传感器 第7章

1、第7章磁电式传感器 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 7.3磁栅式传感器磁栅式传感器 7.4磁敏传感器磁敏传感器 思考题与习题思考题与习题 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磁电感应式传感器简称感应式传感器，利用电磁感应原理将运动速度转换成感应电势输出。这种传感器也属于“双向传感器”，反向使用时可构成力(力矩)发生器或电磁激振器等，所以也称为电动式传感器。磁电感应式传感器的测量电路简单，性能稳定，输出阻抗小，具有一定的频率响应范围(101000 Hz)。根据电磁感应原理，该传感器只适用于动态测量，广泛用来测量振动

2、、转速、扭矩等。第7章磁电式传感器 7.1.1工作原理及结构类型工作原理及结构类型根据法拉第电磁感应定律可知，当匝数为N的线圈在磁场中运动而切割磁力线，或者通过闭合线圈的磁通j发生变化时，线圈中将产生感应电势e，即1. 恒磁通式恒磁通式恒磁通式的结构如图7.1所示，由永久磁铁、线圈、弹簧和骨架等组成。 (7.1) tNedd第7章磁电式传感器 图7.1恒磁通式磁电感应传感器的结构第7章磁电式传感器 动圈式和动磁式的工作原理完全相同。当传感器随被振动体一起振动时，运动部件的质量相对较大，惯性很大，来不及随振动体一起振动。当振动频率远高于传感器固有频率时，由于弹簧较软，振动能量几乎都被弹簧吸收，线

3、圈与永久磁铁之间的相对运动速度接近于振动体的振动速度。设工作气隙中的磁感应强度为B，每匝线圈的平均长度为l，线圈处于工作气隙磁场中的匝数为N(工作匝数)，线圈和永久磁铁之间的相对运动速度为v，则线圈中产生的感应电势e为e=NBlv (7.2)第7章磁电式传感器 传感器的结构尺寸确定后，式(7.2)中的B、l及N均为常数，感应电势e正比于线圈与磁场的相对运动速度v，由此可用来测量直线速度，其灵敏度为2. 变磁通式变磁通式变磁通式的线圈和永久磁铁都是静止的，感应电势由变化的磁通产生，如图7.2所示。 (7.3) NBlveS第7章磁电式传感器 图7.2变磁通式磁电感应传感器的结构第7章磁电式传感器

4、 图7.2(a)是一种开磁路变磁通式转速传感器，齿轮安装在被测旋转轴上并与其一起转动。齿轮旋转时，它与软磁铁的间隙随之变化，从而导致气隙磁阻和穿过气隙的磁通发生变化，结果在线圈中产生感应电势。感应电势的频率f取决于齿轮的齿数z和转速n(单位为r/min)，其关系为(7.4) zfn60第7章磁电式传感器 7.1.2动态特性动态特性图7.3所示为动圈式磁电感应速度传感器的示意图。测量时，将传感器的壳体与被测物体以足够大的刚度联接在一起。传感器输入量为速度v，输出量为感应电势e。设负载呈现电阻特性，且RL远大于线圈阻抗；运动线圈的固有角频率为n，质量为m；电磁阻尼系数为c，则传递函数为(7.5)

5、m R(NBl)c-NBlveHj/)(1)j (L22n第7章磁电式传感器 图7.3动圈式磁电感应速度传感器第7章磁电式传感器 7.1.3误差及其补偿误差及其补偿传感器在使用时需要外接测量电路，若测量电路的内阻为RL，传感器线圈等效电阻为R，则输出电流i=e/(R+RL)，由式(7.2)得传感器的电流灵敏度Si为当传感器的工作环境温度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动与冲击时，都将引起R、B、l发生变化，从而使电流灵敏度发生变化，由此产生的相对误差为(7.6) LiRRNBlviSllBBRRRSSLii(7.7) 第7章磁电式传感器 1. 永久磁铁稳定性分析永久磁铁稳定性分析永久磁铁磁感

