移動(dòng)通信課題

2023/10/251磁敏傳感器定義

磁敏傳感器是基于磁電轉(zhuǎn)換原理將磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。磁敏傳感器分類

體型：霍耳傳感器，磁敏電阻。結(jié)型：磁敏二極管，磁敏晶體管。4.1磁敏傳感器的種類1856年，發(fā)現(xiàn)磁阻效應(yīng)；1879年，發(fā)現(xiàn)霍耳效應(yīng)。以上效應(yīng)，為磁敏傳感器的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。2023/10/2524.2磁電效應(yīng)

（一）霍耳效應(yīng)

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)，EH稱為霍耳電勢(shì)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdab2023/10/253

作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍耳電勢(shì)也就越高?；舳妱?shì)EH可用下式表示：

EH=RHJB磁感應(yīng)強(qiáng)度B較大時(shí)的情況2023/10/254霍耳效應(yīng)演示

當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍耳電勢(shì)。cdab2023/10/255*磁場(chǎng)不垂直于半導(dǎo)體薄片時(shí)

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于半導(dǎo)體薄片，而是與其法線成某一角度

時(shí)，實(shí)際上作用于半導(dǎo)體薄片上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向的分量，即Bcos

，這時(shí)的霍耳電勢(shì)為：

EH=RHJBcos

UH=KIHBcos

結(jié)論：霍耳電勢(shì)與輸入電流密度J、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍耳電勢(shì)的方向也隨之改變。如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，則霍耳電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì)。

2023/10/256

（二）磁阻效應(yīng)和形狀效應(yīng)半導(dǎo)體外加磁場(chǎng)時(shí)，電阻值增加的物理現(xiàn)象可分為兩種情況：

1.磁阻效應(yīng)

半導(dǎo)體外加磁場(chǎng)時(shí)，自身電阻率增加的現(xiàn)象，磁阻效應(yīng)直接反映固體的物性。

2.形狀效應(yīng)半導(dǎo)體外加磁場(chǎng)時(shí)，在金屬電極附近電流路徑增長(zhǎng)而使電阻值增加的現(xiàn)象，形狀效應(yīng)與電極和元件的形狀有關(guān)。2023/10/257ABCDR1R2R3R4(d)等效電路霍耳元件基本結(jié)構(gòu)：4.3霍耳元件(a)外形結(jié)構(gòu)示意圖(b)圖形符號(hào)單端輸出雙端輸出(c)電路符號(hào)激勵(lì)電極1、1′——被稱為器件電流端子、控制電流端子或輸入電流端子。霍耳電極2、2′——被稱為霍耳端子或輸出電壓端子。流入到器件內(nèi)的電流，稱為器件電流、控制電流或輸入電流。若霍耳端子間連接負(fù)載，成為霍耳負(fù)載電阻或霍耳負(fù)載。電流電極間的電阻，稱為輸入電阻或者控制內(nèi)阻?；舳俗娱g的電阻，稱為輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻。2023/10/258霍耳元件的主要外特性參數(shù)

最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM:

上圖所示霍耳元件的線性范圍是多少？線性區(qū)2023/10/259霍耳元件的主要外特性參數(shù)最大激勵(lì)電流IM:以霍耳元件允許最大溫升為限制所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流稱為最大允許激勵(lì)電流。

由于霍耳電勢(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。但激勵(lì)電流增大，霍耳元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍耳電勢(shì)的溫漂增大，因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。2023/10/2510圖中控制電流I由電源E供給,R為調(diào)節(jié)電阻,保證器件內(nèi)所需控制電流I?；舳敵龆私迂?fù)載R3,R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)B垂直通過(guò)霍耳器件,在磁場(chǎng)與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓?？刂齐娏鱅；霍耳電勢(shì)VH；控制電壓V；輸出電阻R2；輸入電阻R1；霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流IH。

VHR3VBIEIH霍耳元件基本測(cè)量電路R實(shí)際使用時(shí),器件輸入信號(hào)可以是I或B，或者IB,而輸出可以正比于I或B,或者正比于其乘積IB。2023/10/2511霍耳元件的溫度補(bǔ)償溫度變化，導(dǎo)致霍爾元件內(nèi)阻、霍爾靈敏度等變化，給測(cè)量帶來(lái)一定誤差，即溫度誤差。為了減小溫度誤差，需采取溫度補(bǔ)償措施。采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻選取合適的負(fù)載電阻RL

