《磁電式傳感器》課件

第七章磁傳感器第一節(jié)磁電式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)第二節(jié)電磁血流量計(jì)第三節(jié)霍爾式傳感器7.1.1基本原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)W匝線圈在均恒磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為φ，則線圈的感應(yīng)電勢(shì)e為：負(fù)號(hào)表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)總是反抗磁通量的變化7.1.1基本原理當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，它所產(chǎn)生的感生電勢(shì)為：7.1.1基本原理當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e為：

7.1.2.1磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)與分類恒定磁通式磁電傳感器7.1.2.2磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)與分類7.1.2.2磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)與分類7.1.3磁電式傳感器的誤差和補(bǔ)償當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路中,磁電傳感器的輸出電流Io為傳感器的電流靈敏度為傳感器的輸出電壓為傳感器的電壓靈敏度為7.1.3磁電式傳感器的誤差當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場(chǎng)干擾、機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí),其靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差。相對(duì)誤差為溫度補(bǔ)償熱磁分路7.1.3.2磁電式傳感器的非線性誤差由于傳感器線圈內(nèi)有電流i流過時(shí)，將產(chǎn)生一定的磁通φi疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上。使得傳感器的靈敏度受到影響。補(bǔ)償線圈7.1.3.2磁電式傳感器的非線性誤差7.2.1電磁流量計(jì)的工作原理7.2.1電磁流量計(jì)的工作原理7.2.1電磁流量計(jì)的工作原理7.2.1電磁血流量計(jì)的組成7.2.2電磁血流量計(jì)的探頭7.2.2電磁血流量計(jì)的探頭7.2.3電磁血流量計(jì)的檢測(cè)電路直流激勵(lì)受交流電磁場(chǎng)干擾影響很小直流磁場(chǎng)易使通過測(cè)量管道的電解質(zhì)液體被極化，即電解質(zhì)中的正負(fù)離子分別聚集到正極和負(fù)極7.2.3電磁血流量計(jì)的檢測(cè)電路交流激勵(lì)相當(dāng)于調(diào)制，可以有效地去除干擾變壓器效應(yīng)：交變磁場(chǎng)會(huì)使電極、血液和導(dǎo)線回路內(nèi)的磁通量發(fā)生改變7.2.3電磁血流量計(jì)的檢測(cè)電路7.3霍爾式傳感器利用霍爾元件（Hallelement）基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)（磁場(chǎng)方向垂直于薄片）中，當(dāng)有電流I流過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)

7.3.1霍爾效應(yīng)UHbldIFLFEvB霍爾效應(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爾電勢(shì)。cdab7.3.1霍爾效應(yīng)在垂直于外磁場(chǎng)B的方向上放置一導(dǎo)電板,導(dǎo)電板通以電流I。導(dǎo)電板中的電流是金屬中自由電子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)。此時(shí),每個(gè)電子受洛侖磁力FL的作用，F(xiàn)L大小為式中:e——電子電荷v——電子運(yùn)動(dòng)平均速度B——磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度7.3.1霍爾效應(yīng)霍爾電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度為當(dāng)電子所受洛侖磁力與霍爾電場(chǎng)作用力大小相等、方向相反時(shí)若導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n,電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度為v設(shè)在導(dǎo)體內(nèi)某點(diǎn)P處垂直于電流流向的單位面積上通過的電流強(qiáng)度，就是該點(diǎn)處電流密度的大小j7.3.1霍爾效應(yīng)霍爾電勢(shì)靈敏度系數(shù)霍爾系數(shù)7.3.1霍爾效應(yīng)霍爾片控制電流端引線霍爾引出端引線激勵(lì)電極霍爾電極7.3.2霍爾元件的電磁特性UH～I(xiàn)特性UH～B特性R～B特性指霍爾元件的輸入

電阻與磁場(chǎng)之間的

關(guān)系霍爾元件的內(nèi)阻隨磁場(chǎng)的絕對(duì)值增加而增加的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)