6、应强度的稳定性直接影响工作气隙中磁感应强度B的稳定性。下面分析影响永久磁铁磁性能的因素和相应的处理措施。(1) 时间因素的影响：试验表明，永久磁铁的磁性能一般随时间而变化。其主要原因是永久磁铁材料在淬火和铸造后存在内应力，但随着时间的推移，内应力逐渐消失。一般应在充磁前进行退火处理，消除内应力。(2) 外界磁场的影响：永久磁铁受到外界交流磁场或反向直流磁场作用时，使工作点不稳定，从而使B发生变化。为此，除采取屏蔽措施外，还应进行交流稳磁处理。第7章磁电式传感器 (3) 温度的影响：温度升高，永久磁铁的剩余磁感应强度减小，且一般不能恢复到原位置，恢复程度主要与材料冶金结构的稳定性有关。铝镍钴永磁

7、合金在冶金结构上有较高的温度稳定性，在500以下工作时，磁性能几乎不变。永久磁铁的温度稳定性与工作点的位置也有明显关系，工作点选择在最大磁能积附近时，剩余磁感应强度的温度系数较小，且一般为负值。为提高温度稳定性，一般要进行35次温度稳定性循环处理。(4) 振动与冲击的影响：永久磁铁受到机械振动或冲击作用后，内应力增加，部分磁分子排列发生变化，导致磁性能变坏。于是，将充磁后的永久磁铁按一定技术要求，先经受约千次的振动和冲击试验，振动和冲击值取实际工作中可能遇到的最大值。第7章磁电式传感器 2. 温度误差分析温度误差分析温度变化不仅使磁感应强度B发生变化，还将使线圈导线的长度l和电阻R发生改变，B

8、、l、R三项随温度变化的方向也不相同，B随温度的增加而减小，l与R随温度的增加而增加。由于铜导线具有很大的电阻温度系数，电阻R随温度的改变对传感器灵敏度的影响最大。当时，则要考虑温度对B和l的影响。RR i第7章磁电式传感器 3. 非线性误差分析非线性误差分析磁电感应式传感器产生非线性的主要原因是线圈的磁场效应，即工作线圈中感应电流产生的交变磁场对工作磁场的影响。线圈相对于永久磁铁的运动速度v越大，产生的感应电势和感应电流越大，对工作磁场的影响也越大，使传感器灵敏度的变化也越大。传感器灵敏度随着v的大小和方向而改变，灵敏度越高，线圈中感应电流越大，非线性越严重。为了减小这种附加磁场的干扰，可在

9、传感器中加入补偿线圈，如图7.5所示。 第7章磁电式传感器 图7.5非线性误差的补偿第7章磁电式传感器 7.1.4信号调理电路信号调理电路磁电感应式传感器输出为感应电势，且具有较高的灵敏度，因而对测量电路一般无特殊要求。但磁电感应式传感器是速度传感器，即输出感应电势与振动速度(或转速)成正比，若要获取振动位移或振动加速度，应配接适当的积分电路或微分电路。图7.6所示为磁电感应式传感器的测量电路框图。 图7.6磁电感应式传感器测量电路框图第7章磁电式传感器 7.1.5磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器性能稳定，输出阻抗小，且具有一定的频率响应范围(101000 Hz)，

10、广泛用来测量振动速度、转速、扭矩等。1. 磁电式速度传感器磁电式速度传感器图7.7所示为CD-1型振动速度传感器的结构原理图。 第7章磁电式传感器 图7.7CD-1型振动速度传感器第7章磁电式传感器 2. 磁电式扭矩传感器磁电式扭矩传感器图7.8所示为磁电感应式扭矩传感器的结构示意图，转子和线圈固定在传感器轴上，定子(永久磁铁)固定在传感器外壳上，转子、定子上有一一对应的齿和槽。图7.8磁电感应式扭矩传感器第7章磁电式传感器 测量扭矩时，将两个传感器的转轴(包括转子和线圈)分别固定在被测轴的两端，外壳固定不动。安装时，一个传感器的定子齿与转子齿相对，另一个传感器的定子槽与转子齿相对。当被测轴无