采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻采用溫度補(bǔ)償元件

2023/10/25124.4霍耳集成元件霍耳集成元件是霍耳元件與運(yùn)放一體化的結(jié)構(gòu)，可分為線性輸出型和開(kāi)關(guān)輸出型兩大類。線性型集成電路是將霍耳元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，比直接使用霍耳元件方便得多。線性型三端霍耳集成電路2023/10/2513線性輸出型霍耳集成元件單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675

雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖三端器件，輸出電壓對(duì)外加磁場(chǎng)的微小變化能做出線性響應(yīng)，典型產(chǎn)品是SL3501T。8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動(dòng)射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零，典型產(chǎn)品是SL3501M。2023/10/2514線性輸出型霍耳集成元件特性右圖示出了具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍耳器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場(chǎng)為正向(磁鋼的S極對(duì)準(zhǔn)霍耳器件的正面)時(shí)，輸出為正；磁場(chǎng)反向時(shí)，輸出為負(fù)。線性范圍2023/10/2515開(kāi)關(guān)輸出型霍耳集成元件開(kāi)關(guān)型霍耳集成電路是將霍耳元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門(mén)等電路做在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，OC門(mén)由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖剑划?dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門(mén)重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖霍耳元件雙端輸入單端輸出的運(yùn)放施密特出發(fā)器OC門(mén)2023/10/2516典型開(kāi)關(guān)輸出型霍耳集成器件——UGN3020（b）應(yīng)用電路

（a）外型

霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路2023/10/2517開(kāi)關(guān)輸出型霍耳集成元件應(yīng)用實(shí)例2023/10/2518?2023/10/2519開(kāi)關(guān)輸出型霍耳集成傳感器構(gòu)成的接口電路

2023/10/2520*霍耳傳感器的應(yīng)用

利用霍耳電勢(shì)與外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制電流，對(duì)磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量、機(jī)械量和非電量等進(jìn)行測(cè)量和控制。應(yīng)用這類特性制作的器具有磁通計(jì)、電流計(jì)、磁讀頭、位移計(jì)、速度計(jì)、振動(dòng)計(jì)、羅盤(pán)、轉(zhuǎn)速計(jì)、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。2023/10/2521霍耳特斯拉計(jì)(高斯計(jì))及其使用霍耳元件磁鐵2023/10/2522霍耳傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度

霍耳元件測(cè)量鐵心氣隙的B值2023/10/2523霍耳轉(zhuǎn)速表

當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍耳元件時(shí)，磁力線集中穿過(guò)霍耳元件，可產(chǎn)生較大的霍耳電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍耳元件時(shí)，輸出為低電平。（一）工作原理2023/10/2524

在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤(pán)，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍耳器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤(pán)。齒盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍耳器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍耳磁鐵（二）實(shí)際應(yīng)用2023/10/2525霍耳轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車在剎車時(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍耳轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍耳傳感器鋼質(zhì)霍耳2023/10/2526霍耳式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

霍耳式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)取消了換向器和電刷，采用霍耳元件來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置，其輸出信號(hào)經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無(wú)刷電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問(wèn)題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。普通直流電動(dòng)機(jī)使用的電刷和換向器霍耳式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)2023/10/2527無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用

電動(dòng)自行車可充電電池組無(wú)刷電動(dòng)機(jī)2023/10/2528電動(dòng)自行車的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)及控制電路去速度控制器

利用PWM調(diào)速2023/10/2529霍耳式接近開(kāi)關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍耳式接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作?；舳咏_(kāi)關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。2023/10/2530霍耳式接近開(kāi)關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示軟鐵分流翼片

開(kāi)關(guān)型霍耳IC2023/10/2531霍耳電流傳感器

將被測(cè)電流的導(dǎo)線穿過(guò)霍耳電流傳感器的檢測(cè)孔。當(dāng)有電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過(guò)霍耳元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍耳電壓。2023/10/2532霍耳電流傳感器演示鐵心線