7.3.2霍爾元件的誤差與補(bǔ)償1.零位誤差當(dāng)霍爾元件通以控制電流而不加外磁場(chǎng)時(shí)，其輸出端仍然存在空載電動(dòng)勢(shì)，稱為不等位電勢(shì)7.3.2霍爾元件的誤差與補(bǔ)償不等位電勢(shì)的補(bǔ)償使霍爾電極對(duì)稱補(bǔ)償電路DR1R2CBAR3R47.3.2霍爾元件的誤差與補(bǔ)償WABDR2R3R4R1CWADCBWDCABWABDR2R3R4R1CWDCABBWBDR2R3R4R1AC2、寄生直流電勢(shì)：當(dāng)霍爾元件通以交流控制電流而不加外磁場(chǎng)時(shí)，霍爾輸出除了交流不等位電勢(shì)外，還有一直流電勢(shì)分量，稱寄生直流電勢(shì)。3、感應(yīng)零電勢(shì)：霍爾元件在交流或脈動(dòng)磁場(chǎng)中工作時(shí)，即使不加控制電流，霍爾端也會(huì)有輸出，這個(gè)輸出就是感應(yīng)零電勢(shì)。它是由于霍爾電極的引線布置不合理而造成的。4、自激場(chǎng)零電勢(shì)：當(dāng)霍爾元件通以控制電流時(shí)，此電流也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)稱為自激場(chǎng)。7.3.2霍爾元件的誤差與補(bǔ)償7.3.2霍爾元件的誤差與補(bǔ)償溫度誤差 由于霍爾元件一般由半導(dǎo)體材料制成，而半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度都隨溫度變化，因此其性能參數(shù)如輸入電阻、輸出電阻和霍爾常數(shù)等也隨著溫度而變化，從而導(dǎo)致霍爾電勢(shì)變化，產(chǎn)生溫度誤差

溫度誤差補(bǔ)償恒流源供電，輸入回路并聯(lián)電阻IUHtUHIRPRi(t)Rt(t)RPIUHI溫度誤差補(bǔ)償霍爾元件的靈敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù),它隨溫度的變化引起霍爾電勢(shì)的變化?；魻栐撵`敏度系數(shù)和輸入電阻與溫度的關(guān)系可寫成設(shè)初始溫度為T0,霍爾元件輸入電阻為Ri0,靈敏系數(shù)為KH0,分流電阻為Rp,根據(jù)分流概念得溫度誤差補(bǔ)償當(dāng)溫度升至T時(shí),電路中各參數(shù)變?yōu)殡m然溫度升高ΔT,補(bǔ)償電路必須滿足溫升前、后的霍爾電勢(shì)不變溫度誤差補(bǔ)償恒壓源供電，輸入回路串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償EIUHRUHtRt(t)RIUHERi(t)溫度誤差補(bǔ)償恒流源供電，利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償U(kuò)HIIRLUHtRi(t)Rt(t)RLIUHI溫度誤差補(bǔ)償溫度誤差補(bǔ)償熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，電阻絲具有正溫度系數(shù)（a）、（b）、（c）中的霍爾元件具有負(fù)溫度系數(shù)（d）中的霍爾元件具有正溫度系數(shù)溫度誤差補(bǔ)償E2w1w2E1w3R2R3R4R1RtUHt調(diào)節(jié)電位器W1可以消除不等位電勢(shì)。電橋由溫度系數(shù)低的電阻構(gòu)成，在某一橋臂電阻上并聯(lián)一熱敏電阻。當(dāng)溫度變化時(shí)，熱敏電阻將隨溫度變化而變化，使電橋的輸出電壓相應(yīng)變化，只要仔細(xì)調(diào)節(jié)，即可補(bǔ)償霍爾電勢(shì)的變化，使其輸出電壓與溫度基本無關(guān)溫度誤差補(bǔ)償已知某霍爾元件尺寸為長(zhǎng)l=10mm，寬b=3.5mm，厚d=1mm。沿l方向通以電流I=1.0mA，在垂直于b×l面方向上加均勻磁場(chǎng)B=0.3T，輸出霍爾電勢(shì)UH=6.55mV。求該霍爾元件的靈敏度系數(shù)KH和載流子濃度n是多少？UHbldIFLB7.3.3霍爾式傳感器應(yīng)用霍爾轉(zhuǎn)速表SN線性霍爾磁鐵7.3.3霍爾式傳感器應(yīng)用霍爾轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)原理7.3.3霍爾式傳感器應(yīng)用7.3.3霍爾式傳感器應(yīng)用7.3.3霍爾式傳感器應(yīng)用7.3.3霍爾式傳感器應(yīng)用7.3.3霍爾式傳感器應(yīng)用開關(guān)型霍爾傳感器集成電路開關(guān)型霍爾集成電路

