第6章-磁電磁敏式傳感器

第6章-磁電磁敏式傳感器第一頁，共42頁。主要內(nèi)容：

6.1磁電感應(yīng)式傳感器

6.2霍爾式傳感器

6.3磁敏元件

第二頁，共42頁。6.1磁電感應(yīng)式傳感器(1)工作原理和結(jié)構(gòu)形式由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，N匝線圈在磁場中運動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E(V)的大小取決于穿過線圈的磁通的變化率，即

利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。工作時不需要外加電源，就能把被測對象的機械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號（有源傳感器）。第三頁，共42頁。動鋼型動圈型恒磁通式測振動恒磁通式傳感器通常用做機械振動測量。結(jié)構(gòu)大體分兩種:①動圈型永久磁鐵與殼固定②動鋼型線圈與殼體線固定恒磁通式:磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定磁場，運動部件是線圈也可以是磁鐵。磁通量的變化可以通過很多辦法來實現(xiàn)，如磁鐵與線圈之間作相對運動；磁路中磁阻的變化等；一般可將磁電感應(yīng)式傳感器分為恒磁通式和變磁通式兩類。第四頁，共42頁。變磁通式又稱為變磁阻式，線圈、磁鐵靜止不動，感應(yīng)電動式是由變化的磁通產(chǎn)生。根據(jù)磁路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同又分為：開磁路和閉磁路兩種。開磁路閉磁路（a）開磁路（b）閉磁路例如：測轉(zhuǎn)速時,轉(zhuǎn)動物體（齒輪的凹凸）引起磁阻或磁

通變化。第五頁，共42頁。電壓靈敏度：

由可確定電流靈敏度:

定義磁電感應(yīng)式傳感器靈敏度

對于結(jié)構(gòu)確定的磁電式傳感器，輸出正比于運動速度理想輸出特性式中：B

磁感應(yīng)強度，N

線圈匝數(shù)，L每匝線圈長度，V運動速度。靈敏度為常數(shù)（2）基本特性第六頁，共42頁。實際輸出特性（靈敏度）是不線性的，偏離的原因：當振動速度很小時（υ<υa），慣性力不足以克服傳感器活動部件的靜摩擦力，因此線圈與磁鐵不存在相對運動，因此無輸出；當υ＞υa時，慣性力克服靜摩擦力，有相對運動，但摩擦阻尼使輸出特性非線性；當速度超過υc時慣性太大超過彈性形變范圍，輸出出現(xiàn)飽和；傳感器的運動速度通常工作在(υb,υc)范圍之間，保證有足夠的線性范圍。靈敏度曲線超過彈性形變范圍輸出出現(xiàn)飽和第七頁，共42頁。（3）測量電路

直接輸出電動勢，測量速度信號；信號輸出經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換：接入積分電路可測量位移信號；接入微分電路可測量加速度信號。磁電感應(yīng)式傳感器可直接輸出感應(yīng)電動勢，通常具有較高的靈敏度，對測量電路無特殊要求。第八頁，共42頁。測量電路位移速度加速度第九頁，共42頁。積分電路---測位移

速度經(jīng)時間積分，可測量位移If

CIi

Re=uiu0-+理想運放RC稱積分時間常數(shù)根據(jù)設(shè)電容上初始電壓為零，輸出電壓是輸入電壓對時間積分uitu0t第十頁，共42頁。

速度經(jīng)微分電路可測量加速度

IfRfIc

Cuiu0-+理想運放因為u0tuit微分電路---測加速度第十一頁，共42頁。磁電感應(yīng)式傳感器的特點磁電感應(yīng)式傳感器是慣性式傳感器，不需要靜止的基準參考，可直接裝在被測體上，適合作機械振動測量、轉(zhuǎn)速測量。磁電式傳感器是一種有源傳感器，工作時無需加電壓，直接將機械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。測速度時，傳感器的輸出電壓正比于速度信號，可以直接放大。輸出功率大，穩(wěn)定可靠，但傳感器尺寸大、重，輸出阻抗低，通常幾十～幾千歐，對后置電路要求低，干擾小。（4）應(yīng)用第十二頁，共42頁。1、8—圓形彈簧片；2—圓環(huán)形阻尼器；3—永久磁鐵；4—鋁架；5—芯軸；6—工作線圈；7—殼體；9—引線工作頻率10～500

