第07章+磁电式传感器

1、1第7章 磁电式传感器 7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 27.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁电感应式传感器又称磁电式传感器， 是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。它不需要辅助电源， 就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。 由于它输出功率大， 且性能稳定，具有一定的工作带宽（101000 Hz），所以得到普遍应用。 37.1.1 磁电感应式传感器工作原理磁电感应式传感器工作原理 根据电磁感应定律， 当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为 Blvdtd

2、xBldtde(7-1)式中: B稳恒均匀磁场的磁感应强度；l导体有效长度；v导体相对磁场的运动速度。 4如果在线圈运动部分的磁场强度如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的，是均匀的，则当线圈与磁场的相对速度为则当线圈与磁场的相对速度为时，线圈的感应电动势：时，线圈的感应电动势： sinaNBlE 为运动方向与磁场方向间夹角，当为运动方向与磁场方向间夹角，当90，线圈的感应电，线圈的感应电动势为：动势为：aNBlE 当当N、B和和la恒定不变时，恒定不变时，E与与=dx/dt成正比，成正比，根据感应电动势根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。的大小就可以知道被测速度的大小。 上一页下

3、一页返 回5若线圈作旋转运动，它的工作方式类似于一若线圈作旋转运动，它的工作方式类似于一只发电机，线圈在磁场中转动的感应电势只发电机，线圈在磁场中转动的感应电势6 若线圈作旋转运动，它的工作方式类似于一只发电机，线圈在磁场中转动的感应电势为： 其中B为磁感应强度，A为每匝线圈的平均截面积。7 当结构参数B、l、A、W确定后，那么感应电动势就只是 的函数，且成正比，故可用来测振动和转速。 , v8 当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电势e与磁通变化率d/dt有如下关系： dtdWe 根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：变磁变磁通式和恒磁

4、通式通式和恒磁通式。(7-2) 二、磁电式传感器的结构和分类二、磁电式传感器的结构和分类变磁通式变磁通式恒磁通式恒磁通式分分类类感生电动势原理感生电动势原理动生电动势原理动生电动势原理EXITEXITEXIT根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为 B稳恒均匀磁场的磁感应强度；稳恒均匀磁场的磁感应强度；l导体有效长度；导体有效长度；v导体相对磁场的运动速度。导体相对磁场的运动速度。 BlvdtdxBtdtdE1 1、恒磁通式工作原理、恒磁通式工作原理10 磁路系统

5、产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。 其运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式（图7-2（a）和动铁式（图7-2(b)）的工作原理是完全相同的。 当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大， 当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动， 近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，线， 从而从而产生感应电势。

6、产生感应电势。恒定磁通式应用恒定磁通式应用11图7-2 恒定磁通式磁电传感器结构原理图（a） 动圈式； (b) 动铁式 12lvWBe0(7-3) 式中：B0工作气隙磁感应强度； l每匝线圈平均长度； W线圈在工作气隙磁场中的匝数； v相对运动速度。 该电动势与速度呈一一对应关系，可直接测该电动势与速度呈一一对应关系，可直接测量速度，经过几分或微分电路便可测量位移或加量速度，经过几分或微分电路便可测量位移或加速度。速度。EXITEXITEXIT三、磁电式传感器测量电路三、磁电式传感器测量电路 磁电式传感器直接输出电动势，且通常具有高的灵敏度，一般磁电式传感器直接输出电动势，且通常具有高的灵敏度

7、，一般不需要高增益放大器。不需要高增益放大器。磁电式传感器是速度传感器，若要获得被测位移或加速度信号，磁电式传感器是速度传感器，若要获得被测位移或加速度信号，则需配用积分电路或微分电路。则需配用积分电路或微分电路。14 图7-1（a）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动线圈、磁铁静止不动， 测测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿， 齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次， 线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结结构简单，但输出信号较小，且因高构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装

8、齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。 f=Zn/60(Z为被测转速，n为齿轮个数)变磁通式变磁通式 变磁通式又称为磁阻式， 图7-1是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。 15图7-1 变磁通式磁电传感器结构图(a) 开磁路； (b) 闭磁路 f = Zn/60见P87图7-516 图7-1(b)为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。 当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性

