體管的伏安特性曲線。圖6-20a為不受磁場(chǎng)作用時(shí)磁敏晶體管的伏安特性曲線圖6-20b給出了磁敏晶體管在基極恒流條件下()集電極電流的變化的特性曲線。圖6-20磁敏晶體管伏安特性曲線2/6/202348(3)溫度特性磁敏晶體管對(duì)溫度也是敏感的。3ACM、3BCM磁敏晶體管的溫度系數(shù)為0.8%/℃;3CCM磁敏晶體管的溫度系數(shù)為-0.6%/℃。3BCM的溫度特性曲線如圖6-21所示。
圖6-213BCM磁敏晶體管的溫度特性返回本章目錄2/6/2023496.4磁電式傳感器的應(yīng)用6.4.1霍爾傳感器的應(yīng)用特點(diǎn):霍爾傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝成熟、體積小、壽命長(zhǎng)、線性度好、頻帶寬。應(yīng)用:用于測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度、電功率、電能、大電流、微氣隙中的磁場(chǎng);2/6/2023506.4磁電式傳感器的應(yīng)用應(yīng)用:用以制成磁讀頭、磁羅盤、無刷電機(jī);用于無觸點(diǎn)發(fā)信,做接近開關(guān)、霍爾電鍵;用于制成乘、除、平方、開方等計(jì)算元件;用于制作微波電路中的環(huán)行器、隔離器等等。至于再經(jīng)過二次轉(zhuǎn)換或多次轉(zhuǎn)換、用于非磁量的檢測(cè)和控制,霍爾元件的應(yīng)用領(lǐng)域就更廣泛了,如測(cè)量微位移、轉(zhuǎn)速、加速度、振動(dòng)、壓力、流量、液位等等。2/6/202351把探頭放在待測(cè)磁場(chǎng)中,探頭的磁敏感面要與磁場(chǎng)方向垂直??刂齐娏饔珊懔髟矗ɑ蚝銐涸矗┕┙o,用電表或電位差計(jì)來測(cè)量霍爾電動(dòng)勢(shì)。根據(jù),若控制電流不變,則霍爾輸出電動(dòng)勢(shì)正比于磁場(chǎng).1.磁場(chǎng)測(cè)量
(微磁場(chǎng)測(cè)量)2/6/2023522/6/2023532.電流測(cè)量(電流計(jì))由霍爾元件構(gòu)成的電流傳感器具有測(cè)量為非接觸式、測(cè)量精度高、不必切斷電路電流、測(cè)量的頻率范圍廣(從零到幾千赫茲)、本身幾乎不消耗電路功率等特點(diǎn)。2/6/2023542.電流測(cè)量(電流計(jì))
根據(jù)安培定律,在載流導(dǎo)體周圍將產(chǎn)生一正比于該電流的磁場(chǎng)。用霍爾元件來測(cè)量這一磁場(chǎng),可得到一正比于該磁場(chǎng)的霍爾電動(dòng)勢(shì)。通過測(cè)量霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小來間接測(cè)量電流的大小,這就是霍爾鉗形電流表的基本測(cè)量原理。如圖6-22。圖6-22霍爾元件測(cè)量電流2/6/2023552/6/2023562/6/2023572/6/2023583.霍爾轉(zhuǎn)速表在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤,也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪,將線性形霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化,霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后就可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。如圖6-23所示。轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為:圖6-23霍爾轉(zhuǎn)速表齒盤的齒數(shù)輸出脈沖數(shù)轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)2/6/2023592/6/2023604.角位移測(cè)量?jī)x當(dāng)不同時(shí),霍爾電勢(shì)也不同?;魻柦俏灰茰y(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)如圖6-24所示?;魻柶骷c被測(cè)物連動(dòng),而霍爾器件又在一個(gè)恒定的磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng),于是霍爾電勢(shì)就反映了轉(zhuǎn)角的變化。不過,這個(gè)變化是非線性的(正比于),若要求與成線性關(guān)系,必須采用特定形狀的磁極。當(dāng)霍爾元件與磁場(chǎng)方向不垂直,而是與其法線成某一角度時(shí),這時(shí)霍爾電勢(shì)(6-13)圖6-24角位移測(cè)量?jī)x2/6/2023615.接近開關(guān)當(dāng)霍爾元件通以恒定的控制電流,且有磁體近距離接近霍爾元件
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