磁敏传感器教材

第五章 磁敏传感器及应用技术 梁长垠 教授 Professor Liang 第五章 磁敏传感器及应用技术 教学目的： 1、了解磁敏传感器的作用、分类和使用方 法； 2、熟悉常用磁敏传感器的特点及应用范围 ； 4、掌握常用磁敏传感器的工作原理及使用 方法； 5、学会正确选用磁敏传感器的方法。 教学重点： 1、磁敏传感器特点与选用； 2、磁敏传感器原理及接口电路设计方法。 教学难点： 1、磁敏传感器工作原理； 2、磁敏传感器应用电路分析与设计方法。 教学方法： 1、引导文教学法 2、引探教学法 3、头脑风暴法 第五章 磁敏传感器及应用技术 问题思考： 1、磁敏传感器的作用是什么？ 2、常用的磁敏传感器有哪些种？各自的原 理是什么? 3、何为磁阻效应？何为霍尔效应? 4、磁敏传感器的原理是什么？其应用场合 有哪些? 5、举出5种以上磁敏传感器的应用场景。 第五章 磁敏传感器及应用技术 第一节 磁敏传感器定义与分类 磁敏传感器概述 磁敏传感器定义与分类 第二节 磁敏传感器工作原理 霍尔元件 磁阻传感器 干簧管 磁敏二极管、晶体管 第三节 磁敏传感器应用分析与训练 霍尔电机测速电路设计与调试 自动供水系统电路设计与调试 第五章 磁敏传感器及应用技术 一、磁敏传感器概述 磁敏传感器应用： 以磁场为媒介的物理量，例如：位移、振动、力、 转速、加速度、流量、电流、电功率等 应用领域：自动抄表、家用电器、磁场测量、车辆检 测、 金属探测、转速测量、航海、机器人 感知磁性物体的存在或者磁性强度的一类传感器 1831年法拉第发现的电磁感应定律 1879年霍尔发现金属中的霍尔效应 1988年，法国的费尔和德国的格林贝格尔发现的 磁阻效应，并荣获了2007年诺贝尔物理学奖 我国磁敏传感器的研究与应用仅有30多年的历史 主要特点：非接触测量 第一节 磁敏传感器定义与分类 磁敏传感器应用 第一节 磁敏传感器定义与分类 市科技创新项目应用案例：新型道路车辆测量系统 功能：闯红灯、速度检测、车流量检测、车型检测 第一节 磁敏传感器定义与分类 第一节 磁敏传感器定义与分类 二、磁敏传感器定义 对磁场参量（磁感应强度、磁通）敏感，通过磁电 作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换为电 信号的器件或装置 磁敏传感器 磁电感应式传感器 （基于电磁感应原理） 利用导体和磁场发生 相对运动导体两端产 生感应电势 磁电效应传感器 磁敏电阻 磁敏二极管 磁敏三极管 霍尔元件 三、磁敏传感器分类 一、霍尔元件 1、霍尔效应 在金属或半导体薄片两端通以 电流I，并在薄片的垂直方向上 施加磁感应强度为B的磁场，那 么，在垂直于电流和磁场的方 向上将产生电势UH（称为霍尔 电动势或霍尔电压）。这种现 象称为霍尔效应。 第二节 磁敏传感器工作原理 一、霍尔元件 1、霍尔效应 霍尔效应的产生是由于运动电荷受到磁场中洛伦兹 力作用的结果。霍尔电势UH可用下式表示： UH=RHIB/d (V) 式中 RH霍尔常数 I控制电流， B磁感应强度 d霍尔元件的厚度 令 KH=RH/d，则得到 UH=KHIB 可见，霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强 度B。KH称为霍尔元件的灵敏度，它与元件材料的性 质与几何尺寸有关。 第二节 磁敏传感器工作原理 一、霍尔元件 2、霍尔元件 （1）霍尔元件结构与电路符号 （2）霍尔元件特性 线性特性 开关特性 霍尔元件的输出电动势 分别于I、B成线性关系 霍尔元件输出电势在一定区域内随B增加迅速增加的特性 第二节 磁敏传感器工作原理 二、霍尔传感器 1、霍尔传感器 将霍尔元件、放大器、调理电路等集成在一个芯片 上。 （1）线性型霍尔传感器 线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放 大器和射极跟随器组成，它输出模拟 量。 霍尔传感器 线性型霍尔传感器 开关型霍尔传感器 输出电压与外加磁场强度呈线性关系 ，在B1B2的磁感应强度范围内有较好 的线性度，磁感应强度超出此范围时 则呈现饱和状态。 第二节 磁敏传感器工作原理 （2）开关型霍尔传感器 开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元 件、差分放大器，斯密特触发器和输出 级组成，它输出数字量 图中，Bnp为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点 “关”的磁感应强度。