9、变化的感应电动势。 显然， 感应电势的频率与被测转速成正比。 17 被测转轴1带动椭圆形铁芯2在磁场气隙中作周期性转动，使气隙平均长度发生周期性变化，磁路的磁阻也发生周期性变化，磁通发生变化，故线圈3中感应电动势的频率正比于2的转速。18特点： 传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度，因而它是与被测速度成一定比例关速度，因而它是与被测速度成一定比例关系的。当系的。当转速太低时，输出电势很小转速太低时，输出电势很小，以，以致无法测量。所以这种传感器有一个下限致无法测量。所以这种传感器有一个下限工作频率，一般为工作频率，一般为50Hz左右，闭磁路转速左右，闭磁

10、路转速传感器的下限频率可降低到传感器的下限频率可降低到30Hz左右。其左右。其上限工作频率可达上限工作频率可达100Hz。 197.1.2 磁电感应式传感器基本特性磁电感应式传感器基本特性 当测量电路接入磁电传感器电路时，如图7-1所示，磁电传感器的输出电流Io为 fofoRRlWvBRREI（7-4) 式中： Rf测量电路输入电阻； R线圈等效电阻。 传感器的电流灵敏度为 fooIRRlWBvIS（7-5) 20而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为 ffooUffofooRRlWRBvUSRRlWvRBRIU(7-6) (7-7) 当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或

11、冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为 RdRldlBdBSdSII(7-8) 21电磁流量计 工作原理22此式表明：感应电势与流速分布的形态无关，对一定的导管直径和感应强度，感应电势取决于瞬时流量。23 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应, 但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。 霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。 1. 霍尔效应霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体, 当它的电流方向与磁场方

12、向不一致时, 载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势, 这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。 第二节 霍尔传感器24EXITEXITEXIT霍尔：霍尔：1879年年设霍尔元件为设霍尔元件为N型半导体，型半导体，当通电流当通电流I时时FL = qvB一、霍尔效应一、霍尔效应UHbldIFFvB当电场力与洛仑兹力相等时，当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，有达到动态平衡，有qEH=qvB霍尔电场的强度为霍尔电场的强度为EH=vB霍尔电压霍尔电压UH可表示为可表示为UH = EH b = vBb流过霍尔元件的电流为流过霍尔元件的电流为I=dQ/dt=bdvnq；v=I/nqbd

13、UH=BI/nqd；若取；若取RH = 1/nq则有则有dIBRUHHEXITEXITEXITRH被定义为霍尔元件的霍尔被定义为霍尔元件的霍尔系数。系数。霍尔系数由半导体材料性质霍尔系数由半导体材料性质决定，反映材料霍尔效应的强弱。决定，反映材料霍尔效应的强弱。一、霍尔效应一、霍尔效应UHbldIFFvB霍尔电压为霍尔电压为霍尔元件的灵敏度：霍尔元件的灵敏度： 一个霍尔元件在单位控制电一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小。电压的大小。dIBRUHHdRKHHIBKUHHnqRH1nqdKH1KH即为霍尔元件的灵敏度。即为霍尔元件的灵敏度

14、。霍尔电压与材料的性质有关霍尔电压与材料的性质有关；与元件的尺寸有关。与元件的尺寸有关。27 如果磁场与霍尔元件的法线有的夹角，则 金属材料中自由电子浓度n很高，因此很RH小，使输出UH很小，不宜作霍尔元件。霍尔式传感器中的霍尔元件都是用半导体材料制成。cosHHUk IB28 对霍尔片材料的要求, 希望有较大的霍尔常数RH, 霍尔元件激励极间电阻R=L/（bd）, 同时R=UI/I=EIL/I=vL/（nevbd）, 其中UI为加在霍尔元件两端的激励电压，EI为霍尔元件激励极间内电场，v为电子移动的平均速度。载流子的迁移率 （ 则 (9)解得 RH= （10）从式（10）可知, 霍尔常数等于