Hz最大可測加速度50m/s2線性度5％固有頻率12

Hz可測位移范圍0.1～1000

外形尺寸45mm×160

mm靈敏度600

mV·s·cm-1工作線圈內(nèi)阻1.9kΩ質(zhì)量0.7

kgCD-1型震動速度傳感器第十三頁，共42頁?；魻杺鞲衅鲗儆诎雽w磁敏元件，磁敏元件也是基于磁電轉(zhuǎn)換原理，是把磁學物理量轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。特點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好、壽命長。磁敏傳感器磁學量電信號6.2霍爾式傳感器第十四頁，共42頁。6.2.1霍爾效應(yīng)把一個導體（半導體薄片）兩端通以電流，在垂直方向施加磁感強度B的磁場，在導體薄片的另外兩側(cè)會產(chǎn)生一個與控制電流I和磁場強度B的乘積成比例的電動勢UH

，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)?；魻栯妱觿菖c磁場強度B、

電流強度I

有關(guān)霍爾傳感器基于霍爾效應(yīng)磁場強度B的方向改變時霍爾電動勢的電壓極性也隨之改變。半導體第十五頁，共42頁。在磁場作用下導體中的自由電子做定向運動時每個電子受洛侖茲力作用被推向?qū)w的另一側(cè)：

磁場下導體中的電子運動時，因霍爾電勢產(chǎn)生霍爾電場，其中霍爾電場強度為：并有作用于電子的力：第十六頁，共42頁。

當兩作用力相等時電荷不再向兩邊積累達到動態(tài)平衡：

通過（半）導體薄片的電流I與下列因素有關(guān)：

霍爾電勢為

n—載流子濃度，

v—電子運動速度，bd

—導體薄片橫截面積

，e

—電子電荷量。第十七頁，共42頁。代入后：與薄片尺寸有關(guān)與材料有關(guān)霍爾靈敏度霍爾常數(shù)式中：ρ—電阻率、n—電子濃度、μ—電子遷移率

μ=υ/E

單位電場強度作用下載流子運動速度。

可見霍爾電勢與電流和磁場強度的乘積成正比第十八頁，共42頁。任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不是都可以制造霍爾元件;金屬材料因電子濃度n很高，RH很小，靈敏度低，UH很小;絕緣材料電阻率ρ很大，但電子遷移率μ很小，不適用；半導體材料電阻率ρ較大，電子遷移率μ適中，非常適于做霍爾元件；半導體中電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用N型半導體（多電子）;由霍爾靈敏度可見:厚度d越小霍爾靈敏度KH越大，所以霍爾元件通常做的較薄，近似1微米(d≈1μm)，工作電壓很低。

討論第十九頁，共42頁。6.2.2霍爾元件（傳感器）霍爾元件外形和符號第二十頁，共42頁。霍爾傳感器測量電路霍爾元件的外形為矩形薄片，有四根引線，兩端加激勵，兩端為輸出，RL為負載電阻；電源E通過Rp控制激勵電流I；B磁場與元件面垂直（向里）實測中可把I×B

作輸入，也可把I

或B單獨做輸入；通過霍爾電勢輸出測量結(jié)果。

輸出UH與I或B成正比關(guān)系，或與I×B

成正比關(guān)系。第二十一頁，共42頁?；魻杺鞲衅鞯恼`差及補償當霍爾元件通以激勵電流I時，若磁場B=0，理論上霍爾電勢UH=0，但實際UH≠0，這時測得的空載電勢稱不等位電勢U0。產(chǎn)生的原因：霍爾引出電極安裝不對稱，不在同一等位面上，或激勵電極接觸不良。半導體材料不均勻，幾何尺寸不均勻，造成電阻率不均勻。(1)不等位電勢第二十二頁，共42頁。

不等位電勢的補償分析不等位電勢時可把霍爾元件等效為一個電橋不等位電壓相當于橋路初始有不平衡輸出，U0≠0，可在電阻大的橋臂上并聯(lián)電阻。第二十三頁，共42頁。霍爾元件是半導體元件，它的許多參數(shù)與溫度有關(guān)。當溫度變化時，載流子濃度n、遷移率μ、電阻率ρ，霍爾系數(shù)RH都會變化。(2)溫度誤差及補償靈敏度與溫度系數(shù)關(guān)系

恒流源補償：

由UH=KHIB

可見，恒流源I

供電可使UH穩(wěn)定，但靈敏度系數(shù)KH=RH/d=ρμ/d

也是溫度的函數(shù)，溫度T變化時，靈敏度KH也變化。第二十四頁，共42頁。

恒流源補償方法:在霍爾元件上并聯(lián)一分流電阻RpIHRIN當TIPUH由于恒流源電流I不變，Rp自動增加分流，使Ip增大，IH

下降，UH下降；補償電阻Rp可選擇負溫度系數(shù).IHRPTIPUHKH=RH/d=ρμ/d多數(shù)霍爾器件是正溫度系數(shù)，TKH

，可通過減小

I

保持

KH×I

不變，抵消溫度造成KH增加的影響。第二十五頁，共42頁。6.2.3霍爾傳感器的應(yīng)用

位移測量；測轉(zhuǎn)速；測磁場；計數(shù)裝置(導磁產(chǎn)品)檢缺口檢齒霍爾元件磁鐵只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號。

