第四章磁力傳感器

第四章磁傳感器教學目的與要求：要求學生了解磁傳感器的分類及特點;理解感應式磁敏傳感器的原理；掌握霍爾傳感器的工作原理、特性及應用。

教學重點：霍爾傳感器的工作電路、特性及應用教學難點：霍爾效應磁敏傳感器是對磁場參量(B,H,φ)敏感的元器件或裝置,具有把磁學物理量轉換為電信號的功能。第四章磁傳感器質子旋進式磁敏傳感器光泵式磁敏傳感器SQUID（超導量子干涉器）磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器感應式磁敏傳感器半導體磁敏傳感器霍爾器件、磁敏二極管、磁敏三極管、磁敏電阻機械式磁敏傳感器光纖式磁敏傳感器一、霍耳磁敏傳感器

通電的導體或半導體，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。+I+++++++++++－－－－－－Ｂlwd霍耳效應原理圖VH

它是利用霍耳元件基于霍耳效應原理而將被測量轉換成電動勢輸出的一種傳感器。1、霍耳效應

當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內側偏移，在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢?；魻栃菔净舳妱軻H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決定。μ—載流子遷移率,μ=v/E,即單位電場強度作用下載流子的平均速度。

金屬材料，電子μ很高但ρ很小，絕緣材料，ρ很高但μ很小。故為獲得較強霍耳效應，霍耳片全部采用半導體材料制成。q—電子電量ρ—材料電阻率設KH=RH/d

KH—霍耳器件的乘積靈敏度。它與載流材料的物理性質和幾何尺寸有關，表示在單位磁感應強度和單位控制電流時霍耳電勢的大小。若磁感應強度B的方向與霍耳器件的平面法線夾角為θ時，霍耳電勢應為：

VH＝KH

IB

VH＝KHIBcosθ

由上式可見，厚度d越小，霍爾靈敏度KH越大，所以霍爾元件做的較薄，通常近似1微米。2、霍爾元件(1)霍耳元件的基本電路

基于霍爾效應工作的半導體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導體材料。目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導體材料。

薄膜霍爾元件厚度只有1μm左右?；魻栐苫魻柶⑺母€和殼體組成?；舳敵龆说亩俗覥、D相應地稱為霍耳端或輸出端。電流端子A、B相應地稱為器件電流端、控制電流端或輸入電流端。H霍耳器件符號AAABBBCCCDDD控制電流I；霍耳電勢VH；控制電壓V；霍耳負載電阻R3；霍耳電流IH。

霍耳輸出端接負載R3,R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內阻等。磁場B垂直通過霍耳器件,在磁場與控制電流作用下，由負載上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本電路R實際使用時,器件輸入信號可以是I或B，或者IB,而輸出可以正比于I或B,或者正比于其乘積IB。

這類傳感器一般由霍耳元件和放大器組成，霍耳線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場成線性比例關系。當外加磁場時,霍耳元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍耳電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。在實際電路設計中，為了提高傳感器的性能，往往在電路中設置穩(wěn)壓、電流放大輸出級、失調調整和線性度調整等電路。

霍耳線性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制?；舳€性集成傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種。（2）霍耳線性集成傳感器霍耳線性集成傳感器的輸出特性如下圖：

磁感應強度B/T5.64.63.62.61.6-0.3-0.2-0.100.10.20.3輸出電壓U/V單端輸出傳感器的電路結構框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675

雙端輸出傳感器的電路結構框圖

單端輸出的傳感器是一個三端器件，它的輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線性響應，通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。

雙端輸出的傳感器是一個8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動射極跟隨輸出，還可提供輸出失調調零。典型應用

電流傳感器、轉速檢測、電機控制、鐵質金屬檢測、

位置傳感器、磁碼讀取、振動檢測、液位傳感器、壓力傳感器霍耳開關集成傳感器是利用霍耳效應與集成電路技術結合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關的物理量，并以開關信號形式輸出。霍耳開關集成傳感器具有使用壽命長、無觸點磨損、無火花干擾、無轉換抖動、工作頻率高、溫度特性好、能適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點。（3）霍耳開關集成傳感器

霍耳開關集成傳感器的應用領域：點火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉速、里程測定、機械設備的限位開關、按鈕開關、電流的測定與控制、位置及角度的檢測等等。由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內工作；開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口?；舳_關集成傳感器內部結構框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大BT整形地H

3020T輸出VoutR=2kΩ+12V123（b）應用電路（a）外型霍耳開關集成傳感器的外型及應用電路123從工作特性曲線上可以看出，工作特性有一定的磁滯BH，圖中的BOP為工作點“開”的磁感應強度，BRP為釋放點“關”的磁感應強度。霍耳開關集成傳感器的工作特性曲線VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB0當外加磁感強度高于BOP時，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當外加磁感強度低于BRP時，輸出電平由低變高，傳感器處于關狀態(tài)。利用霍耳效應制作的霍耳器件，不僅在磁場測量方面，而且在測量技術、無線電技術、計算技術和自動化技術等領域中均得到了廣泛應用。利用霍耳電勢與外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制電流，對磁量以及其他可轉換成磁量的電量、機械量和非電量等進行測量和控制。應用這類特性制作的器具有磁通計、電流計、磁讀頭、位移計、速度計、振動計、羅盤、轉速計、無觸點開關等。3、霍耳磁敏傳感器特點及應用實例

霍耳元件在靜止狀態(tài)下，具有感受磁場的獨特能力，結構簡單、體積小、無觸點、頻帶寬，動態(tài)性能好以及壽命長。測量磁場的大小和方向電位差計mAESNR霍耳磁敏傳感器測磁原理示意圖測量鐵心氣隙的B值霍爾元件霍爾傳感器用于測量磁場強度霍爾壓力傳感器結構原理

無觸點開關n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關型霍爾IC

T霍爾式接近開關用于轉速測量演示測轉速：（教材P157圖4-20）SN線性霍爾磁鐵在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉動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經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速?；魻栟D速表計數(shù)裝置(導磁產(chǎn)品)電流傳感器

當電流流過導線時，將在導線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測。

鐵心線性霍爾IC

EH=KHIB

II霍爾電流傳感器演示鐵磁材料裂紋檢測

NS霍爾效應鋼絲斷絲檢測裝置1—鋼絲繩2—霍爾元件3—永久磁