與繼電器的接線?7.3.3霍爾式傳感器應(yīng)用7.4.2.1磁敏二極管7.4.2磁敏二極管和磁敏三極管1.磁敏二極管的工作原理與主要特性P+N+I區(qū)r面P+N+I區(qū)r面H+P+N+I區(qū)r面H-利用磁敏二極管在磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化下，其電流發(fā)生變化，于是就實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。

（a）（b）（c）P+N+I區(qū)r面H-P+N+I區(qū)r面H+P+N+I區(qū)r面1.磁電特性：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。B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0ΔU/V1.磁敏二極管的工作原理與主要特性2.伏安特性：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。例鍺磁敏二極管的伏安特性。1357921.510.50-0.5-1-1.5-2U(V)I(mA)硅磁敏二極管的伏安特性(a)I（mA)31245024681012U(V)4kG3kG2kG1kG0kG-1kG-2kG-3kG(b)3kGI（mA)31245024681012U(V)4kG2kG0kG-1kG-2kG-3kG3.溫度特性：在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，輸出電壓變化量隨溫度的變化。一般比較大。實(shí)際使用必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。硅管的使用溫度是-40oC~±85oC，鍺管是-40~±65oC。T/℃020400.20.40.60.81.0E=6VB=0.1T8060-20-5-4-3-2-1IΔUI/mAΔU/V常用的補(bǔ)償電路:常用的補(bǔ)償電路:1.磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與工作原理在弱P型或弱N型本征半導(dǎo)體上用合金法或擴(kuò)散法形成發(fā)射極、基極和集電極?；鶇^(qū)較長(zhǎng)?；鶇^(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管，有高復(fù)合速率的r區(qū)和本征I區(qū)。長(zhǎng)基區(qū)分為運(yùn)輸基區(qū)和復(fù)合基區(qū)。7.4.2磁敏三極管的工作原理和主要特性(a)結(jié)構(gòu)(b)符號(hào)bcecN+eH-H+bIrN+P+當(dāng)磁敏三極管末受磁場(chǎng)作用時(shí)，由于基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，大部分載流子通過e-I-b形成基極電流，少數(shù)載流子輸入到c極。因而形成基極電流大于集電極電流的情況，使β＜l。工作原理:N+N+eP+xIrbcy

當(dāng)受到正向磁場(chǎng)(H+)作用時(shí)，由于磁場(chǎng)的作用，洛侖茲力使載流子偏向發(fā)射結(jié)的一側(cè)，導(dǎo)致集電極電流顯著下降，當(dāng)反向磁場(chǎng)(H-)作用時(shí)，在H-的作用下，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電汲電流增大。N+N+eP+xrbycIN+N+eP+xIrbcH-yN+N+eP+xIrbcyH+N+N+eP+xIrbcH-yN+N+eP+xrbycI（a）(b)(c)由此可知、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。這樣就可以利用磁敏三極管來測(cè)量弱磁場(chǎng)、電流、轉(zhuǎn)速、位移等物理量。與普通晶體管的伏安特性曲線類似。由圖可知，磁敏三極管的電流放大倍數(shù)小于1。(1)伏安特性2.磁敏三極管的主要特性Ib=0Ib=5mA1.00.80.60.40.20246810Uce/VIc/mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAUce/VIb=3mA,B=-1kG1.00.80.60.40.20246810Ic/mAIb=3mA,B=0Ib=3mA,B=1kG(1)為不受磁場(chǎng)作用時(shí)(2)磁場(chǎng)為

1kGs

基極為3mA(2)磁電特性

磁敏三極管的磁電特性是應(yīng)用的基礎(chǔ)，右圖為國(guó)產(chǎn)NPN型3BCM(鍺)磁敏三極管的磁電特性，在弱磁場(chǎng)作用下，曲線接近一條直線。-3-2-112345B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.1

圖7-273BCM磁敏三極管的磁電特性(3)溫度特性及其補(bǔ)償下圖是采用兩只特性一致、磁極相反的磁敏三極管組成的差動(dòng)電路