15、霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。若要霍尔效应强, 则RH值大, 因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。 nebdLbdL/ v E1nq29 一般金属材料载流子迁移率很高, 但电阻率很小; 而绝缘材料电阻率极高, 但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔片。 目前常用的霍尔元件材料有: 锗、 硅、砷化铟、 锑化铟等半导体材料。 其中N型锗容易加工制造, 其霍尔系数、 温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好, 其霍尔系数、 温度性能同N型锗相近。 锑化铟对温度最敏感, 尤其在低温范围内温度系数大,但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小, 温度系数也较小, 输出

16、特性线性度好。 表5 - 1 为常用国产霍尔元件的技术参数。 30 2. 霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构 霍尔元件的结构很简单, 它由霍尔片、 引线和壳体组成, 如图 5-2(a)所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四个引线。1、1两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。 霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。 在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图5-2(b)所示。 3132 控制电流端引线分别焊在位移晶片长度走向的两个端面上，通常为红色红色导线导线，其焊接处叫控制电流极；霍尔输出引线位于晶片的宽度走向上，分别焊接在两侧面的中心

17、位置，通常为绿色导线，其焊接处叫霍尔电极。 要求它们的焊接都是欧姆焊接，即接触电阻很小，且呈纯电阻（无电容和电感效应）。霍尔电极引线的宽度与长度比不能小于0.1，否则影响输出。壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。 EXITEXITEXIT基本连接方式与测量电路基本连接方式与测量电路二、霍尔元件的结构与特性二、霍尔元件的结构与特性2 2、霍尔元件的测量电路、霍尔元件的测量电路WUHRLEBIIBUH34 3. 霍尔元件基本特性霍尔元件基本特性 1） 额定激励电流和最大允许激励电流 当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为额额定激励电流定激励电流。 以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流

18、称为最大允许激励电流最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而增加, 所以, 使用中希望选用尽可能大的激励电流, 因而需要知道元件的最大允许激励电流, 改善霍尔元件的散热条件, 可以使激励电流增加。 2） 输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻值称为输入电阻输入电阻。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源, 其电源内阻即为输出电输出电阻阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在205时确定的。 EXITEXITEXIT（4）霍尔温度系数）霍尔温度系数在一定的磁感应强度和在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化控制电流下，温度变化1时，时，霍尔电势变化的百分率。霍尔电势变化的百分率。（3

19、）不平衡（等位）电势）不平衡（等位）电势在额定控制电流下，不加磁场在额定控制电流下，不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。时霍尔电极间的空载霍尔电势。)1(tUUHoHt AIU0BCD36霍尔元件测量误差及补偿霍尔元件测量误差及补偿 霍尔元件在使用中，存在多种因素影响测量精度，主要原因有两类：半导体制造工艺和半导体固有特性。其表现为零位误差和温度误差而引起的测量误差。 1 零位误差及补偿零位误差及补偿u 不等位电势不等位电势是零位误差中最主要的一种是零位误差中最主要的一种 当霍尔元件的激励电流为I时, 若元件所处位置磁感应强度为零, 则它的霍尔电势应该为零, 但实际不为零。 这时测得的空载霍尔

20、电势称不等位电势。37即：产生的原因有产生的原因有: 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上; 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀（如片厚薄不均匀等）; 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。 这些工艺上问题都将使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电势。 000BHIBKU38 式中: U0不等位电势; r0不等位电阻; IH激励电流。 由上式（11）可以看出, 不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压。 HIUr00（11）u 不等位电阻不等位电阻 不等位电势也可用不等位电阻表示39u 霍尔元件不等位电势补偿霍尔元件不等位电势补偿 不

21、等位电势与霍尔电势具有相同的数量级, 有时甚至超过霍尔电势, 而实用中要消除不等位电势是极其困难的, 因而必须采用补偿的方法。 由于不等位电势与不等位电阻是一致的, 可以采用分析电阻的方法来找到不等位电势的补偿方法。 如图 5-4 所示, 其中A、B为激励电极, C、D为霍尔电极, 极分布电阻分别用R1、 R2、 R3、 R4表示。理想情况下, R1=R2=R3=R4, 即可取得零位电势为零（或零位电阻为零）。 实际上, 由于不等位电阻的存在, 说明此四个电阻值不相等, 可将其视为电桥的四个桥臂, 则电桥不平衡。为使其达到平衡， 可在阻值较大的桥臂上并联电阻（如图5-4（a）所示）, 或在两个

