第8章1磁敏传感器101026

1、 主要内容：主要内容： 8.1 8.1 霍尔式传感器霍尔式传感器 8.2 8.2 磁敏传感器磁敏传感器 磁敏传感器机械能机械能电电 量量磁电传感器磁电传感器 电感式传感器是把被测电感式传感器是把被测量转换成电感量的变化，量转换成电感量的变化， 磁敏传感器通过检测磁场磁敏传感器通过检测磁场的变化测量被测量。的变化测量被测量。deNd t0eBlN 电压灵敏度电压灵敏度： 0/USVc ms由由 磁敏传感器灵敏度：磁敏传感器灵敏度：0eN Blvsv 0SN Bl 0/IISAc msv电流灵敏度电流灵敏度: : 根据以上原理有两种磁电感应式传感器：根据以上原理有两种磁电感应式传感器： 恒磁通式：

2、磁路系统恒定磁场，运动部件恒磁通式：磁路系统恒定磁场，运动部件 可以是线圈也可以是磁铁。可以是线圈也可以是磁铁。 变磁通式：线圈、磁铁静止不动，变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 转动物体引起磁阻、磁通变化。转动物体引起磁阻、磁通变化。 恒磁通式恒磁通式变磁通式变磁通式（a）开磁路 （b）闭磁路变磁通式变磁通式开磁路闭磁路动钢型动钢型动圈型动圈型恒磁通式恒磁通式磁电感应式传感器磁电感应式传感器通常用来做机械振动通常用来做机械振动测量。振动传感器结测量。振动传感器结构大体分两种：构大体分两种： 动钢型（线圈与动钢型（线圈与壳体固定）壳体固定） 动圈型（永久磁动圈型（永久磁铁与壳固定）铁与壳固定）（线

3、圈随被测物体运动）线圈随被测物体运动）1-1-弹簧片弹簧片 2-2-阻尼环阻尼环 3-3-磁铁磁铁 4-4-铝支架铝支架 5-5-芯轴芯轴 6-6-线圈线圈v 动圈式振动速度传感器动圈式振动速度传感器输出不从零开始，从输出不从零开始，从 VaVa 开始开始 V V VaVa 必需克服静摩擦力必需克服静摩擦力, , 才能相对运动；才能相对运动； V VcV Vc 惯性太大超过范围惯性太大超过范围 振动传感器输出特性振动传感器输出特性esv 磁铁与线圈之间相对运动，运动速度接近振动速度，磁铁与线圈之间相对运动，运动速度接近振动速度， 磁路气隙中的线圈切割磁力线，产生于正比振动速度磁路气隙中的线圈切

4、割磁力线，产生于正比振动速度 的感应电动势的感应电动势 ： ev电动势正比与振动速度电动势正比与振动速度0eB l N n 信号输出送测量电路信号输出送测量电路 直接输出电动势测量速度；直接输出电动势测量速度； 接入积分电路测量位移；接入积分电路测量位移； 接入微分电路测量加速度。接入微分电路测量加速度。 esvxvtdvadtv 积分电路输出测量位移积分电路输出测量位移 01( )iutu d tR C If CIf CIi RIi RUiUiU U0 0- - + +xvt 0iutu dtxesviuev0UU/ifiIIuR理想情况理想情况设电容设电容C C上初始电压为零，上初始电压为

5、零，U U（0 0）=0=0则有：则有：因为因为001( )(0)tutuidtC电容上电压在电容上电压在t=0t=0以后以后v 微分电路输出测量加速度微分电路输出测量加速度 0( )iffduuti RRCdt I If f Rf RfIcIc C CUiUiU U0 0- - + +0UUcfII理想情况理想情况icduicdt因为因为esvdvadtiuev 0idudvautdtdtv 磁敏扭距传感器：磁敏扭距传感器： 当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压电压u u1 1、u u2 2存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比，存在