11、外加扭矩时，扭转角为零，此时若转轴以一定的角速度转动，则在两个传感器中产生相位差为180、波形近似为正弦波的两个感应电势。当被测轴感受扭矩时，轴的两端将产生扭转角，在弹性范围内扭转角与扭矩成正比。两个感应电势将因扭转角而产生附加相位差0。设定子(或转子)的齿数为z，则扭转角和两个感应电势附加相位差0的关系为0=z(7.8)第7章磁电式传感器 3. 磁电式流量计磁电式流量计基于磁电感应原理的流量计如图7.9所示。 第7章磁电式传感器 图7.9磁电感应式流量计第7章磁电式传感器 7.2霍尔式传感器霍尔式传感器7.2.1霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件1. 霍尔效应霍尔效应如图7.10所示，将N

12、型或P型半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，在相对两端面a、b通入控制电流I，电流与磁场互相垂直，则半导体另两端面c、d会产生电动势，这种现象称为霍尔效应。所产生的电动势叫做霍尔电势，所用的半导体薄片称为霍尔元件。第7章磁电式传感器 图7.10霍尔效应原理图第7章磁电式传感器 若采用N型半导体薄片，则载流子(电子)将沿着与电流I相反的方向运动。由物理学可知，在磁场中运动的载流子会受到磁场力(洛伦兹力)FL作用，其方向如图7.10所示，大小为FL=qvB (7.9)式中：q电子电荷量(q=1.61019 C)；v电子运动速度。第7章磁电式传感器 由于磁场力FL的作用，载流子的运动轨迹发生偏转，

13、c、d两端分别产生电荷积聚，从而形成了电场。电场对电子的作用力(电场力)FE与磁场力FL的方向相反，当I、B一定，且FE=FL时，电荷的积累便达到动态平衡，c、d端就形成一个稳定的电场，称为霍尔电场。相应的霍尔电势为式中：nN型半导体材料的电子浓度(单位体积中的电子数)；KH霍尔常数，KH=1/nq；SH霍尔元件的灵敏度，SH=KH/=1/nq。BISBIKBInqUHHH11(7.10) 第7章磁电式传感器 2. 霍尔元件霍尔元件霍尔元件的材料有N型锗、锑化铟、砷化铟、砷化镓及磷砷化铟等。锑化铟元件产生的霍尔电势较大，但受温度影响也较大；砷化铟元件及锗元件的霍尔电势相对锑化铟较小，但温度系数

14、小，线性好；砷化镓元件的温度特性好，但价格较贵；磷砷化铟元件的温度特性最好，其霍尔常数受温度影响很小。霍尔元件的构造很简单，由霍尔片、引线和壳体组成，其外形结构如图7.11(a)所示。第7章磁电式传感器 图7.11霍尔元件第7章磁电式传感器 7.2.2信号调理电路信号调理电路1. 基本测量电路基本测量电路图7.12所示为霍尔元件的基本测量电路。 图7.12霍尔元件的基本测量电路第7章磁电式传感器 2. 霍尔集成电路霍尔集成电路霍尔元件输出的霍尔电势一般为毫伏数量级，在实际使用时必须进行放大，并将霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等集成在一块芯片上的构成霍尔集成电路。霍尔集成电路具有可靠性

15、高、寿命长、功耗低及负载能力强等特点，其外形结构与霍尔元件完全不同，引出线形式由电路功能决定，根据内部测量电路和霍尔元件工作条件不同，可分为线性和开关型两种。第7章磁电式传感器 线性霍尔集成电路的特点是输出电压与外加磁感应强度B呈线性关系，广泛应用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电场等的测量与控制。线性霍尔集成电路有单端输出和双端输出(差动输出)两种形式，外形结构有三端T型(如UGN-3501T)和八脚双列直插型(如UGN-3501M)两种，其电路结构如图7.13所示。第7章磁电式传感器 图7.13线性霍尔集成电路的结构框图第7章磁电式传感器 开关型霍尔集成电路的特点是输出电压为高低电平两