22、桥臂上同时并联电阻（如图 5-4 (b)所示）。 EXITEXITEXIT霍尔元件不等位电动势也叫传霍尔元件不等位电动势也叫传感器输出电压的零位误差。感器输出电压的零位误差。三、霍尔元件测量误差和补偿三、霍尔元件测量误差和补偿1 1、零位误差及补偿方法、零位误差及补偿方法AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4不等位电动势与等效电路不等位电动势与等效电路电桥补偿原理：电桥补偿原理：在阻值较大的在阻值较大的桥臂上并联电阻。桥臂上并联电阻。ABCDWABCDWABCDW1R2R4R3RWABCDI4142寄生直流电势寄生直流电势 当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时，交流电流有效值为 ，霍尔

23、电极间的空载电势为直流和交流电势之和，其中交流电势与前述的零交流电势与前述的零位电势相对应，而直流电势是个寄生量，叫寄生位电势相对应，而直流电势是个寄生量，叫寄生直流电势直流电势V。 产生寄生直流电势V的原因有： 1 控制电极及霍尔电极的接触不良，形成非欧姆接触，形成整流效果所致； 2 两个霍尔电极大小不对称，造成连个电极点的热容量不同，散热状态不同，于是形成极间温差电势，表现为直流寄生电势中的一部分。 HI43 感应零电势：霍尔元件在交变磁场中，即使不加控制电流，霍尔端也有电势输出。即感应零电势。 产生原因：霍尔电极的阴线布置不合理。大小正比于磁场变化频率。（注：补偿方法注：补偿方法） 自激

24、场零电势445.2.2 温度误差及其补偿温度误差及其补偿温度误差 霍尔元件是采用半导体材料制成的, 因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时, 霍尔元件的电阻率及霍尔系数都将发生变化, 从而使霍尔元件产生温度误差。霍尔灵敏度系数与温度的关系可写成霍尔元件的输入电阻与温度变化的关系可写成 )1 (0TKKHH)1 (0TRRii（12）45恒流源的分流电阻温度补偿法 为了减小霍尔元件的温度误差, 除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外, 由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电是个有效措施, 可以使霍尔电势稳定。 但也只能减小由于输只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流入电阻随

25、温度变化而引起的激励电流I变化所带来的影响变化所带来的影响。 大多数霍尔元件的温度系数大多数霍尔元件的温度系数是正值是正值, 它们的霍尔电势随温度升高而增加（1+T）倍。如果,与此同时让激励电流I相应地减小, 并能保持 乘积不变, 也就抵消了灵敏系数 增加的影响。图 5-5 就是按此思路设计的一个既简单、 补偿效果又较好的补偿电路。IKHKH46 恒流源的分流电阻温度补偿法常采用图5-5的补偿电路电路中用一个分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极相并联。 当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时, 旁路分流电阻Rp自动地加强分流, 减少了霍尔元件的激励电流I, 从而达到补偿的目的。 在图 5-5 所示

26、的温度补偿电路中, 设初始温度为T0, 霍尔元件输入电阻为Ri0, 灵敏系数为KHI, 分流电阻为Rp0, 根据分流概念得 IH0= （13）当温度升至T时, 电路中各参数变为000iPPRRIRI12340PR图 5-5 分流电阻补电路示意图分流电阻补电路示意图UH47 Ri=Ri0（1+T）（14） Rp=Rp0（1+T）（15）式中: 霍尔元件输入电阻温度系数; 分流电阻温度系数。则 iPPHRRIRI)1 ()1 ()1 (000TRTRITRiPP 虽然温度升高T, 为使霍尔电势不变, 补偿电路必须满足温升前、 后的霍尔电势不变, 即 48 UH0=UH KH0IH0B=KHIHB