6、相位差，相差与扭距的扭转角成正比，传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。转轴测量电路测量电路磁电传感器磁电传感器1 1磁电传感器磁电传感器2 2齿型转盘齿型转盘u u1 1u u2 2u u 磁敏振动传感器的特点：磁敏振动传感器的特点： 磁敏振动传感器是惯性式传感器，不需要静止的基准磁敏振动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。参考，可直接装在被测体上。 传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机 械能转化为电能输出。械能转化为电能输出。 速度传感器的

7、输出电压正比于速度信号，便于直接放大。速度传感器的输出电压正比于速度信号，便于直接放大。 输出阻抗低几十几千欧，对后置电路要求低，干扰小。输出阻抗低几十几千欧，对后置电路要求低，干扰小。 v航空，发动机等设备的振动实验；航空，发动机等设备的振动实验； v兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射；兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射； v民用，机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。民用，机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。uv Hall effect multiplier 实际应用中实际应用中磁敏元件主要用磁敏元件主要用于检测磁场，而于检测磁场，而与人们相关的磁与人们相关的

8、磁场范围很宽，一场范围很宽，一般的磁敏传感器般的磁敏传感器检测的最低磁场检测的最低磁场只能到只能到 10-6 10-6 高斯。高斯。610 磁场强度与磁场源的分布磁场强度与磁场源的分布测磁的方法：测磁的方法： 利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如：利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如： 磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器；磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器； 利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件测量磁场；利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件测量磁场； 利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器；利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器； 利用超导效应传感器，利用超导效应传感器，SQVID

9、 SQVID 约瑟夫元件；约瑟夫元件； 利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。 随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化， 微型化和集成化方向发展。微型化和集成化方向发展。磁敏传感器磁学量磁学量电信号电信号把一个导体（半导体薄片）两端通以电把一个导体（半导体薄片）两端通以电流流I I，在垂直方向施加磁感强度，在垂直方向施加磁感强度B B的磁场，的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I I和磁场强度和磁场强度B B的乘积成比例的电动势的乘积成比例的电动势 。 或通电的

10、导体（半导体）放在磁场中，或通电的导体（半导体）放在磁场中，电流电流I I与磁场与磁场B B方向垂直，在导体另外两侧方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。 HU18781878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传感器是基于霍尔效应感器是基于霍尔效应在磁场作用下导

11、体中的自由电子做定向运动。在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。 每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧： LFe BHHUEb霍尔电场霍尔电场HHFeE霍尔电场作用于电子的力霍尔电场作用于电子的力当两作用力相等时电荷不再当两作用力相等时电荷不再 向两边积累达到动态平衡：向两边积累达到动态平衡：HLFFHeEe BIne bd 通过（半）导体薄片的电流通过（半）导体薄片的电流I与下列因素有关：与下列因素有关： 载流子浓度载流子浓度n，电子运动速度，电子运动速度v，导体薄片横截面积，导体薄片横截面积 b*d， e 为电子电荷量。为电子电荷量。HUBb

12、霍尔电势：霍尔电势：HHUEb代入后：代入后：HHHIBIBUBbRKIBnedd 1HRne HHRKd与薄片尺寸有关与薄片尺寸有关与材料有关与材料有关霍尔灵敏霍尔灵敏度度霍尔常数霍尔常数式中：式中：电阻率、电阻率、n n电子浓度电子浓度 电子迁移率电子迁移率=/E =/E 单位电场强度作用下载流子运动速度。单位电场强度作用下载流子运动速度。霍尔电势与电霍尔电势与电流和磁场强度流和磁场强度的乘积成正比的乘积成正比讨论：讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可 以制造霍尔元件以制造霍尔元件; ; 绝缘材料电阻率绝缘材料电阻率很大，

