第4章 磁電傳感器

第4章

磁電傳感器磁敏傳感器4.1霍爾傳感器4.2電渦流傳感器4.3技能實(shí)訓(xùn)4.4【學(xué)習(xí)目標(biāo)】掌握磁敏二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理掌握磁敏三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理掌握電渦流探頭結(jié)構(gòu)和被測體材料、形狀及大小對靈敏度的影響掌握霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理掌握霍爾元件的特性參數(shù)掌握磁敏二極管的應(yīng)用掌握磁敏三極管的應(yīng)用掌握電渦流式傳感器的應(yīng)用掌握霍爾傳感器的應(yīng)用【技能目標(biāo)】具備分析磁電傳感器電路的能力具備制作磁敏傳感器應(yīng)用電路的能力具備制作霍爾傳感器應(yīng)用電路的能力具備制作電渦流傳感器應(yīng)用電路的能力具備調(diào)試電路的能力4.1磁敏傳感器4.1.1磁阻傳感器1．磁敏電阻

根據(jù)幾何磁效應(yīng)原理制造的銻化銦（InSb）磁敏電阻的基本結(jié)構(gòu)和電阻值與磁場的特性曲線如圖4.1所示。圖4.1InSb磁敏電阻與特性 InSb-NiSb共晶材料的特點(diǎn)是在InSb的晶體中摻雜NiSb，在InSb的結(jié)晶過程中會析出沿著一定方向排列的細(xì)長NiSb針狀晶體，如圖4.2所示。圖4.2InSb-NiSb共晶元件2．磁敏電阻傳感器的應(yīng)用（1）無觸點(diǎn)電位器

圖4.3所示為無觸點(diǎn)電位器的結(jié)構(gòu)示意圖。（2）InSb磁敏電阻旋轉(zhuǎn)（齒輪）傳感器 InSb磁敏電阻旋轉(zhuǎn)齒輪傳感器的工作原理如圖4.4所示。圖4.3無觸點(diǎn)電位器圖4.4齒輪傳感器工作原理3．磁敏電阻傳感器的溫度穩(wěn)定性問題（1）對多個InSb的溫度補(bǔ)償

圖4.5所示為用多個InSb磁敏電阻作無觸點(diǎn)開關(guān)時的溫度補(bǔ)償電路。圖4.5多InSb電阻無觸點(diǎn)開關(guān)溫度補(bǔ)償電路圖4.6UBB、UB與溫度變化的關(guān)系（2）電橋式溫度補(bǔ)償

在InSb磁敏電阻傳感器中大多數(shù)都使用三端差分型InSb磁敏電阻，因?yàn)橛蓛蓚€InSb磁敏電阻構(gòu)成的差分結(jié)構(gòu)也是電路中的半橋型結(jié)構(gòu)，所以采用如圖4.7所示的電橋型溫度補(bǔ)償更為合適，它可以較好地改善基準(zhǔn)電位和有偏置磁場時的電阻溫度特性。圖4.7電橋型溫度補(bǔ)償電路

圖4.7中所示R1、R2、R3、R4和RP為一般的固定電阻器，RT為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。

根據(jù)RM1、RM2和RT的配置，可改進(jìn)基準(zhǔn)電位UN和輸出電壓的溫度特性。4.1.2磁敏二極管1．磁敏二極管的結(jié)構(gòu)2．磁敏二極管的工作原理

而對磁敏二極管，情況就不同了。

當(dāng)受到正向磁場作用時，電子和空穴均受到洛倫茲力作用向r面偏轉(zhuǎn)，如圖4.9所示。圖4.8鍺磁敏二極管

由于r面是高復(fù)合面，所以到達(dá)r面的電子和空穴就被復(fù)合掉，因而i區(qū)的載流子密度減少，電阻增加，所以Ui增大，而在兩個結(jié)上的電壓UP、UN則相對減少，于是i區(qū)的電阻進(jìn)一步增加，直到穩(wěn)定在某一值上為止。

圖4.9磁敏二極管載流子受磁場影響的情況3．磁敏二極管的特性（1）電流—電壓特性

圖4.10所示為鍺磁敏二極管的伏安特性曲線。

圖中B＝0的曲線表示二極管不加磁場時的情況，B取+或表示磁場的方向不同。圖4.10鍺磁敏二極管伏安特性曲線

從圖4.10中可以看出：

①當(dāng)輸出電壓一定，磁場為正時，隨著磁場強(qiáng)度增加，電流減小，表示磁阻增加；磁場為負(fù)時，隨著磁場強(qiáng)度向負(fù)方向增加，電流增加，表示磁阻減??；