27、（16）则 KH0IH0=KH IH （17）将式（12）、 （13）、 （16）代入上式, 经整理并略去、 (T)2高次项后得 （18） 当霍尔元件选定后, 它的输入电阻Ri0和温度系数及霍尔电势温度系数是确定值。由式（18）即可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值。为了满足R0及两个条件, 分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合, 这样虽然麻烦但效果很好。 aRaRi00p)(EXITEXITEXIT2 2、温度误差及补偿方法、温度误差及补偿方法（2）热敏电阻补偿）热敏电阻补偿对于用温度系数大的半导体对于用温度系数大的半导体材料制成的霍尔元件，常采用热材料制成的霍尔元件，常采用

28、热敏电阻进行补偿。敏电阻进行补偿。负温度系数的霍尔输出随负温度系数的霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控温度升高而下降，只要能使控制电流随温度升高而上升，就制电流随温度升高而上升，就能补偿。能补偿。输入回路补偿：输入回路补偿：在输入回在输入回路串入热敏电阻，当温度上升路串入热敏电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电时其阻值下降，从而使控制电流上升。流上升。EXITEXITEXIT2 2、温度误差及补偿方法、温度误差及补偿方法（2）热敏电阻补偿）热敏电阻补偿输出回路补偿：输出回路补偿：在负载在负载RL上的霍尔电势随温度上升而下上的霍尔电势随温度上升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。降的量被

29、热敏电阻阻值减小所补偿。实际使用热敏电阻补偿时，热敏电阻最好与霍尔元件封实际使用热敏电阻补偿时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠近，温度变化一致。在一起或靠近，温度变化一致。51u 桥路温度补偿法桥路温度补偿法 如图5-6所示是霍尔电势的桥路温度补偿法，霍尔元件的不等位电势U0用RP来补偿，在霍尔输出极上串联一个温度补偿电挢，电挢的三个臂为锰铜电阻，其中一臂为锰铜电阻并联热敏电阻RX，当温度变化时，由于RX发生变化，使电桥的输出发生变化，从而使整个回路的输出得到补偿。仔细调整电挢的温度系数，可使在40的温度变化范围内，传感器的输出与温度基本无关。 图图5-6 桥路温度补偿电路桥路温度补偿电路

30、52测量电路测量电路 1）霍尔元件的基本测量电路）霍尔元件的基本测量电路 RL通常放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。由于霍尔元件必须在磁场和控制电流的作用下，才会产生霍尔电势，所以可以把乘积 ）I、B、作为输入信号，霍尔元件的输出电势分别正比于I BI B53 2）霍尔元件的连接方式）霍尔元件的连接方式 为了获得较大的霍尔电势输出，除基本测为了获得较大的霍尔电势输出，除基本测量电路外，可采用几片霍尔元件叠加的连量电路外，可采用几片霍尔元件叠加的连接方式，如图所示。接方式，如图所示。 54 （a）为直流供电情况，控制电流端并联，由W1和W2调节两个电位器元件的输出霍尔电势，A、B为输出端，输出电

31、势为单块霍尔元件的2倍。 （b）为交流供电情况，控制电流端串联，各元件输出端接输出变压器的初级绕组，变压器B的次级便有霍尔电势信号的叠加值输出。553）霍尔电势的输出电路）霍尔电势的输出电路 霍尔元件是一种四端器件，输出电势一般在毫伏霍尔元件是一种四端器件，输出电势一般在毫伏量级，实际使用中必须加差分放大器。霍尔元件量级，实际使用中必须加差分放大器。霍尔元件可分为线性测量和开关状态两种使用方式，输出可分为线性测量和开关状态两种使用方式，输出电路有两种结构电路有两种结构 56 图（a）为线性应用，后接比例放大器，图（b）为开关应用，后接射极跟随器。 当用霍尔元件作线性测量时，应选稳定性和线性度好

32、、灵敏度低一点的霍尔元件 。57霍尔式传感器的应用优点: 结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长应用：电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；自动检测系统：多用于位移、压力的测量。上一页下一页返 回EXITEXITEXIT检测磁场是霍尔式传感器检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。最典型的应用之一。霍尔器件做成各种形式的霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的磁感应即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。强度成线性正比的电压。