16、种状态，可做成无触点、无抖动、高可靠、长寿命的接近开关或按键开关，广泛用于计数装置以及汽车点火等系统中。开关型霍尔集成电路也有单端输出和双端输出两种形式，其电路结构如图7.14所示。 第7章磁电式传感器 图7.14开关型霍尔集成电路的结构框图第7章磁电式传感器 7.2.3误差及其补偿误差及其补偿1. 温度补偿温度补偿霍尔元件是采用半导体材料制成的，许多参数都具有较大的温度系数，如载流子浓度、迁移率、电阻率等都将随温度变化而发生变化，从而使霍尔电势产生温度误差。温度误差可通过外接温度补偿电阻(热电阻或热敏电阻)来进行温度补偿。温度补偿电阻与霍尔元件的连接电路如图7.15所示。 第7章磁电式传感器

17、 图7.15温度补偿电阻与霍尔元件的连接电路第7章磁电式传感器 温度变化会引起霍尔元件输入电阻变化，采用恒压源供电时，控制电流将发生变化而带来误差。为了减小输入电阻随温度变化而引起的误差，常采用恒流源供电，在输入回路并联温度补偿电阻RT，如图7.15(a)所示。设霍尔元件灵敏度SH的温度系数为，输入电阻Ri的温度系数为，温度补偿电阻RT的温度系数为，且当温度为T0时，霍尔元件灵敏度为SH0，输入电阻为Ri0，温度补偿电阻为RT0，由分流原理得霍尔元件的控制电流为0i0TS0T0HRRIRI(7.11) 第7章磁电式传感器 温度升高T后，电路中各电阻值将发生变化，此时霍尔元件的控制电流为为了使霍

18、尔电势在温度升高前后保持不变，即UH0=UH，应满足SH0IH0B=SHIHB=SH0(1+aT)IHB (7.13)将式(7.11)和式(7.12)代入式(7.13)，经整理并略去al(T)2高次项得(7.14) )1 ()1 ()1 (0i0TS0TiTSTHTRTRITRRRIRIll0i0TRRaal(7.12) 第7章磁电式传感器 实际上温度补偿电阻RT也随温度变化而发生变化，为此, 应选用温度系数很小的热电阻(如锰铜电阻)，使式(7.14)中0，由此求得热电阻RT0为(7.15) 0i0TRRaa第7章磁电式传感器 2. 不等位电势补偿不等位电势补偿在额定控制电流作用下，不加外磁场

19、时霍尔电极间的空载霍尔电势称为不等位电势，它主要是由于两个霍尔电极不在同一等位面上所致。另外，霍尔元件几何形状不对称、材料电阻率不均匀、电极与霍尔元件接触不良等，也会产生不等位电势。由于不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，要消除其影响非常困难，所以必须采取补偿措施。分析不等位电势时，可把霍尔元件等效为一个电桥，不等位电势相当于电桥的不平衡输出，因此能使电桥达到平衡的方法都可用来补偿不等位电势。图7.16给出了几种补偿电路。第7章磁电式传感器 图7.16不等位电势的补偿电路第7章磁电式传感器 7.2.4霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用霍尔式传感器广泛应用于工业测量、自动控制等领域，有三种应

20、用方式：(1) 当控制电流不变时，传感器输出正比于磁感应强度。因此，凡能转换成磁感应强度变化的物理量均可测量，如位移、加速度、角度和转速等，也可直接测量磁场。(2) 当磁感应强度不变时，传感器输出正比于控制电流，可用来测量电流以及可转换为按电流变化的物理量。(3) 当控制电流与磁感应强度都为变量时，传感器输出与两者乘积成正比，可用来测量能转换为乘法运算的物理量，如功率等。第7章磁电式传感器 1. 霍尔式位移传感器霍尔式位移传感器图7.17(a)所示为霍尔式位移传感器的结构原理图。在两块极性相反、磁场强度相同的永久磁铁中放置一块霍尔元件，当控制电流恒定不变时，磁感应强度B在一定范围内沿x方向的变

21、化率(梯度)为一常数，其特性曲线如图7.17(b)所示。当霍尔元件在两块永久磁铁的中间位置时(x=0)，磁感应强度B=0，霍尔电势UH=0。当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电势UH0，在一定范围内霍尔电势UH与位移量x成正比，即UH=SHBI=Sx (7.16)式中：S霍尔式位移传感器的灵敏度。第7章磁电式传感器 图7.17霍尔式位移传感器第7章磁电式传感器 2. 霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器图7.18所示为霍尔压力传感器的结构原理图。 图7.18霍尔式压力传感器第7章磁电式传感器 3. 霍尔式加速度传感器霍尔式加速度传感器图7.19(a)所示为霍尔式加速度传感器的结构原理图。永久磁铁固定在

