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(cè)體材料、形狀及大小對(duì)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(chǎng)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(guò)程中會(huì)析出沿著一定方向排列的細(xì)長(zhǎng)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(wú)觸點(diǎn)電位器

圖4.3所示為無(wú)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(wú)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(wèn)題（1）對(duì)多個(gè)InSb的溫度補(bǔ)償

圖4.5所示為用多個(gè)InSb磁敏電阻作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)時(shí)的溫度補(bǔ)償電路。圖4.5多InSb電阻無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)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€(gè)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(chǎng)時(shí)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(duì)磁敏二極管，情況就不同了。

當(dāng)受到正向磁場(chǎng)作用時(shí)，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(gè)結(jié)上的電壓UP、UN則相對(duì)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(chǎng)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(chǎng)時(shí)的情況，B取+或表示磁場(chǎng)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(chǎng)為正時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，電流減小，表示磁阻增加；磁場(chǎng)為負(fù)時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度向負(fù)方向增加，電流增加，表示磁阻減?。?/p>

②在同一磁場(chǎng)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(cè)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(cè)微弱磁場(chǎng)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(hào)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(hào)（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(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)，由于磁敏三極管基區(qū)長(zhǎng)度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)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(guò)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(chǎng)時(shí)，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(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)的伏安特性，圖（b）為基極電流恒定（IB＝3mA）條件下，磁場(chǎng)為正、負(fù)1KG時(shí)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(shí)的溫度特性曲線，圖（b）為基極恒流時(shí)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(shí)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(chǎng)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(wú)觸點(diǎn)電位器原理如圖4.20所示。圖4.20磁敏三極管無(wú)觸點(diǎn)電位器4.2霍爾傳感器

圖4.21所示為霍爾式無(wú)觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置實(shí)物圖，采用霍爾式無(wú)觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置能較好地克服汽車(chē)合金觸點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)間不準(zhǔn)確、觸點(diǎn)易燒壞、高速時(shí)動(dòng)力不足等缺點(diǎn)。圖4.21霍爾式無(wú)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(duì)稱地用雜質(zhì)擴(kuò)散法制作出霍爾電動(dòng)勢(shì)引出端c、d，因此它是四端元件。

其中一對(duì)a、b端稱為激勵(lì)電流端，另外一對(duì)c、d端稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)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(lái)說(shuō)明霍爾傳感器的工作原理。在圖4.22（a）中所示的激勵(lì)電流端（a、b端）通入電流I，并將薄片置于磁場(chǎng)中。圖4.22霍爾元件

由實(shí)驗(yàn)可知，流入激勵(lì)電流端的電流I越大，作用在薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電動(dòng)勢(shì)也就越高。

霍爾電動(dòng)勢(shì)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(shí)，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(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)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(lì)電流端的直流電阻稱為輸入電阻。2．最大激勵(lì)電流Im

由于霍爾電動(dòng)勢(shì)隨激勵(lì)電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)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(guò)Bm時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)

在額定激勵(lì)電流下，當(dāng)外加磁場(chǎng)為零時(shí)，霍爾輸出端之間的開(kāi)路電壓稱為不等位電動(dòng)勢(shì)，它是由于4個(gè)電極的幾何尺寸不對(duì)稱引起的，使用時(shí)多采用電橋法來(lái)補(bǔ)償不等位電動(dòng)勢(shì)引起的誤差。6．霍爾電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)

在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流的作用下，溫度每變化l℃時(shí)霍爾電動(dòng)勢(shì)變化的百分?jǐn)?shù)稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)輸出線性霍爾集成電路輸出特性圖4.25開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路圖4.26差動(dòng)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(gè)均勻梯度的磁場(chǎng)中沿x方向移動(dòng)，如圖4.27所示，則輸出的霍爾電勢(shì)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(chǎng)梯度越大，靈敏度越高，磁場(chǎng)梯度越均勻，輸出線性度就越好。

為了得到均勻的磁場(chǎng)梯度，往往將磁鋼的磁極片設(shè)計(jì)成特殊形狀，兩對(duì)磁鋼平行對(duì)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(kāi)關(guān)電路中的應(yīng)用

在許多自動(dòng)控制設(shè)備中常常需要非接觸型開(kāi)關(guān)裝置，圖4.29所示的開(kāi)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(kāi)關(guān)作用的。圖4.29霍爾元件在開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用4.3電渦流傳感器

目前，家庭中經(jīng)常會(huì)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(cè)量電路，由于激勵(lì)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L(zhǎng)1；金屬導(dǎo)體中形成的電渦流等效為一個(gè)短路環(huán)，短路環(huán)的電阻為R2，電感為L(zhǎng)2；電渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)傳感線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(shí)，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(gè)參數(shù)，而其余參數(shù)保持不變，通過(guò)檢測(cè)傳感線圈的阻抗Z，就可以測(cè)定這個(gè)參數(shù)。

例如，保持f、σ、不變，以位移x作為變換量，可以檢測(cè)位移、厚度、振動(dòng)、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(cè)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(cè)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(cè)。4.3.2電渦流傳感器的測(cè)量電路1．調(diào)幅式電路

調(diào)幅式測(cè)量電路原理框圖如圖4.33所示。

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

電渦流傳感器可用來(lái)測(cè)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(cè)量、磨床換向閥、先導(dǎo)閥的位移測(cè)量、金屬試件的熱膨脹系數(shù)測(cè)量等，其測(cè)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(cè)量2．厚度測(cè)量

電渦流傳感器可以無(wú)接觸地實(shí)現(xiàn)金屬板或非金屬板鍍層厚度的測(cè)量，測(cè)量原理如圖4.37所示。圖4.37電渦流傳感器厚度測(cè)量3．溫度測(cè)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(cè)量溫度原理如圖4.38所示，傳感器線圈對(duì)著被測(cè)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(cè)量4.4技能實(shí)訓(xùn)1．要求

制作一個(gè)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(shí)，傳感器輸出一個(gè)峰值為20mV的脈沖，此脈沖信號(hào)經(jīng)A741運(yùn)算放大后，驅(qū)動(dòng)2N5812三極管，使之完成導(dǎo)通、截止過(guò)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(hào)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