②在同一磁場下，電流越大，輸出電壓變化量也越大。（2）磁電特性

圖4.11所示為磁敏二極管的磁電特性曲線。圖4.11磁電特性曲線（3）溫度特性

溫度特性是指在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，輸出電壓變化量ΔU隨溫度變化的規(guī)律，如圖4.12所示。圖4.12磁敏二極管溫度特性曲線4．磁敏二極管的應(yīng)用—磁敏二極管漏磁探傷儀

磁敏二極管漏磁探傷儀是利用磁敏二極管可以檢測微弱磁場變化的特性而設(shè)計(jì)的，原理如圖4.13所示。1—工件2—激磁線圈3—鐵芯4—磁敏二極管探頭圖4.13磁敏二極管漏磁探傷儀原理

4.1.3磁敏三極管1．磁敏三極管的結(jié)構(gòu)（1）鍺磁敏三極管

鍺磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號如圖4.14所示。圖4.14NPN型鍺磁敏三極管結(jié)構(gòu)和電路符號（2）硅磁敏三極管

硅磁敏三極管是用平面工藝制造的，如圖4.15所示。圖4.15硅磁敏三極管結(jié)構(gòu)2．磁敏三極管的工作原理

如圖4.16（a）所示，當(dāng)無磁場作用時，由于磁敏三極管基區(qū)長度大于載流子有效擴(kuò)散長度，因此發(fā)射區(qū)注入的載流子除少量輸運(yùn)到集電區(qū)外，大部分通過E—I—B，形成基極電流，基極電流大于集電極電流，所以電流放大倍數(shù)β＝IＣ/IB＜1。圖4.16磁敏三極管的工作原理示意圖

如圖4.16（b）所示，當(dāng)存在H+磁場時，由于洛倫茲力的作用，載流子向發(fā)射極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而使集電極電流IＣ明顯下降。3．磁敏三極管的特性（1）伏安特性

圖4.17所示為磁敏三極管的伏安特性曲線，其中圖（a）為無磁場作用時的伏安特性，圖（b）為基極電流恒定（IB＝3mA）條件下，磁場為正、負(fù)1KG時集電極電流IC的變化情況。圖4.17磁敏三極管伏安特性（2）溫度特性

磁敏三極管的溫度特性曲線如圖4.18所示，其中圖（a）為基極恒壓時的溫度特性曲線，圖（b）為基極恒流時的溫度特性曲線。圖4.183BCM磁敏三極管的溫度特性4．溫度補(bǔ)償技術(shù)

同磁敏二極管一樣，磁敏三極管的溫度依賴性也較大，因此使用磁敏三極管時應(yīng)注意到其集電極電流具有負(fù)溫度系數(shù)的特點(diǎn)，一般可采用以下幾種方式進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

①利用正溫度系數(shù)普通硅三極管進(jìn)行補(bǔ)償。其電路如圖4.19（a）所示。

②利用磁敏三極管互補(bǔ)電路。由PNP和NPN磁敏三極管組成互補(bǔ)式補(bǔ)償電路，如圖4.19（b）所示。如果圖中兩種磁敏三極管集電極溫度特性完全—樣，則互補(bǔ)電路的輸出電壓不隨溫度發(fā)生漂移。

③采用磁敏二極管補(bǔ)償電路。由于鍺磁敏二極管電流隨溫度上升而增加，利用這一特性可作鍺磁敏三極管負(fù)載以補(bǔ)償輸出電壓的漂移，如圖4.19（c）所示。

④采用差分補(bǔ)償電路。用兩只磁、電特性一致，而磁場特性相反的磁敏三極管組成差分補(bǔ)償電路。這種補(bǔ)償方法可提高磁靈敏度，如圖4.19（d）所示。圖4.19磁敏三極管溫度補(bǔ)償方法5．磁敏三極管的應(yīng)用—磁敏三極管電位器

利用磁敏三極管制成的無觸點(diǎn)電位器原理如圖4.20所示。圖4.20磁敏三極管無觸點(diǎn)電位器4.2霍爾傳感器

圖4.21所示為霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置實(shí)物圖，采用霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置能較好地克服汽車合金觸點(diǎn)點(diǎn)火時間不準(zhǔn)確、觸點(diǎn)易燒壞、高速時動力不足等缺點(diǎn)。圖4.21霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置實(shí)物圖4.2.1霍爾元件結(jié)構(gòu)與工作原理1．霍爾元件結(jié)構(gòu)

