生物醫(yī)學傳感磁電式

關于生物醫(yī)學傳感磁電式第1頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/20232第2頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五利用“羅盤”定位的生物

蜜蜂、海龜?shù)仍趦鹊脑S多生物體內都存在著納米尺寸的磁性顆粒。這些磁性納米顆粒對于生物的定位與運動行為具有重要意義。第3頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/20234磁電式傳感器磁電感應效應霍爾效應磁電感應式霍爾式磁電傳感器磁場參量電參量本章內容：熟悉磁電感應式傳感器工作原理及類型；掌握霍爾效應和霍爾元件的工作原理；理解霍爾元件測量電路原理第4頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/20235第5頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五6線圈感生電動勢的大小，取決于匝數(shù)W和穿過線圈的磁通變化率。磁通變化率與磁場強度、磁路磁阻、線圈的運動速度有關，如果改變其中任何一個因素，都會改變線圈的感生電動勢。此即磁電式傳感器所依據(jù)的工作原理。根據(jù)磁場中線圈的運動方式不同，其感應電勢的表示式也有所不同。第6頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/20237式中B——磁場的磁感應強度；

l——單匝線圈有效長度；

W——有效線圈匝數(shù)，指在均勻磁場內參與切割磁力線的線圈匝數(shù)；

v——線圈與磁場的相對運動速度；

θ——線圈運動方向與磁場方向的夾角。1.線圈在磁場中作直線運動永久磁鐵產(chǎn)生一個恒定磁場，置于磁場中的線圈作直線運動，這時線圈所產(chǎn)生的感應電勢為第7頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/20238當θ=90?時，線圈運動方向與磁場垂直時

注：當W，B，l均為常數(shù)時，感生電動勢的大小與線圈運動的線速度成正比。這就是一般常見的磁電速度計的工作原理。第8頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202392.線圈在磁場中作旋轉運動線圈在永久磁鐵產(chǎn)生的恒定磁場中作旋轉運動，這時線圈所產(chǎn)生的感應電勢為式中

A——單匝線圈的截面積；

ω——角頻率；第9頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五10當線圈運動方向與磁場方向垂直，θ=90o，則線圈中的感應電勢為：

從上可知，當傳感器結構己定時，參數(shù)B、A、W等均為常數(shù)，因此，感應電勢e與線圈對磁場的相對運動速度v或ω成正比，這就是動圈式磁電傳感器的工作原理。第10頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202311恒磁通式變磁阻式變磁通

動圈式動磁式N線速度型角速度型二、結構類型第11頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/2023121.恒磁通式傳感器的結構原理

動圈式恒磁通式第12頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202313第13頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202314動鐵式v第14頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202315第15頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/2023162.變磁通式傳感器的結構原理

第16頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202317三、磁電式傳感器基本特性磁電傳感器的輸出電流Io為:磁電式傳感器測量電路式中：

Rf——測量電路輸入電阻；R——線圈等效電阻。

第17頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202318傳感器的電流靈敏度為

傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為

磁電式傳感器在使用時存在誤差，主要為非線性誤差和溫度誤差。第18頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/2023191.非線性誤差傳感器靈敏度越高，線圈中電流越大，非線性越嚴重補償線圈第19頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202320

2.溫度誤差

當溫度變化時，對銅線而言每攝氏度變化量為dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2，dB/B每攝氏度的變化量決定于永久磁鐵的磁性材料。對鋁鎳鈷永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，這樣由上式可得近似值如下：

相對誤差熱磁分流器第20頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202321四、磁電式傳感器的測量電路

直接輸出電動勢測量速度；

接入積分電路測量位移；接入微分電路測量加速度。第21頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202322一、霍爾效應和霍爾元件的工作原理第二節(jié)霍爾傳感器第22頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202323第23頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202324第24頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202325霍爾系數(shù)及靈敏度：第25頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202326討論：為什么只能用半導體材料作霍爾元件？

金屬材料電子μ很高但ρ很??；絕緣材料ρ很高但μ很小;

故為獲得較強霍爾效應，霍爾片全部采用半導體材料制成。電子的遷移率比空穴大，所以以N型半導體居多。第26頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202327第27頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202328第28頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202329第29頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202330第30頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202331第31頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202332第32頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/2023336、額定激勵電流和最大允許激勵電流：

當霍爾元件自身溫升10℃時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。7、寄生直流電勢：

在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極輸出除了交流不平衡電勢外，還有一直流電勢，稱為寄生直流電勢。

第33頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202334三、霍爾元件測量電路及其傳感器1、基本測量電路變量：I或B，或者IBUHRLIEIHRB第34頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202335W1W2UH++++----直流供電輸出第35頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202336UH~交流供電輸出第36頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/2023372、霍爾傳感器（1）開關應用+－+15VH-15VR3R1R2R4

霍爾開關集成傳感器廣泛用于點火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、按鈕開關、電流測量和控制等。第37頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202338霍爾開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第38頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202339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3020T123第39頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202340（2）線性應用+－+15VH-15VR3R1R2R4Rf

霍爾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。第40頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202341集成線性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第41頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202342四、霍爾元件的測量誤差補償方法1、零位誤差及補償方法零位誤差：霍爾元件在加控制電流但不加外磁場時出現(xiàn)的霍爾電勢。主要為不等位電勢。DR1R2R4BACR3R4不等位電勢霍爾元件的等效電路第42頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202343幾種常用補償方法WCDAR2R3R4R1BWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1CWABCDWABCD(b)WCABD第43頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202344第44頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202345第45頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202346第46頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202347（2）利用輸入回路串聯(lián)電阻進行補償?shù)?7頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202348第48頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202349第49頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202350第50頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202351（3）利用熱敏電阻進行補償?shù)?1頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/202352（4）利用補償電橋進行補償?shù)?2頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/2023531、測量磁場的大小和方向電位差計mAESNR霍耳傳感器測磁原理示意圖五、霍爾傳感器應用第53頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/2023542、霍爾式微位移傳感器

UH量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量。動態(tài)范圍可達5mm，分辨率為0.001mm。

第54頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/2023553、霍爾電流變換器第55頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五4.霍爾式微壓力傳感器第56頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/2023575、利用霍爾傳感器實現(xiàn)無接觸式仿型加工探頭模型銑刀工件電機電機霍爾傳感器第57頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/2023586、霍爾計數(shù)裝置霍爾開關傳感器絕緣板磁鐵NS+12VSL3051ASVT+VCR5RLR4R3R1R2計數(shù)器第58頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/2023597、汽車霍爾電子點火器霍爾傳感器隔磁罩磁鋼缺口霍爾傳感器隔磁罩磁鋼缺口

當缺口對準霍爾元件時，磁通通過霍爾傳感器形成閉合回路，電路導通，霍爾電路輸出≤0.4V的低電平；當隔磁罩豎邊的凸出部分擋在霍爾元件和磁體之間時，電路截止，霍爾電路輸出高電平。

第59頁，共64頁，2023年，2月20日，星期五3/4/2023608、非接觸式鍵盤開關第60頁，共64頁，202