磁電式傳感器

關(guān)于磁電式傳感器PPT1第一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三2磁電式傳感器1磁敏式傳感器2第七章磁傳感器第二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三3一、工作原理

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)w

匝線圈在恒定磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為Φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)e與磁通變化率dΦ/dt有如下關(guān)系：

根據(jù)這一原理，可設(shè)計(jì)成兩種結(jié)構(gòu)：磁電式傳感器1第三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三4（一）恒定磁通磁電式傳感器動(dòng)圈式動(dòng)鐵式

這種傳感器工作磁場(chǎng)恒定，線圈和磁鐵兩者間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁場(chǎng)線而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。二、結(jié)構(gòu)與分類恒磁通式和變磁通式第四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三5恒磁通式磁電傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖第五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三6（二）變磁通式磁電式傳感器（磁阻式）

線圈和磁鐵部分都是靜止的，與被測(cè)物連接而運(yùn)動(dòng)的部分是用導(dǎo)磁材料制成的，在運(yùn)動(dòng)中，它們改變磁路的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁通量，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。1－永久磁鐵2－軟鐵3－感應(yīng)線圈4－齒輪第六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三7磁電式傳感器1磁敏式傳感器2第七章磁傳感器第七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三8測(cè)量原理：半導(dǎo)體材料中的自由電子及空穴隨磁場(chǎng)改變其運(yùn)動(dòng)方向。結(jié)構(gòu)結(jié)型體型霍爾傳感器磁敏電阻——磁敏二極管磁敏三極管——磁敏式傳感器2第八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三9一、霍爾傳感器（一）霍爾效應(yīng)1.定義霍爾：1879年半導(dǎo)體第九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三10UHbldIFLFEvB2.霍爾電勢(shì)的產(chǎn)生洛侖茲力電場(chǎng)力動(dòng)態(tài)平衡第十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三11UHbldIFLFEvB動(dòng)態(tài)平衡電流第十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三12令霍爾系數(shù)設(shè)靈敏度系數(shù)霍爾電勢(shì)3.霍爾系數(shù)及靈敏度半導(dǎo)體絕緣體

金屬第十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三13（二）霍爾元件基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件?；魻栐苫魻柶⑺母€和殼體組成輸入引線：激勵(lì)電極輸出引線：霍爾電極CDAB第十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三14霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)材料：鍺、硅、砷化鎵、砷化銦、銻化銦第十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三151.霍爾元件的電磁特性(1)霍爾輸出電勢(shì)與控制電流之間的關(guān)系(2)霍爾輸出電勢(shì)與磁場(chǎng)之間的關(guān)系(3)霍爾元件的輸入Ri或輸出電阻R0與磁場(chǎng)之間的關(guān)系Ri——控制電流電極間的電阻R0——輸出霍爾電勢(shì)電極間的電阻第十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三162.霍爾元件的測(cè)量電路（1）基本測(cè)量電路輸出電勢(shì)：mV量級(jí)四端器件第十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三17（2）霍爾電勢(shì)的輸出電路線性測(cè)量：比例放大器線性度好、低噪聲放大器開關(guān)應(yīng)用：射極跟隨器靈敏度高，一般放大器第十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三183.霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償

霍爾元件在加控制電流但不加外磁場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)稱為零位誤差。不等位電勢(shì)原因：

兩個(gè)霍爾電極不在同一等位面上；

材料不均勻。半導(dǎo)體固有特性半導(dǎo)體制造工藝缺陷零位誤差溫度誤差(1)零位誤差及補(bǔ)償?shù)谑隧摚菜氖唔?，編輯?023年，星期三19（a）（b）（c）電橋補(bǔ)償方法第十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三20(2)溫度誤差及補(bǔ)償電阻率、遷移率、載流子濃度：T霍爾元件內(nèi)阻、霍爾電勢(shì)：T①

采用恒流源供電，輸入回路并聯(lián)電阻

霍爾元件的輸入電阻隨溫度而變化第二十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三21②利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償

霍爾元件的輸出電阻隨溫度而改變只要補(bǔ)償電阻選擇適當(dāng)，就可達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康?。第二十一頁，共四十七頁，編輯?023年，星期三22E1w3E2w1w2R2R3R4R1RtUH③實(shí)際補(bǔ)償電路溫度補(bǔ)償電橋W1的作用第二十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三23霍爾元件測(cè)量線路集成霍爾傳感器（三）集成霍爾傳感器

集成霍爾傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。第二十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三241.開關(guān)型集成霍爾傳感器

開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號(hào)。（開關(guān)信號(hào)）穩(wěn)壓穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級(jí)等部分組成。結(jié)構(gòu)：第二十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三25穩(wěn)壓工作原理：有磁場(chǎng)：UH>開啟閾值，高電平，VT導(dǎo)通磁場(chǎng)減弱：UH<斷開閾值，低電平，VT截止開狀態(tài)關(guān)狀態(tài)121086420工作特性——工作點(diǎn)“開”——釋放點(diǎn)“關(guān)”——磁滯高低，開狀態(tài)低高，關(guān)狀態(tài)第二十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三26輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性比例關(guān)系。結(jié)構(gòu)：霍爾元件、差分放大器、穩(wěn)壓、電流放大輸出級(jí)。穩(wěn)壓單端輸出：SL3501T2.線性集成霍爾傳感器

廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場(chǎng)、電流等的測(cè)量或控制。第二十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三271.霍爾位移傳感器磁場(chǎng)梯度越大，靈敏度越高磁場(chǎng)梯度越均勻，輸出線性越好測(cè)量范圍：1～2mm（四）霍爾傳感器的應(yīng)用第二十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三282.磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量儀ASL3501M：霍爾線性集成傳感器RP1：調(diào)整表頭量程RP2：調(diào)零C1：低通濾波測(cè)量上限：0.3T3.直流功率測(cè)量儀V第二十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三294.轉(zhuǎn)速測(cè)量永磁體安裝在軸端永磁體安裝在軸側(cè)第二十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三305.測(cè)量電流測(cè)量大直流電流（10kA）：電阻器分流霍爾元件測(cè)量電流：檢測(cè)通電導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)（1）導(dǎo)線旁測(cè)法（2）導(dǎo)線貫穿磁芯法簡單、測(cè)量精度差、受外界干擾大環(huán)形鐵芯集中磁力線，提高電流測(cè)量精度第三十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三316.自動(dòng)憑票供水裝置控制電路第三十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三321.磁阻效應(yīng)——載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，其電阻隨磁場(chǎng)而變化磁阻效應(yīng)方程：溫度恒定、弱磁場(chǎng)、只有電子導(dǎo)電——磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻率——零磁場(chǎng)下的電阻率——電子遷移率——磁感應(yīng)強(qiáng)度式中，電阻率變化電阻率相對(duì)變化磁敏電阻：InSb、InAs二、磁敏電阻第三十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三33-5-3-10135700

600500400300200100020406080150100502.磁敏電阻的特性

磁阻元件的溫度特性不好。在應(yīng)用時(shí)，一般都要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。

磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度的影響較大。第三十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三34（一）磁敏二極管1.結(jié)構(gòu)PN結(jié)型的磁電轉(zhuǎn)換元件I區(qū)：高阻本征區(qū)P、N：重?fù)诫s區(qū)P-I-N結(jié)I區(qū)兩側(cè)處理：光滑：I面打毛：復(fù)合面（r面）三、磁敏二極管和磁敏三極管第三十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三35PNH+電流（b）iPNH-電流（c）iPNH=0→→→←←←電流（a）i電子空穴復(fù)合區(qū)2.工作原理磁場(chǎng)H=0：少量電子和空穴在I區(qū)、r區(qū)復(fù)合正向磁場(chǎng)H+

：電子和空穴偏向r區(qū)，電流因復(fù)合增大而減小反向磁場(chǎng)H-：電子和空穴偏向I區(qū)，電流因復(fù)合減少而增大第三十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三36

磁敏二極管在正、反向磁場(chǎng)作用下，其電流發(fā)生變化，于是就實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。磁敏二極管H=0PN→→→←←←iH+PNiH-PNi第三十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三3713579根據(jù)某一電壓下的電流值可確定磁場(chǎng)的大小和方向。（1）伏安特性3.主要特性

磁敏二極管正向偏壓和通過其上電流的關(guān)系。

不同磁場(chǎng)強(qiáng)度H作用下，磁敏二極管伏安特性不同。第三十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三38（2）磁電特性-0.10.10.20.30.42.01.51.00.50-0.5-1.0（3）溫度特性-40-2002040601.51.00.5

在給定的條件下，磁敏二極管輸出的電壓變化與外加磁場(chǎng)的關(guān)系。

輸出電壓變化量隨溫度的變化比較大。第三十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三39（二）磁敏三極管1.結(jié)構(gòu)2.工作原理復(fù)合基區(qū)輸運(yùn)基區(qū)第三十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三40復(fù)合基區(qū)輸運(yùn)基區(qū)復(fù)合基區(qū)輸運(yùn)基區(qū)復(fù)合基區(qū)輸運(yùn)基區(qū)無磁場(chǎng)作用：

e–i-b：基極電流輸運(yùn)基區(qū)：集電極電流正向磁場(chǎng)作用：載流子偏向發(fā)射極一側(cè)，集電極電流減小反向磁場(chǎng)作用：載流子偏向集電極一側(cè)，集電極電流增大第四十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三41磁敏三級(jí)管

磁敏三極管在正、反向磁場(chǎng)作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化，于是就實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。復(fù)合基區(qū)復(fù)合基區(qū)復(fù)合基區(qū)第四十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三42（三）應(yīng)用例：漏磁探傷儀顯示儀表激勵(lì)線圈放大器鐵芯鋼棒磁敏二極管探頭顯示儀表激勵(lì)線圈放大器鐵芯鋼棒裂紋磁敏二極管探頭鋼棒：轉(zhuǎn)動(dòng)、磁化無損傷部分：閉合磁路、無泄漏磁通，無輸出信號(hào)裂紋：泄漏磁通、磁敏二極管探頭輸出信號(hào)第四十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三431.磁電式傳感器2.磁敏式傳感器小結(jié)：霍爾傳感器磁敏電阻磁敏二極管磁敏三極管恒磁通式和變磁通式（了解）（重點(diǎn)）理解：工作原理誤差及其補(bǔ)償了解：結(jié)構(gòu)特性及應(yīng)用第四十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三441.若一個(gè)霍爾器件的KH=4mV/(mA﹒kGs)，控制電流I=3mA，將它置于1Gs～5KGs變化的磁場(chǎng)中，它輸出的霍爾電勢(shì)范圍多大？2.已知某霍爾元件尺寸為長L=10mm，寬b=3.5mm，厚d=1mm。沿L方向通以電流I=1.0mA，在垂直于L×b方向上加均勻磁場(chǎng)B=0.3T，輸