13、电子迁移率很大，电子迁移率很小，不适用；很小，不适用； 金属材料电子浓度金属材料电子浓度n n很高，很高，R RHH很小，很小，U UH H很小很小; ; 半导体材料电阻率半导体材料电阻率较大较大 R RH H大，非常适于做霍尔元件，大，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 元件多采用元件多采用 N N 型半导体（多电子）型半导体（多电子）; ; 由上式可见，厚度由上式可见，厚度d d越小，霍尔灵敏度越小，霍尔灵敏度 K KH H 越大，越大， 所以霍尔元件做的较薄，通常近似所以霍尔元件做的较薄，通常近似1 1微

14、米微米(d1(d1m)m) 。HHRKd1HRne HHUKIB 霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线，霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线， 两端加激励，两端为输出，两端加激励，两端为输出，RLRL为负载电阻为负载电阻 ； 电源电源E E通过通过R R控制激励电流控制激励电流I I； B B 磁场与元件面垂直（向里）磁场与元件面垂直（向里） 实测中可把实测中可把I I* *B B作输入，作输入， 也可把也可把I I或或B B单独做输入；单独做输入； 通过霍尔电势输出测量结果。通过霍尔电势输出测量结果。 输出输出UoUo与与I I或或B B成正比关系，或与成正比关系，或与I I* *B B成正比关

15、系。成正比关系。(1)(1)不等位电势不等位电势 当霍尔元件通以激励电流当霍尔元件通以激励电流I I时，若磁场时，若磁场B=0B=0，理论上霍尔电势理论上霍尔电势U UH H=0,=0,但实际但实际U UH H00，这时测得的，这时测得的空载电势称不等位电势空载电势称不等位电势 U U0 0 。 产生的原因：产生的原因：霍尔引出电极安装不对称不在霍尔引出电极安装不对称不在同一等位面上，或激励电极接同一等位面上，或激励电极接触不良。触不良。半导体材料不均匀，几何尺半导体材料不均匀，几何尺寸不均匀，造成电阻率不均寸不均匀，造成电阻率不均匀。匀。HHUKIB(1)(1)不等位电势不等位电势 不等位电

16、势的补偿：不等位电势的补偿： 不等位电势可表示为不等位电势可表示为 U U0 0 = r= r0 0 I IH H r r0 0不等位电阻不等位电阻 分析不等位电势时可分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一把霍尔元件等效为一个电桥，不等位电压个电桥，不等位电压相当于桥路初始有不相当于桥路初始有不平衡输出平衡输出U U0 000，可在可在电阻大的桥臂上并联电阻大的桥臂上并联电阻。电阻。(2)(2)温度误差及补偿温度误差及补偿霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温度当温度T T变化时，载流子浓度变化时，载流子浓度n n、迁移率、迁移率、电阻率

17、、电阻率，霍尔系数霍尔系数 R RH H 都会变化。以下是几种补偿方法：都会变化。以下是几种补偿方法： 恒流源补偿：恒流源补偿： 由由 U UH H = K= KH H I BI B 可见恒流源可见恒流源I I供电可使供电可使U UHH稳定，稳定， 但灵敏度系数但灵敏度系数 K KH H = R= RHH/d = /d/d = /d 也是温度的函数：也是温度的函数： T T ，温度温度T T变化时灵敏度变化时灵敏度K KH H也变化。也变化。 多数霍尔器件是正温度系数，多数霍尔器件是正温度系数，T KT KH H ，可通过减小可通过减小I I保持保持 K KH H * * I I 不变，抵消温

18、度造成不变，抵消温度造成K KH H增加的影响。增加的影响。0001()1H tHHKKttKT(2)(2)温度误差及补偿温度误差及补偿u具体补偿方法具体补偿方法: :在霍尔元件上并联一电阻在霍尔元件上并联一电阻 RpRp 分流，分流，I IH HU UH H R RiNiN当当T TI IP PU UH HRpRp 自动加强分流，使自动加强分流，使IpIp 增大，增大， I IH H 下降，下降，U UH H下降；下降； 补偿电阻补偿电阻 RpRp 可选择负温度系数可选择负温度系数. .I IH HR RP PT TI IP PU UH H(1)(1)位移测量位移测量 (2)(2)测转速测转