33、1 1、霍尔元件检测磁场、霍尔元件检测磁场电位差计电位差计mAESNR霍尔磁敏传感器测磁场原理霍尔磁敏传感器测磁场原理四、霍尔传感器的应用四、霍尔传感器的应用EXITEXITEXIT霍尔元件置于磁场中，左半部磁霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下。场方向向上，右半部磁场方向向下。从从a端通人电流端通人电流I，左和右半部产，左和右半部产生霍尔电势生霍尔电势UH1和和UH2，方向相反。因，方向相反。因此，此，c、d两端电势为两端电势为UH1-UH2。若 霍 尔 元 件 在 初 始 位 置 时若 霍 尔 元 件 在 初 始 位 置 时UH1=UH2，则输出为零。，则输出为零。改

34、变磁极系统与霍尔元件的相对改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，可得输出电压，大小正比于位置时，可得输出电压，大小正比于位移量。位移量。2 2、霍尔式位移传感器、霍尔式位移传感器四、霍尔传感器的应用四、霍尔传感器的应用EXITEXITEXIT加上压力后，加上压力后，使磁系统和霍尔元使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，件间产生相对位移，改变作用到霍尔元改变作用到霍尔元件上的磁场，从而件上的磁场，从而改变它的输出电压改变它的输出电压UH。由 事 先 校 准由 事 先 校 准的的Pf(UH)曲线即曲线即可得到被测压力的可得到被测压力的值。值。 3 3、霍尔式压力传感器、霍尔式压力传感器四、霍尔传感器的应

35、用四、霍尔传感器的应用EXITEXITEXIT4 4、霍尔式转速传感器、霍尔式转速传感器四、霍尔传感器的应用四、霍尔传感器的应用622. 磁场的测量磁场的测量在控制电流恒定条件下，霍尔电势大小与磁感应强度成正比，由于霍尔元件的结构特点，它特别适用于微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。cosBIKUHH霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线方向之间夹角的函数。霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线方向之间夹角的函数。应用：应用：霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器上一页返 回63一、磁敏电阻式传感器一、磁敏电阻式传感器（一）磁阻效应 将一

36、载流导体 置于外磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种现象称磁电阻效应，简称磁阻效应。当温度恒定时，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。220(1 0.273)Bu BB磁感应强度u电子迁移率0B零磁场下的电阻率磁感应强度为B时的电阻率第三节 其它类型磁传感器64磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大，因此使用时必须先了解其特性曲线，然后制定温度补偿方案。65（二）形状效应 形状效应系数 磁敏元件的长度 b 磁敏元件的宽度 这种由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻大小变化的现象，叫形状效应。20() 1( /)k uBf l b( / )f l bl66 磁阻元件是利用半导体的磁阻效应和形

37、状效应研制而成。(1)长方形磁阻元件其长度其长度L大于宽度大于宽度b，在两端部制成电极，构成两端器件在两端部制成电极，构成两端器件67(2)科尔宾元件 在园盘形元件得外圆周边和中心处，装上电流电极，将具有这种结构的磁阻元件称为科尔宾元件。68(3)平面电极元件 为了加大磁阻效应就要使电阻变大。从原理上讲，如果把L/b比值小的元件多个串连，就能解决问题，尽管这样的结构较好，但是制作困难，不能实用。以研磨或镀膜的办法制成以研磨或镀膜的办法制成InSb（锑化铟）薄膜，锑化铟）薄膜，尽管真空镀膜阻值会增加，但是生产效率高，价格低廉尽管真空镀膜阻值会增加，但是生产效率高，价格低廉平面电极元件的结构平面电

38、极元件的结构69(4) InSbNiSb共晶磁阻元件 在InSb的晶体中掺杂NiSb，在结晶过程中会析出沿着一定方向排列得细长的NiSb针状晶体。针状晶体导电性能良好，其直径为1m，长度为100m，相当于几何形状效应。它是几何形状长宽比L/b0.2的扁条状磁阻元件的串连元件。70未掺杂的InSbNiSb磁阻元件叫D型，掺杂的InSbNiSb磁阻元件叫L、N型掺杂磁阻元件灵敏度下降，但从温度关系曲线上将会发现，其温度特性得到了改善。三种元件的磁阻效应特性三种元件的磁阻效应特性71（5）曲折形磁阻元件（a）所示的单个曲折形结构（b）是用两个曲折元件组成一个差动式元件，其优点是可将磁阻元件阻值在无磁