22、与被测对象刚性连接的壳体上，当被测对象在垂直方向上加速运动时，质量块在惯性力的作用下使霍尔元件产生相对位移，从而引起霍尔电势变化，其特性曲线如图7.19(b)所示。 第7章磁电式传感器 图7.19霍尔式加速度传感器第7章磁电式传感器 4. 霍尔式振动传感器霍尔式振动传感器图7.20所示为霍尔式振动传感器的结构原理图。 图7.20霍尔式振动传感器第7章磁电式传感器 5. 霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器图7.21所示为霍尔式转速传感器的结构原理图。 图7.21霍尔式转速传感器 第7章磁电式传感器 6. 霍尔式电流传感器霍尔式电流传感器图7.22所示为霍尔式电流传感器的结构原理图，测量装置不用串联

23、到被测回路中。 图7.22霍尔式电流传感器 第7章磁电式传感器 7. 霍尔式磁场传感器霍尔式磁场传感器霍尔元件的最早应用就是磁场测量。用霍尔元件测量磁场时，测头结构简单、体积小，能检测狭小缝隙磁场及其分布，且频率范围宽，测磁范围大，分辨率可达1011 T。例例7.1某霍尔压力计弹簧管最大位移为1.5 mm，控制电流为10 mA，要求输出电势为20 mV，选用HZ-3霍尔元件，其灵敏度为1.2 mV/(mAT)，求线性磁场的最小梯度。第7章磁电式传感器 解解根据UH=SHBI可得在位移变化x=1.5 mm时，要求磁场变化B=1.67 T，所以磁场梯度KB至少为67. 1102 . 120HHIS

24、UB)T( 11. 15 . 167. 1BxBKmm)/(T 第7章磁电式传感器 7.3磁栅式传感器磁栅式传感器磁栅式传感器主要由磁栅和磁头组成。磁栅是利用磁带录音的原理，将周期变化的电信号(正弦波或矩形波)转换成磁信号，磁头再把磁栅上的磁信号读出来，即可把磁头与磁栅之间的相对位置或相对运动速度转换成电信号。7.3.1磁栅与磁头磁栅与磁头磁栅传感器的类型主要取决于磁栅，磁栅可分为长磁栅和圆磁栅两大类。磁栅传感器的工作原理则主要取决于磁头，磁头有动态磁头和静态磁头之分。1. 磁栅磁栅磁栅的基本结构如图7.23所示，基体是用非导磁材料做成的，上面镀一层均匀的磁性薄膜。第7章磁电式传感器 图7.2

25、3磁栅的结构第7章磁电式传感器 磁栅分长磁栅和圆磁栅两大类。前者用于直线位移或速度测量，磁信号节距一般为0.05 mm 或0.02 mm。后者用于角位移或转速测量，磁信号角节距为几分至几十分。长磁栅又分为尺型、同轴型和带型三种。尺型磁栅的外形如图7.24(a)所示，工作时磁头架沿磁尺的基准面运动，不与磁尺接触，主要用于精度要求较高的场合。第7章磁电式传感器 图7.24长磁栅第7章磁电式传感器 圆磁栅如图7.25所示。磁盘圆柱面上的磁信号由磁头读取，磁头与磁盘之间应有微小间隙以免磨损。图7.25圆磁栅第7章磁电式传感器 2. 磁头磁头按读取信号的方式，磁头有动态磁头与静态磁头两种。1) 动态磁头

26、动态磁头为非调制式磁头，又称速度响应式磁头，其结构如图7.26(a)所示。它只有一组线圈，铁芯由铁镍合金片叠成，前端夹着铜片，后端磨光靠紧。当磁头以速度v相对于磁栅运动时，由于电磁感应将在磁头中产生磁通f，其表达式为Wx2sinmff(7.17) 第7章磁电式传感器 磁头线圈上产生的感应电势e为(7.18) WxWNvxNvtNe2cos2ddddm第7章磁电式传感器 2) 静态磁头静态磁头为调制式磁头，又称磁通响应式磁头，在磁头与磁栅之间无相对运动的情况下也有感应电势输出。图7.27所示为静态磁头的信号读出原理。磁栅漏磁通f0的一部分f2通过磁头铁芯, 另一部分f3通过气隙。设铁芯磁阻为Rm

