第6章-磁电磁敏式传感器.ppt

第第6 6章章 磁电、磁敏式传感器磁电、磁敏式传感器主要内容： 6.1 磁电感应式传感器 6.2 霍尔式传感器 6.3 磁敏元件 6.16.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器(1)(1)工作原理和结构形式工作原理和结构形式 由法拉第电磁感应定律可知，由法拉第电磁感应定律可知，N N匝线圈在磁场中运动切割磁匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势动势E E(V)(V)的大小取决于穿过线圈的磁通的大小取决于穿过线圈的磁通 的的变化率，变化率，即即利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器工作时不需要外加电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号（有源传感器）动钢型动圈型恒磁通式测振动 恒磁通式传感器通常用做机械振动测量 结构大体分两种: 动圈型 永久磁铁与壳固定 动钢型 线圈与壳体线固定 恒磁通式: 磁路系统产生恒定磁场，运动部件是线圈也可以是磁铁 磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之间作相对运动；磁路中磁阻的变化等；一般可将磁电感应式传感器分为恒磁通式和变磁通式两类。

变磁通式又称为变磁阻式，线圈、磁铁静止不动，感应电动式是由变化的磁通产生根据磁路系统的结构不同又分为：开磁路和闭磁路两种开磁路闭磁路（a）开磁路（b）闭磁路例如：测转速时, 转动物体（齿轮的凹凸）引起磁阻或磁 通变化电压灵敏度： 由 可确定电流灵敏度: 定义磁电感应式传感器灵敏度 对于结构确定的磁电式传感器，输出正比于运动速度理想输出特性式中：式中：B B 磁感应强度，磁感应强度，N N 线圈匝数，线圈匝数，L L每匝线圈长度，每匝线圈长度，V V运动速运动速度灵敏度 为常数（2 2）基本特性）基本特性 实际输出特性（灵敏度）是不线性的， 偏离的原因：当振动速度很小时（a），惯性力不足以克服传感器活动部件的静摩擦力，因此线圈与磁铁不存在相对运动，因此无输出；当a时，惯性力克服静摩擦力，有相对运动，但摩擦阻尼使输出特性非线性；当速度超过c时惯性太大超过弹性形变范围，输出出现饱和；传感器的运动速度通常工作在(b ,c)范围之间，保证有足够的线性范围灵敏度曲线超过弹性形变范围输出出现饱和（3 3）测量电路）测量电路n 直接输出电动势，测量速度信号； 信号输出经测量电路转换：接入积分电路可测量位移信 号；接入微分电路可测量加速度信号。

磁电感应式传感器可直接输出感应电动势，通常具有较高的灵敏度，对测量电路无特殊要求测量电路测量电路位移速度加速度 积分积分电路电路-测位移测位移v 速度经时间积分，可测量位移If CIi Re = uiu0-+理想运放RC 称积分时间常数根据设电容上初始电压为零，输出电压是输入电压对时间积分uitu0tv 速度经微分电路 可测量加速度 If RfIc Cuiu0-+理想运放因为 u0tuit 微分微分电路电路-测加速度测加速度磁电感应式传感器的特点磁电感应式传感器是惯性式传感器，不需要静止的基准参考，可直接装在被测体上，适合作机械振动测量、转速测量磁电式传感器是一种有源传感器，工作时无需加电压，直接将机械能转化为电能输出测速度时，传感器的输出电压正比于速度信号，可以直接放大输出功率大，稳定可靠，但传感器尺寸大、重，输出阻抗低，通常几十几千欧，对后置电路要求低，干扰小4 4）应用）应用1、8圆形弹簧片；2圆环形阻尼器；3永久磁铁；4铝架；5芯轴；6工作线圈；7壳体；9引线工作频率10500Hz最大可测加速度50m/s2线性度5固有频率12Hz可测位移范围0.11000 外形尺寸45mm160mm灵敏度600mVscm-1工作线圈内阻1.9k质量0.7kgCD-1 CD-1 型震动速度传感器型震动速度传感器 霍尔霍尔传感器属于半导体磁敏元件，传感器属于半导体磁敏元件，磁敏元件磁敏元件也是基于也是基于磁电转磁电转换原理换原理，是把，是把磁学物理量磁学物理量转换成电信号的传感器。