19、速 (3)(3)计数装置计数装置( (导磁产品导磁产品) )检缺口检缺口 检齿检齿磁磁 场场 测测 量量霍尔元件符号霍尔元件符号 霍尔传感器位移测量原理霍尔传感器位移测量原理 霍尔压力传感器结构原理霍尔压力传感器结构原理 线性线性霍尔集成电路霍尔集成电路( (测位移、测振动测位移、测振动) ) 输出电压在一定范围与磁感应强度输出电压在一定范围与磁感应强度B B成线性关系成线性关系 四端输出四端输出 开关型开关型集成器件集成器件( (测转速、开关控制、判断测转速、开关控制、判断N SN S极性极性) ) 输出两种状态输出两种状态H H、L L，高低电平转换的磁场强度，高低电平转换的磁场强度B B

20、不同不同 BB、BB形成切换回差形成切换回差, ,这是位置式作用传感器的特点这是位置式作用传感器的特点, , 作无触点开关时可防止干扰引起的误动作作无触点开关时可防止干扰引起的误动作 。 分为常开、常闭型两种分为常开、常闭型两种形成切换回形成切换回差差 霍尔开关元件性能演示霍尔开关元件性能演示动画动画集成霍尔元件集成霍尔元件集成霍尔元件集成霍尔元件 接口电路接口电路应用应用 ：无触点开关：无触点开关应用应用 ：交直流钳形数字电流表：交直流钳形数字电流表环形磁集束器作用是将载流导环形磁集束器作用是将载流导体中被测电流产生的磁场集中到霍体中被测电流产生的磁场集中到霍尔元件，以提高灵敏度。尔元件，以

21、提高灵敏度。 霍尔元件灵敏度霍尔元件灵敏度 控制电流控制电流c 霍尔元件的磁感应强度与导线电霍尔元件的磁感应强度与导线电流流 I x 成正比，成正比， B Ix ，由测量电，由测量电路求出霍尔输出电势：路求出霍尔输出电势： H = KHc B = KHc KB Ix KB为比例系数为比例系数, KHc KB 一定一定霍尔元件霍尔元件磁集束器磁集束器导线电流导线电流 Ix钳口钳口应用应用 ：应应用用 ：应用应用 ：天然气点火电路（无触点开关）：天然气点火电路（无触点开关）高压高压 线圈线圈应用应用 ：霍尔计数装置：霍尔计数装置NS霍尔元件霍尔元件钢珠钢珠绝缘传送带绝缘传送带磁钢磁钢信号输出信号输

22、出n 磁敏元件也是基于磁电转换原理磁敏元件也是基于磁电转换原理,60,60年代西门子公司年代西门子公司研制了第一个磁敏元件研制了第一个磁敏元件,68,68年索尼公司研制成磁敏二极管年索尼公司研制成磁敏二极管, ,目前磁敏元件应用广泛。目前磁敏元件应用广泛。磁 敏 元 件磁敏传感器主要有：磁敏传感器主要有： 磁敏电阻；磁敏电阻； 磁敏二极管；磁敏二极管； 磁敏三极管；磁敏三极管； 霍尔式磁敏传感器。霍尔式磁敏传感器。 磁阻效应：磁阻效应：220(10.273)BB由于霍尔电场作用会抵消洛伦兹力由于霍尔电场作用会抵消洛伦兹力, ,磁阻效应被大大减弱磁阻效应被大大减弱, , 但仍然存在。磁阻元件的电

23、阻率与形状有关：但仍然存在。磁阻元件的电阻率与形状有关：长方形样品长方形样品 扁条状长形扁条状长形 圆盘样品圆盘样品 电阻变化很小电阻变化很小 磁阻变化明显磁阻变化明显 不产生霍尔电场不产生霍尔电场HHUEbHHUEbv 磁敏电阻磁敏电阻与与霍尔元件霍尔元件属同一类属同一类, ,都是磁电转换元件都是磁电转换元件, ,本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力, ,只有与辅助材只有与辅助材料料( (磁铁磁铁) )并用才具有识别磁极的能力并用才具有识别磁极的能力. .磁敏电阻的输出特性磁敏电阻的输出特性例：例：磁阻图形识别传感器磁阻图形识别传感器BS05A1HFAAB