1.測轉(zhuǎn)速第二十六頁，共42頁。汽車轉(zhuǎn)速測量輸出信號整形濾波顯示第二十七頁，共42頁。2.霍爾傳感器位移測量原理在結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)位移測量線性好第二十八頁，共42頁?；魻杺鞲衅鳒y電流鐵心線性霍爾IC

UH=KHIXB

II第二十九頁，共42頁。

霍爾傳感器用于測量磁場強度

霍爾元件測量鐵心氣隙的B值第三十頁，共42頁。6.3磁敏元件磁敏元件也是基于磁電轉(zhuǎn)換原理,60年代西門子公司研制了第一個磁敏元件,68年索尼公司研制成磁敏二極管,目前磁敏元件應(yīng)用廣泛。磁敏元件磁敏元件主要有：霍爾元件；磁敏電阻；磁敏二極管；磁敏三極管。第三十一頁，共42頁。6.3.1磁敏電阻載流導體置于磁場中，除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外，導體中載流子因受洛侖茲力作用要發(fā)生偏轉(zhuǎn)，磁場使載流子運動方向的偏轉(zhuǎn)使電流路徑變化，起到了加大電阻的作用，磁場越強增大電阻的作用越強。ρ0

—零磁場電阻率；μ—磁導率；

ρB—B磁場電阻率；

B—磁場強度。外加磁場使導體(半導體)電阻隨磁場增加而增大的現(xiàn)象稱磁阻效應(yīng)。磁阻效應(yīng)表達式為（1）磁阻效應(yīng)第三十二頁，共42頁。磁敏電阻結(jié)構(gòu)

霍爾電場作用會抵消洛倫茲力，磁阻效應(yīng)被大大減弱；由于霍爾電場強度與導體薄片的寬度b成反比關(guān)系，

磁阻效應(yīng)還與元件的幾何尺寸有關(guān)。長方形樣品扁條狀長形圓盤樣品電阻變化很小磁阻變化明顯不產(chǎn)生霍爾電場第三十三頁，共42頁。長方形樣品：霍爾電場作用力FH部分抵消了羅侖茲力作用，電阻變化很小。扁條狀長方形：霍爾電場EH很小，磁場作用使載流子偏轉(zhuǎn)厲害，磁阻效應(yīng)明顯。圓盤樣品：外加磁場時，電流以螺旋形路徑指向外電極，路徑增大電阻增加。在圓盤中任何地方都不會積累電荷也不會產(chǎn)生霍爾電場，磁阻效應(yīng)最明顯。長方形Lb為了消除霍爾電場影響，獲得大的磁阻效應(yīng),一般將磁敏電阻制成圓形或扁條長方形，并且磁敏元件需滿足

L/b<1第三十四頁，共42頁。磁敏電阻與霍爾元件屬同一類,都是磁電轉(zhuǎn)換元件,本質(zhì)不同是磁敏電阻沒有判斷極性的能力,只有與輔助材料(磁鐵)并用才具有識別磁極的能力.（2）磁敏電阻的輸出特性磁阻元件在工作時通常需要加偏置磁場，使磁敏電阻工作在線性區(qū)域。第三十五頁，共42頁。無偏置磁場時只能檢測磁場不能判別磁性。輸出弱磁場時磁阻與磁場關(guān)系為：

R=R0（1+MB2）

R0——為零磁場內(nèi)阻；

M——為零磁場系數(shù)；外加偏置磁場時磁阻具有極性，相當在檢測磁場外加了偏置磁場，工作點移到線性區(qū)，磁極性也作為電阻值變化表現(xiàn)出來，這時電阻值的變化為：

R=RB（1+MB）

RB——為加偏置磁場電阻第三十六頁，共42頁。6.3.2磁敏晶體管

器件特點：P-N為摻雜區(qū)，本征區(qū)I長度較長構(gòu)成高阻半導體；磁敏二極管在長“基區(qū)”的一側(cè)面設(shè)置了復合區(qū)r，r面是個

粗糙面，載流子復合速度非常高；

r區(qū)對面是復合率很小的光滑面，載流子不易復合。（1）磁敏二極管（鍺管2ACM，硅管2DCM）第三十七頁，共42頁。

工作過程：加正向電壓時，空穴、電子同時注入I區(qū)

無磁場時B=0，大部分P區(qū)空穴注入N區(qū)，N區(qū)電子注入P區(qū)形成電流；

加正向磁場時，由于洛侖磁力作用，空穴電子偏向r區(qū)，并在r區(qū)很快復合，I區(qū)載流子減小↓，電流減小↓，相當于電阻增