转换成电信号的传感器 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长磁敏传感器磁学量电信号6.26.2霍尔式传感器霍尔式传感器6.2.1 6.2.1 霍尔效应霍尔效应 把一个导体（半导体薄片）两端通以电流，在垂直方向施加磁感强度B 的磁场，在导体薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I 和磁场强度B 的乘积成比例的电动势UH，这种现象称霍尔效应 霍尔电动势与磁场强度B、电流强度I有关霍尔传感器基于霍尔效应 磁场强度B 的方向改变时霍尔电动势的电压极性也随之改变半导体 在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动时每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧： 磁场下导体中的电子运动时，因霍尔电势产生霍尔电场，其中霍尔电场强度为：并有作用于电子的力： 当两作用力相等时电荷不再向两边积累达到动态平衡：u通过（半）导体薄片的电流I与下列因素有关：霍尔电势为 n 载流子浓度， v 电子运动速度，b d 导体薄片横截面积 ，e 电子电荷量代入后：与薄片尺寸有关与材料有关霍尔灵敏度霍尔常数式中：电阻率、n 电子浓度、电子迁移率 = / E单位电场强度作用下载流子运动速度 可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件;金属材料因电子浓度n很高，RH 很小，灵敏度低，UH 很小;绝缘材料电阻率很大，但电子迁移率很小，不适用；半导体材料电阻率较大，电子迁移率适中，非常适于做霍尔元件；半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N 型半导体（多电子）;由霍尔灵敏度可见:厚度d越小霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔元件通常做的较薄，近似1微米(d1m)，工作电压很低。

讨论6.2.2 6.2.2 霍尔元件（传感器）霍尔元件（传感器）霍尔元件外形和符号 霍尔传感器测量电路霍尔传感器测量电路 霍尔元件的外形为矩形薄片，有四根引线，两端加激励，两端为输出，RL为负载电阻；电源E通过Rp控制激励电流I；B 磁场与元件面垂直（向里） 实测中可把IB作输入，也可把I或B单独做输入；通过霍尔电势输出测量结果 输出UH与I 或B成正比关系，或与IB成正比关系霍尔传感器的误差及补偿霍尔传感器的误差及补偿 当霍尔元件通以激励电流I 时，若磁场B=0，理论上霍尔电势UH=0，但实际UH0，这时测得的空载电势称不等位电势U0 产生的原因：霍尔引出电极安装不对称，不在同一等位面上，或激励电极接触不良半导体材料不均匀，几何尺寸不均匀，造成电阻率不均匀1) 不等位电势 不等位电势的补偿 分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出，U00，可在电阻大的桥臂上并联电阻 霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关当温度变化时，载流子浓度n、迁移率、电阻率，霍尔系数RH都会变化2) 温度误差及补偿 灵敏度与温度系数关系恒流源补偿：由UH = KH I B可见，恒流源I供电可使UH稳定，但灵敏度系数KH = RH /d = /d也是温度的函数，温度T变化时，灵敏度KH也变化。

恒流源补偿方法:在霍尔元件上并联一分流电阻RpIH RIN当TIPUH 由于恒流源电流I 不变，R p自动增加分流，使I p 增大，IH 下降，UH下降； 补偿电阻Rp 可选择负温度系数.IHRPTIPUHKH = RH /d =/d 多数霍尔器件是正温度系数，T KH，可通过减小 I 保持 KHI不变，抵消温度造成KH 增加的影响6.2.3 6.2.3 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 位移测量； 测转速； 测磁场； 计数装置(导磁产品)检缺口 检齿霍尔元件磁铁F只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突 起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号 1.测转速汽车转速测量输出信号整形滤波显示2.霍尔传感器位移测量原理 在结构范围内位移测量线性好霍尔传感器测电流铁心 线性霍尔IC UH=KHIXB 霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔元件测量铁心气隙的B值6.3 6.3 磁敏元件磁敏元件n 磁敏元件也是基于磁电转换原理,60年代西门子公司研制了第一个磁敏元件,68年索尼公司研制成磁敏二极管,目前磁敏元件应用广泛磁敏元件磁敏元件主要有：霍尔元件；磁敏电阻；磁敏二极管；磁敏三极管。