39、场情况做到数百欧甚至数千欧。72（6）磁阻元件的温度补偿图中RM为磁阻元件，r1、r2为温度补偿元件。温度特性曲线温度特性曲线差动式元件温度补偿法差动式元件温度补偿法73磁阻元件的应用使用InSb作为感磁材料的半导体磁阻元件半导体磁阻元件通常是利用平面电极等把许多小的半导体磁阻元件通常是利用平面电极等把许多小的InSb矩形体单元串连在一起构成的。矩形体单元串连在一起构成的。采用这种结构的目的是为了提高灵敏度采用这种结构的目的是为了提高灵敏度,一般用永久磁铁施加磁偏提高其灵敏度。一般用永久磁铁施加磁偏提高其灵敏度。74用磁敏电阻读磁卡75二、磁敏二极管和磁敏三极管 特点：磁灵敏度高、能识别磁场极

40、性、体积小、电路简单。76磁敏二极管的结构与工作原理磁敏二极管的结构与工作原理1.结构与原理结构与原理 电路符号电路符号: 结构结构:中间为中间为I区区(高纯度锗高纯度锗) P区区 N区区 r区区(高复合区高复合区,可复合空穴和电子可复合空穴和电子) _77原理:设无外加磁场:很少空穴和电子复合,有稳定电流 外加正磁场 ,载流子都受到洛仑兹力 运动偏向r区,电流减小外加反向磁场,仍受洛仑兹力,在I区载流子数量增多,电流增大78结论: 载流子的偏移与洛仑兹力有关,洛仑兹力与电场和磁场的乘积成正比.随着磁场大小方向的变化,可以产生输出正负电压的变化. (若磁敏二极管反向偏置,仅有微弱电流.)79

41、注意：1）r和r区之外的复合能力之差越大，磁敏二极管灵敏度就越大2）磁敏二极管反向偏置时，流过的电流很小，几乎与磁场无关，二极管两端电压不会受到磁场作用而有任何变化。3）由于采用注入载流子的复合效应，它的噪声很大，频率特性差，一般限制在10KHz802.磁敏二极管的重要特性 伏安特性: a.给定磁场下，锗磁敏二极管两端正向偏压和通过它的电流关系曲线81磁电特性82 温度特性833.温度补偿及提高灵敏度的措施 互补式电路温度特性曲线84差分式电路差分式电路85全桥式电路全桥式电路要求要求:灵敏度高灵敏度高 用交流电源或脉冲电压源用交流电源或脉冲电压源86三.磁敏三极管的工作原理和主要特性1.结构

42、和原理 电路符号: 结构:87磁敏三极管88工作原理:a.无磁场:集电极电流小,基极电流大b.加正向磁场 洛仑兹力,基极电流加大,集电极电流更小c.加反向磁场洛仑兹力,集电极电流加大892.磁敏三极管主要特性 伏安特性90磁电特性 (较弱磁场时,Ic与B是线形关系)91温度特性3ACM 3BCM 磁灵敏度的温度系数为.3CCM磁灵敏度的温度系数为-0.6% 磁敏三极管的温度特性：负向灵敏度受温度影响大，表现为负向灵敏度存在一个无灵敏度的温度点，当温度超过此点时，负向灵敏度变为正向灵敏度。923.温度补偿及提高灵敏度的措施 负温度系数管 用正温度系数普通硅三极管 93正温度系数管(3BCM)94

43、选择特性一致,磁性相反 差分式补偿电路95灵敏度极高灵敏度极高：可达10-15T，比灵敏度较高的光泵式磁敏传感器要高出几个数量级；第三节第三节 SQUIDSQUID磁敏传感器磁敏传感器SQUID（超导量子干涉器）磁敏传感器是一种新型的灵敏度极高的磁敏传感器，是以约瑟夫逊（Jose Phson）效应为理论基础，用超导材料制成的，在超导状态下检测外磁场变化的一种新型磁测装置。特点特点频带宽：频带宽：响应频率可从零响应到几kHz。测量范围宽测量范围宽：可从零场测量到几kT；96n深部地球物理深部地球物理：用带有SQUID磁敏传感器的大地电磁测深仪进行大地电磁测深，效果甚好。n在古地磁考古古地磁考古、