24、S05A1HFAA检测电路，检测电路，工作电压工作电压5V5V，输出，输出0.30.30.8v0.8v，被测物体，被测物体3mm3mm，可测，可测磁性齿轮，磁性墨水，磁性条形码，磁带，识别有磁性齿轮，磁性墨水，磁性条形码，磁带，识别有机磁性（自动售货机）。机磁性（自动售货机）。 磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用 无偏置磁场时无偏置磁场时, ,检测磁检测磁场不能判别磁性；输出弱场不能判别磁性；输出弱磁场时磁阻与磁场关系：磁场时磁阻与磁场关系： R = RR = R0 0（1+MB21+MB2） R R0 0 零磁场内阻，零磁场内阻，M M 零磁场系数；零磁场系数； 外加偏置磁场时，相当外加偏置磁场时

25、，相当在检测磁场外加了偏置磁在检测磁场外加了偏置磁场，工作点移到线性区，场，工作点移到线性区，磁极性也作为电阻值变化磁极性也作为电阻值变化表现出来，这时电阻值的表现出来，这时电阻值的变化为变化为 R = RR = RB B（1+MB1+MB） R RB B 加偏置磁场电阻加偏置磁场电阻偏置磁铁偏置磁铁R RM M（1 1）磁敏二极管）磁敏二极管（锗管锗管2ACM,硅管硅管2DCM） 特点：长特点：长“基区基区” ” PIPI为掺杂区，本征区为掺杂区，本征区I I长度较长构成高阻半导体；长度较长构成高阻半导体； 工作过程：磁敏二极管在长工作过程：磁敏二极管在长“基区基区”的一侧面设置了复合区的一

26、侧面设置了复合区r r，r r面是个面是个 粗糙面截流子复合速度非常高，粗糙面截流子复合速度非常高，r r区对面是复合率很小的光滑面。区对面是复合率很小的光滑面。 外加正向电压时，同时注入外加正向电压时，同时注入I I区。区。 v无磁场无磁场 B=0 B=0 时，大部分时，大部分P P区空穴区空穴N N电子形成电流；电子形成电流； v加正向磁场加正向磁场 B B，由于洛仑磁力作用，空穴电子偏向，由于洛仑磁力作用，空穴电子偏向r r区，并在区，并在r r区很快区很快 复合复合 ，I I区载流子减小区载流子减小 ，电流减小，电流减小 ，压降增加，压降增加 ； v加反向磁场加反向磁场 B B，空穴电

27、子偏向，空穴电子偏向r r区对面，复合减少区对面，复合减少 ，I I区载流子增加区载流子增加 ， 电阻减小电阻减小 电流增加电流增加 ，压降减小，压降减小 。（1 1）磁敏二极管）磁敏二极管（锗管锗管2ACM,硅管硅管2DCM）在正向磁场在正向磁场 作用下电阻大作用下电阻大 ，电流小，电流小 在负向磁场在负向磁场 作用下电阻小作用下电阻小 ，电流大，电流大 在磁场作用下，磁敏二极管灵敏度大大提高。在磁场作用下，磁敏二极管灵敏度大大提高。 输出电压与外加磁场的关系叫磁敏二极管的磁输出电压与外加磁场的关系叫磁敏二极管的磁电特性，电特性， 具有正反磁灵敏度，这是磁阻元件欠缺的。但正向磁灵敏度具有正反磁灵敏度，这是磁阻元件欠缺的。但正向磁灵敏度 大于反向磁灵敏度，需互补使用，对臂相同、临臂相反。大于反向磁灵敏度，需互补使用，对臂相同、临臂相反。