智能傳感與檢測(cè)技術(shù) 教案 第7章 霍爾傳感器與其他磁敏傳感器

《智能傳感與檢測(cè)技術(shù)》課程教案授課章節(jié)第7章霍爾傳感器與其他磁敏傳感器7.1霍爾效應(yīng)7.2霍爾元件及特性參數(shù)7.3集成霍爾傳感器7.4霍爾傳感器的應(yīng)用實(shí)例建議課時(shí)2授課方式理論知識(shí)講授+討論課+多媒體演示所屬專(zhuān)業(yè)教學(xué)目標(biāo)1.了解霍爾效應(yīng)2.掌握霍爾元件及特性參數(shù)3.掌握集成霍爾傳感器4.了解霍爾傳感器的應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)1.霍爾元件及特性參數(shù)2.集成霍爾傳感器教學(xué)難點(diǎn)1.霍爾元件及特性參數(shù)2.集成霍爾傳感器參考教材《智能傳感與檢測(cè)技術(shù)》徐小華主編機(jī)械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學(xué)內(nèi)容『新課導(dǎo)入』霍爾傳感器是一種磁敏傳感器，它是把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、信息傳遞、電磁測(cè)量、生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。它的最大特點(diǎn)是非接觸測(cè)量?！菏谡n內(nèi)容』7.1霍爾效應(yīng)將金屬或半導(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（如圖7-1所示），當(dāng)有電流I通過(guò)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，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。7.2霍爾元件及特性參數(shù)7.2.1霍爾元件霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，它由霍爾片、引線(xiàn)和殼體組成，如圖7-2a所示。霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出4個(gè)引線(xiàn)，a、b兩根引線(xiàn)加激勵(lì)電壓或電流，稱(chēng)為激勵(lì)電極；c、d引線(xiàn)為霍爾輸出引線(xiàn)，稱(chēng)為霍爾電極?；魻栐臍んw由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝而成，圖7-2b為霍爾元件的實(shí)物圖，圖7-2c為霍爾元件的圖形符號(hào)。7.2.2霍爾元件的主要特性參數(shù)(1)霍爾元件的靈敏度系數(shù)KH?；魻栐撵`敏度定義為在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下，霍爾電勢(shì)輸出端開(kāi)路時(shí)的電勢(shì)值，其單位為V/A·T，它反映了霍爾元件本身所具有的磁電轉(zhuǎn)換能力，一般希望它越大越好。(2)額定激勵(lì)電流IN和最大允許激勵(lì)電流Imax。當(dāng)霍爾元件自身溫升10℃時(shí)所流過(guò)的電流值稱(chēng)為額定激勵(lì)電流IN。在相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，IN值越大則可獲得大的霍爾輸出。在霍爾元件做好后，限制IN的主要因素是散熱條件。一般情況下鍺元件的最大允許溫升是80℃，硅元件的最大允許溫升是175℃。當(dāng)元件允許最大溫升為限制時(shí)所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流，稱(chēng)為最大允許激勵(lì)電流Imax。(3)輸入電阻Ri、輸出電阻RO?；魻柶膬蓚€(gè)控制電極間的電阻值稱(chēng)為輸入電阻Ri，霍爾電極輸出電勢(shì)對(duì)外電路來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻RO，即兩個(gè)霍爾電極間的電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零且環(huán)境溫度在（20±5）℃時(shí)確定的。一般Ri大于RO，使用時(shí)不能出錯(cuò)。（4）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)ɑ。在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下，溫度每變化1℃時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率，稱(chēng)為霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)ɑ,ɑ值越小越好。7.3集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過(guò)處理的霍爾輸出信號(hào)。其輸出信號(hào)快，傳送過(guò)程中無(wú)抖動(dòng)現(xiàn)象，且功耗低，對(duì)溫度的變化是穩(wěn)定的，靈敏度與磁場(chǎng)移動(dòng)速度無(wú)關(guān)。按照輸出信號(hào)的形式，可以分為開(kāi)關(guān)集成霍爾傳感器和線(xiàn)性集成霍爾傳感器兩種類(lèi)型。