在摻雜濃度很低、電阻率很大的N型襯底上用雜質(zhì)擴(kuò)散法制作出如圖4.22（b）所示的N導(dǎo)電區(qū)a～b段，它的厚度非常薄，電阻值約幾百歐。

在a～b導(dǎo)電薄片兩側(cè)對稱地用雜質(zhì)擴(kuò)散法制作出霍爾電動勢引出端c、d，因此它是四端元件。

其中一對a、b端稱為激勵電流端，另外一對c、d端稱為霍爾電動勢輸出端，c、d端一般應(yīng)處于側(cè)面的中點(diǎn)。2．霍爾傳感器工作原理

下面以N型半導(dǎo)體霍爾元件為例來說明霍爾傳感器的工作原理。在圖4.22（a）中所示的激勵電流端（a、b端）通入電流I，并將薄片置于磁場中。圖4.22霍爾元件

由實(shí)驗(yàn)可知，流入激勵電流端的電流I越大，作用在薄片上的磁場強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電動勢也就越高。

霍爾電動勢EH可用下式表示為EH=KHIB

式中：KH—霍爾元件的靈敏度。

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos

，這時的霍爾電動勢為 EH=KHIBcos4.2.2霍爾元件特性參數(shù)1．輸入電阻Ri

霍爾元件兩激勵電流端的直流電阻稱為輸入電阻。2．最大激勵電流Im

由于霍爾電動勢隨激勵電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵電流。3．靈敏度KH KH＝EH

/IB，其單位為mV/(mA·T)。4．最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm

磁感應(yīng)強(qiáng)度超過Bm時，霍爾電動勢的非線性誤差將明顯增大，Bm的數(shù)值一般小于零點(diǎn)幾特斯拉。5．不等位電動勢

在額定激勵電流下，當(dāng)外加磁場為零時，霍爾輸出端之間的開路電壓稱為不等位電動勢，它是由于4個電極的幾何尺寸不對稱引起的，使用時多采用電橋法來補(bǔ)償不等位電動勢引起的誤差。6．霍爾電動勢溫度系數(shù)

在一定磁場強(qiáng)度和激勵電流的作用下，溫度每變化l℃時霍爾電動勢變化的百分?jǐn)?shù)稱為霍爾電動勢溫度系數(shù)，它與霍爾元件的材料有關(guān)，一般約為0.1%左右。4.2.3集成霍爾元件

圖4.23和圖4.24所示為具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件UGN3501M的外形、內(nèi)部電路圖及其輸出特性曲線。圖4.23差動輸出線性霍爾集成電路

這類器件中較典型的有UGN3020、UGN3022系列等，圖4.25和圖4.26所示為UGN3020的外形、內(nèi)部電路圖及其輸出特性曲線。圖4.24差動輸出線性霍爾集成電路輸出特性圖4.25開關(guān)型霍爾集成電路圖4.26差動輸出線性霍爾集成電路輸出特性4.2.4霍爾傳感器的應(yīng)用1．霍爾式位移傳感器

保持霍爾元件的控制電流恒定，而使霍爾元件在一個均勻梯度的磁場中沿x方向移動，如圖4.27所示，則輸出的霍爾電勢為 EH=kx

式中：k—位移傳感器靈敏度。圖4.27霍爾式位移傳感器原理示意圖

磁場梯度越大，靈敏度越高，磁場梯度越均勻，輸出線性度就越好。

為了得到均勻的磁場梯度，往往將磁鋼的磁極片設(shè)計(jì)成特殊形狀，兩對磁鋼平行對置，如圖4.27所示。2．霍爾式壓力傳感器

霍爾式壓力傳感器就是其中的一種，如圖4.28（a）所示。

圖4.28（b）所示為磁鋼外形。圖4.28霍爾式壓力傳感器3．霍爾傳感器在開關(guān)電路中的應(yīng)用

在許多自動控制設(shè)備中常常需要非接觸型開關(guān)裝置，圖4.29所示的開關(guān)電路就是利用霍爾元件輸出電壓EH（c端和d端）與磁性體N、S磁極的關(guān)系實(shí)現(xiàn)其開關(guān)作用的。圖4.29霍爾元件在開關(guān)中的應(yīng)用4.3電渦流傳感器

目前，家庭中經(jīng)常會應(yīng)用到干凈、高效的電磁爐，圖4.30所示為電磁爐工作原理示

意圖。圖4.30電磁爐工作原理圖4.3.1電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理1．電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)