6.3.1 6.3.1 磁敏电阻磁敏电阻 载流导体置于磁场中，除了产生霍尔效应外，导体中载流子载流导体置于磁场中，除了产生霍尔效应外，导体中载流子因因受洛仑兹力受洛仑兹力作用要发生偏转，磁场作用要发生偏转，磁场使使载流子运动方向的偏载流子运动方向的偏转使转使电流路径电流路径变化，变化，起到了加大电阻的作用起到了加大电阻的作用，磁场越强增大，磁场越强增大电阻的作用越强电阻的作用越强 0 0 零磁场电阻率；零磁场电阻率； 磁导率；磁导率； B BB B 磁场电阻率；磁场电阻率； B B磁场强度磁场强度JJ 外加磁场使导体外加磁场使导体( (半导体半导体) )电阻随磁场增加而增大的现象电阻随磁场增加而增大的现象称称磁阻效应磁阻效应 磁阻效应表达式为磁阻效应表达式为（1）磁阻效应磁敏电阻结构磁敏电阻结构 霍尔电场作用会抵消洛伦兹力，磁阻效应被大大减弱； 由于霍尔电场强度与导体薄片的宽度b成反比关系， 磁阻效应还与元件的几何尺寸有关长方形样品扁条状长形圆盘样品电阻变化很小磁阻变化明显不产生霍尔电场 长方形样品：霍尔电场长方形样品：霍尔电场作用力作用力F FHH部分部分抵消了罗仑兹力作用，抵消了罗仑兹力作用，电阻变电阻变化很小。

化很小 扁条状长方形：霍尔扁条状长方形：霍尔电场电场 E EH H 很小很小，磁场作用使载流子偏转，磁场作用使载流子偏转厉害厉害，磁阻效应磁阻效应明显 圆盘样品：外加磁场时，电流以螺旋形路径指向外电极，路径增大圆盘样品：外加磁场时，电流以螺旋形路径指向外电极，路径增大电阻增加在圆盘中任何地方都不会积累电荷也不会产生霍尔电场电阻增加在圆盘中任何地方都不会积累电荷也不会产生霍尔电场，磁阻效应最明显磁阻效应最明显长方形L Lb bvv 为了消除霍尔电场影响，获得大的磁阻效应为了消除霍尔电场影响，获得大的磁阻效应, ,一般将磁敏一般将磁敏电阻制成圆形或扁条长方形，并且磁敏元件需满足电阻制成圆形或扁条长方形，并且磁敏元件需满足 L / b 1L / b 1磁敏电阻与霍尔元件属同一类,都是磁电转换元件,本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力,只有与辅助材料(磁铁)并用才具有识别磁极的能力.（2）磁敏电阻的输出特性磁阻元件在工作时通常需要加偏置磁场，使磁敏电阻工作性区域无偏置磁场时只能检测磁场不能判别磁性输出弱磁场时磁阻与磁场关系为：R =R0（1+MB2） R0 为零磁场内阻； M 为零磁场系数；外加偏置磁场时磁阻具有极性，相当在检测磁场外加了偏置磁场，工作点移到线性区，磁极性也作为电阻值变化表现出来，这时电阻值的变化为： R = RB（1+MB） RB 为加偏置磁场电阻6.3.2 6.3.2 磁敏晶体管磁敏晶体管 器件特点： P-N为掺杂区，本征区I长度较长构成高阻半导体；磁敏二极管在长“基区”的一侧面设置了复合区r，r 面是个粗糙面，载流子复合速度非常高； r 区对面是复合率很小的光滑面，载流子不易复合。

1）磁敏二极管（锗管2ACM，硅管2DCM） 工作过程：加正向电压时，空穴、电子同时注入I 区v无磁场时B=0，大部分P 区空穴注入N 区，N 区电子注入P 区形成电流；v加正向磁场时，由于洛仑磁力作用，空穴电子偏向r区，并在r区很快复合，I 区载流子减小，电流减小，相当于电阻增加压降增加；v加反向磁场时，空穴电子偏向r区背面，复合减少，I区载流子增加，相当电阻减小电流增加，压降减小 以锗管NPN型为例：磁敏三极管也是以长基区为特征，有两个PN结，发射极与基极之间的PN结由长基区二。