線(xiàn)性集成霍爾傳感器開(kāi)關(guān)集成霍爾傳感器7.4霍爾傳感器的應(yīng)用實(shí)例7.4.1金屬零件霍爾計(jì)數(shù)裝置7.4.2霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車(chē)電子點(diǎn)火裝置【多媒體演示】多媒體課件見(jiàn)教材配套教學(xué)PPT『課堂小結(jié)』微電子技術(shù)的發(fā)展，使得目前的霍爾元件多已集成化，即將霍爾元件、激勵(lì)電流源、放大電路、施密特觸發(fā)器以及輸出電路等，集成于一個(gè)芯片上，構(gòu)成了集成霍爾傳感器?；魻柤呻娐罚ㄓ址Q(chēng)霍爾IC）取消了傳感器和測(cè)量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器減少了焊點(diǎn)，顯著地提高了工作可靠性?！鹤鳂I(yè)布置』P62頁(yè)一、填空題1、2、3二、簡(jiǎn)答題1、2、3三、綜合題1『教學(xué)后記』授課章節(jié)第7章霍爾傳感器與其他磁敏傳感器7.5.1磁敏電阻7.5.2磁敏二極管7.5.3磁敏晶體管7.5.4磁敏傳感器的應(yīng)用實(shí)例建議課時(shí)2授課方式理論知識(shí)講授+討論課+多媒體演示所屬專(zhuān)業(yè)教學(xué)目標(biāo)1.掌握磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏晶體管的工作原理2.熟悉磁敏傳感器的應(yīng)用實(shí)例教學(xué)重點(diǎn)磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏晶體管的工作原理教學(xué)難點(diǎn)磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏晶體管的工作原理參考教材《智能傳感與檢測(cè)技術(shù)》徐小華主編機(jī)械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學(xué)內(nèi)容『新課導(dǎo)入』磁阻元件與霍爾元件的區(qū)別在于：前者是以電阻的變化來(lái)反映磁場(chǎng)的大小，但無(wú)法反映磁場(chǎng)的方向；后者是以電動(dòng)勢(shì)的變化來(lái)反映磁場(chǎng)的大小和方向。磁敏傳感器包括磁敏電阻、磁敏二極管和磁敏三極管，它們的靈敏度很高，主要應(yīng)用于微弱磁場(chǎng)的測(cè)量?！菏谡n內(nèi)容』7.5其他磁敏傳感器7.5.1磁敏電阻1．磁阻效應(yīng)及磁敏電阻半導(dǎo)體材料的電阻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而變大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)，利用磁阻效應(yīng)制成的元件稱(chēng)為磁敏電阻。磁場(chǎng)引起磁敏電阻增加有兩個(gè)原因：一是材料的電阻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)而變大；二是磁場(chǎng)使電流在器件內(nèi)部的幾何分布發(fā)生變化，從而使物體的等效電阻增大。目前實(shí)用的磁阻元件主要是利用后者的原理制作的。常用的磁敏電阻由銻化銦薄片組成，如圖7-12所示。2.磁敏電阻的基本特性①磁阻特性。磁敏電阻無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的電阻RO與磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻RB的比值（RB/RO)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)為磁敏電阻的磁阻特性曲線(xiàn)，又稱(chēng)R-B曲線(xiàn)，如圖7-13所示?？梢钥闯觯瑹o(wú)論磁場(chǎng)的方向如何變化，磁敏電阻的阻值僅與磁場(chǎng)強(qiáng)度的絕對(duì)值有關(guān)。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)，線(xiàn)性較好。②溫度特性。溫度每變化1℃時(shí)，磁敏電阻的相對(duì)變化稱(chēng)為溫度系數(shù)，單位為％/℃。磁敏電阻值電阻值受溫度影響較大，一般為補(bǔ)償溫漂常采用兩個(gè)元件串聯(lián)的補(bǔ)償電路，如圖7-14所示。7.5.2磁敏二極管磁敏二極管結(jié)構(gòu)和工作原理磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖7-15所示。磁敏二極管是PIN型的。磁敏二極管的主要特性7.5.3磁敏晶體管1.磁敏晶體管的工作原理磁敏晶體管工作原理與磁敏二極管是相同的，磁敏晶體管也具有r區(qū)和I區(qū)，并增加了基極、發(fā)射極和集電極，磁敏晶體管的結(jié)構(gòu)原理及圖形符號(hào)如圖7-17所示。2.磁敏晶體管的主要特性1）磁電特性。磁敏晶體管的磁電特性為在基極電流恒定時(shí)，集電極電流與外加磁場(chǎng)的關(guān)系。在弱磁場(chǎng)作用下，特性接近線(xiàn)性。磁敏晶體管的磁電特性如圖7-18所示。2）伏安特性。圖7-19a所示為磁敏晶體管在零磁場(chǎng)強(qiáng)度下的伏安特性；圖7-19b所示為磁敏晶體管在基極電流不變，在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的伏安特性。7.5.4磁敏傳感器的應(yīng)用實(shí)例1.磁敏電阻的應(yīng)用①智能交通系統(tǒng)（ITS)的汽車(chē)信息采集。②小型探礦儀（磁力儀、金屬探測(cè)儀）。磁敏二極管的應(yīng)用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7-21所示?！径嗝襟w演示】多媒體課件見(jiàn)教材配套教學(xué)PPT『課堂小結(jié)』磁敏晶體