当外加的磁感应强度超过动作点 Bnp时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点 Bnp以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点 BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bnp与BRP之间 的滞后使开关动作更为可靠。 第二节 磁敏传感器工作原理 二、霍尔传感器 （3）锁键型霍尔传感器 锁键型是开关型霍尔传感器的一种特殊 形式，它输出数字量 当磁感应强度超过动作点Bnp时，传感 器输出由高电平跃变为低电平，而在外 磁场撤消后，其输出状态保持不变（即 锁存状态），必须施加反向磁感应强度 达到BRP时，才能使电平产生变化。 第二节 磁敏传感器工作原理 二、霍尔传感器 （4）霍尔传感器的恒压驱动 第二节 磁敏传感器工作原理 二、霍尔传感器 （5）霍尔传感器的恒流驱动 第二节 磁敏传感器工作原理 第二节 磁敏传感器工作原理 （6）霍尔传感器应用常用接口电路 （7）霍尔传感器应用集锦 第二节 磁敏传感器工作原理 第二节 磁敏传感器工作原理 2.磁敏电阻分类 是一种基于磁阻效应而制作的电阻体。它在外施磁场的作 用下(包括磁场强度及方向变化)能够改变自身的阻值。 二、磁敏电阻 1.磁阻效应与巨磁阻效应 磁阻效应：物质在磁场中电阻发生变化的现象。 巨磁阻效应：指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较 之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。 磁阻传感器 异向性磁敏电阻AMR Anisotropic MagnetoResistance 巨磁电阻GMR GiantMagnetoresistance 二、磁敏电阻 3.磁敏电阻结构与特性 第二节 磁敏传感器工作原理 二、磁敏电阻 4.磁敏电阻应用分析 电 桥 电 路 三 极 管 电 路 位 移 检 测 硬 盘 磁 头 第二节 磁敏传感器工作原理 三、干簧管 定义：干簧管(磁簧管、舌簧管)是一种磁敏的特殊开 关。 结构与外形：两个触点由特殊材料制成，被封装在真空 的玻璃管里。 工作原理：用磁铁接近它 ， 干簧管两个节点就会吸合 在一起，使电路导通。 典型应用：计数、限位等。 例如：轮胎上沾上磁铁与干簧管的自行车公里计 开关门的报警器、问候器 断线报警器 接近开关等 第二节 磁敏传感器工作原理 第三节 磁敏传感器应用分析与训练 一、霍尔电机测速电路设计与调试 1、实训目的 （1）熟悉霍尔传感器的工作原理； （2）掌握霍尔测速系统原理及调试方法； 2、实训设备与器件 传感器综合应用创新实训平台、磁敏传感器应用模块、 测试用磁钢、直流电机测速模块、数字式万用表等。 3、实训原理 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。利用 霍尔传感器测量电机转速时，可在电机主轴上相连的码盘 上安装一个磁钢，当电机旋转时，磁钢经过霍尔传感器， 其可以直接输出脉冲信号，送数字转速表/频率计单元中进 行显示，也可计算单位时间内的脉冲数，再换算出转速。 第三节 磁敏传感器应用分析与训练 一、霍尔电机测速电路设计与调试 4、实训电路 第三节 磁敏传感器应用分析与训练 一、霍尔电机测速电路设计与调试 4、实训电路 第三节 磁敏传感器应用分析与训练 一、霍尔电机测速电路设计与调试 4、实训电路 第三节 磁敏传感器应用分析与训练 一、霍尔电机测速电路设计与调试 5、实训步骤 1.将磁敏传感器应用模块的电机模块接口（J8）与直流 电机测速模块的cone10接口用16P彩排线接到，把“磁敏传 感器应用模块”上的SP1接用跳线接到底板上的数字转速表 /频率计单元的IN端口上并设置为转速表模式。 2.检查各相关线路，接通实训平台电源，用数字万用表测 量磁敏传感器应用模块的供电电压（+5V）是否正常。 3. 把拨动开关SW1拨到右侧（模拟控制），利用调速旋钮 RP1控制直流电机转速，观察转速表数据，记录在表中。 4.使用示波器观察TP7（SP2）处霍尔传感器的输出波形。 5把SW1拨到左侧（PWM控制），用20P排线将传感器J1接 口与智能显示终端J2接口相连接，开启电源，通过按键K1与 K2调节电机转速，观察智能显示终端显示的转速并记录。 第三节 磁敏传感器应用分析与训练 一、霍尔电机测速电路设计与调试 6、问题思考 （1）如果在电机转盘上放置两处磁钢，按以上步骤会 得到什么结果？ （2）改变霍尔传感器与电机转盘之间的距离，所得结 果是否一致？ 第三节 磁敏传感器应用分析与训练 一、霍尔电机测速电路设计与调试 4、实训电路 第三节 磁敏传感器应用分析与训练 一、霍尔电机测速电路设计与调试 4、实训电路