圖4.31所示為CZF—1型電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它的線圈位于傳感器的端部，采用高強(qiáng)度多股漆包線繞成（提高Q值）；線圈框架采用損耗小、電絕緣性能好的聚四氟乙烯等材料制作；電纜和插頭接后續(xù)測量電路，由于激勵頻率高，一般采用專用的高頻電纜和插頭。1—電渦流線圈2—框架3—框架襯套4—輸出屏蔽電纜5—電纜插頭圖4.31CFZ—1型電渦流傳感器結(jié)構(gòu)

2．電渦流傳感器工作原理

電渦流傳感器就是基于電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作的，工作原理如圖4.32（a）所示。圖4.32電渦流傳感器基本工作原理

其等效電路如圖4.32（b）所示，傳感線圈的電阻為R1、電感為L1；金屬導(dǎo)體中形成的電渦流等效為一個短路環(huán)，短路環(huán)的電阻為R2，電感為L2；電渦流產(chǎn)生的磁場對傳感線圈產(chǎn)生的磁場的“抵消”作用等效為線圈與導(dǎo)體間的互感M，互感M隨線圈與導(dǎo)體間距離的減小而增大。

當(dāng)傳感線圈與金屬導(dǎo)體靠近時，傳感線圈的等效阻抗為

傳感線圈的阻抗可以表示為Z=f(,,f,x)注意

根據(jù)式（4.5）可知，只要改變其中一個參數(shù)，而其余參數(shù)保持不變，通過檢測傳感線圈的阻抗Z，就可以測定這個參數(shù)。

例如，保持f、σ、不變，以位移x作為變換量，可以檢測位移、厚度、振動、轉(zhuǎn)速等；如果保持x、f、i1不變，以電導(dǎo)率σ作為變換量，可以檢測導(dǎo)體表面溫度、導(dǎo)體材質(zhì)等；若以作為變換量，可以檢測應(yīng)力、硬度等；如果綜合利用x、σ、變換量的影響可以進(jìn)行探傷檢測。4.3.2電渦流傳感器的測量電路1．調(diào)幅式電路

調(diào)幅式測量電路原理框圖如圖4.33所示。

被測物體與傳感器距離的變化和輸出電壓間的關(guān)系如圖4.34所示。圖4.33調(diào)幅式測量電路原理框圖圖4.34調(diào)幅式電路諧振曲線2．調(diào)頻式電路

調(diào)頻式測量電路由傳感器線圈L與電容

器組成LC振蕩器，以振蕩器的頻率f作為輸

出變量，其測量電路原理框圖如圖4.35所示。圖4.35調(diào)頻式測量電路原理框圖4.3.3電渦流傳感器的應(yīng)用1．位移測量

電渦流傳感器可用來測量各種金屬試件的微小位移量，如圖4.36所示，如汽輪機(jī)主軸的軸向位移測量、磨床換向閥、先導(dǎo)閥的位移測量、金屬試件的熱膨脹系數(shù)測量等，其測量位移范圍可以從0～1mm到0～30mm。圖4.36電渦流傳感器位移測量2．厚度測量

電渦流傳感器可以無接觸地實(shí)現(xiàn)金屬板或非金屬板鍍層厚度的測量，測量原理如圖4.37所示。圖4.37電渦流傳感器厚度測量3．溫度測量

在較小的溫度范圍內(nèi)，一般導(dǎo)體的電阻率與溫度的關(guān)系可表示為

電渦流傳感器測量溫度原理如圖4.38所示，傳感器線圈對著被測金屬表面，傳感器線圈與電容組成振蕩電路。圖4.38電渦流傳感器溫度測量4.4技能實(shí)訓(xùn)1．要求

制作一個由UNG3501T傳感器組成的計(jì)數(shù)器電路，當(dāng)永久磁鐵靠近霍爾傳感器位置時，傳感器輸出一個峰值為20mV的脈沖，此脈沖信號經(jīng)A741運(yùn)算放大后，驅(qū)動2N5812三極管，使之完成導(dǎo)通、截止過程。如把計(jì)數(shù)器接于2N5812輸出端，即可構(gòu)成計(jì)數(shù)器。2．器材名

稱型

號數(shù)

量電阻器R110k/0.25W1電阻器R21k/0.25W1電阻器R311k/0.25W1電阻器R4470k/0.25W1電阻器R5470k/0.25W1電容器