44、测井测井、重力勘探重力勘探及预报天然地震预报天然地震中， SQUID也具有重要作用。n在生物医学生物医学方面，应用SQUID磁测仪器可测量心磁图、脑磁图等，从而出现了神经磁学、脑磁学等新兴学科，为医学研究开辟了新的领域。n在固体物理固体物理、生物物理生物物理、宇宙空间宇宙空间的研究中，SQUID可用来测量极微弱的磁场，如美国国家航空宇航局用SQUID磁测仪器测量了阿波罗飞行器带回的月球样品的磁矩。nSQUID技术还可用作电流计，电压标准，计算机中存储器，通讯电缆等；在超导电机、超导输电、超导磁流体发电、超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车等方面，均得到广泛应用。 应用领域应用领域97超导电性：在某一温

45、度TC以下电阻值突然消失的现象。（a）T/K0T/K 00K0TC（b）电阻随温度变化曲线a、正常导体；b、超导体1 1、SQUIDSQUID磁敏传感器的基本原理磁敏传感器的基本原理超导体：具有超导电性的物体。临界温度(TC)：超导体从具有一定电阻值的正常态转变为电阻值突然为零时所对应的温度,其值一般从3.4K至18K超导体特性：理想导电性理想导电性；完全逆磁性完全逆磁性；磁通量子化磁通量子化。98 该图是两块超导体中间隔着一厚度仅1030的绝缘介质层而形成的 “超导体绝缘层超导体”的结构，通常称这种结构为超导隧道结，也称约瑟夫逊结。中间的薄层区域称为结区。这种超导隧道结具有特殊而有用的性质。

46、 超导电子能通过绝缘介质层，表现为电流能够无阻挡地流过，表明夹在两超导体之间的绝缘层很薄且具有超导性。约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象，称为超导隧道结的约瑟夫逊效应超导隧道结的约瑟夫逊效应，也称直流约瑟夫逊效应直流约瑟夫逊效应。超导结在直流电压作用下可产生交变电流超导结在直流电压作用下可产生交变电流，从而辐射和吸收电磁波。这种特性称为交流约瑟夫逊效应交流约瑟夫逊效应。 绝缘层 超导体超导体超导结示意图2、约瑟夫逊效应99 约瑟夫逊的直流效应受着磁场的影响。而临界电流IC对磁场亦很敏感，即随着磁场的加大临界电流IC逐渐变小，如图所示。 超导结的Ic-H曲线01234562010H=0Ic3、

47、ICH 特性根据量子力学理论，超导结允许通过的最大超导电流Imax与的关系式沿介质层及其两侧超导体边缘透入超导结的磁通量；0磁通量子；临界电流的起伏周期是磁通量子临界电流的起伏周期是磁通量子0IC(0)没有外磁场作用时，超导结的临界电流。00sin)0()(CCIIIC是的周期函数100超导结临界电流随外加磁场而周期起伏变化的原理,完全可用于测量磁场中。例如,若在超导结的两端接上电源,电压表无显示时,电流表所显示的电流是为超导电流;电压表开始有电压显示时,则电流表所显示的电流为临界电流IC,此时,加入外磁场后,临界电流将有周期性的起伏,且其极大值逐渐衰减,振荡的次数n乘以磁通量子0,可得到透入超导结的磁通量=n0。而磁通量和磁场H成正比关系,如果能求出,磁场H即可求出。同理,若外磁场H有变化,则磁通量亦随变化,在此变化过程中,临界电流的振荡次数n乘以0即得到磁通量的大小,亦反映了外磁场变化的大小。因而,可利用超导技术测定外磁场的大小及其变化。 临界电流临界电流随外磁场周期起伏变化，这是由于在一定磁场随外磁场周期起伏变化，这是由于在一定磁场作用下，超导结各点的超导电流具有确定的相位。相位作用下，超导结各点的超导电流具有确定的相位。相位相反的电流互相抵消；相位相