27、2，气隙磁阻为Rm3，则(7.19) 3m2m3m02RRRff第7章磁电式传感器 图7.27静态磁头读出原理第7章磁电式传感器 一般情况下可认为Rm3不变，Rm2与激磁线圈所产生的磁通f1有关。P、S两段铁芯的横截面积很小，很容易饱和，当铁芯饱和时，Rm2很大，f2不能通过。在激磁电压u的一个变化周期内，铁芯饱和两次，Rm2变化两个周期，f2也变化两个周期。可近似认为f2=f0(a0+a2 sin2t) (7.20)式中：a0、a2与磁头结构参数有关的常数；激磁电压的角频率。第7章磁电式传感器 当磁头与磁栅之间不发生相对运动时， f0为一常量，则输出线圈产生的感应电势e为式中：N2输出线圈的

28、匝数。漏磁通f0的表达式类似于式(7.16)，则(7.22) taNtNe2cos2dd20222tWxaNe2cos2sin2m22(7.21) 第7章磁电式传感器 7.3.2信号调理电路信号调理电路1. 动态磁头信号调理电路动态磁头信号调理电路磁栅相对磁头运动时，动态磁头输出的感应电势正比于相对运动速度或角速度，整流滤波后可得到相对运动速度或角速度的大小。若要检测相对运动的方向，则必须在相距 处安装两个磁头，输出两个相位相差90的正交信号，超前还是滞后取决于运动方向，处理后即可实现辨向。图7.28所示为两个动态磁头构成的速度测量系统框图。Wn41第7章磁电式传感器 图7.28动态磁头速度测

29、量系统框图第7章磁电式传感器 当磁头固定磁栅向左运动时，磁头1输出信号e1比磁头2输出信号e2超前90相角，各信号波形如图7.29(a)所示。而当磁栅向右运动时，磁头1比磁头2的输出信号滞后90相角，各信号波形如图7.29(b)所示。 第7章磁电式传感器 图7.29动态磁头速度测量系统波形图第7章磁电式传感器 2. 静态磁头信号调理电路静态磁头信号调理电路1) 鉴幅电路由式(7.22)可知，两个磁头相距安装时输出感应电势分别为式中：Um静态磁头读出信号的幅值，Um=2N2a2fm。tWxUetWxUe2cos2cos2cos2sinm2m1Wn41(7.23) 第7章磁电式传感器 经检波器去掉

30、高频载波后可得两路相位差90的信号送至相关电路进行辨向后即可测得位移。图7.30所示为采用鉴幅电路进行位移测量的系统框图。当位移x增加时，磁头1输出e1比磁头2输出e2滞后90相角，各信号波形如图7.31(a)所示。 (7.24) WxUeWxUe2cos2sinm2m1第7章磁电式传感器 图7.30鉴幅电路位移测量系统框图第7章磁电式传感器 图7.31鉴幅电路位移测量系统波形图第7章磁电式传感器 2) 鉴相电路将某一磁头的激磁电压移相45(也可将某个磁头的输出移相90)，则两个磁头输出为将e1减去e2后可得(7.25) )(WxUetWxUe452cos2cos2cos2sinm2m1Wxt

31、Ue22sinm(7.26) 第7章磁电式传感器 图7.32所示为采用鉴相电路进行位移测量的系统框图。脉冲发生器产生角频率为N的方波，N分频后得到角频率为的方波u1，u1经低通滤波器得到角频率为的正弦波u2，u2放大后的u3作为磁头1的激磁电压，u3移相45后的u4作为磁头2的激磁电压。第7章磁电式传感器 图7.32鉴相电路位移测量系统框图第7章磁电式传感器 7.3.3磁栅式传感器的应用磁栅式传感器的应用磁栅式传感器广泛应用于冶金、机械、石化、运输、水利等行业。由磁栅式传感器所构成的通用位移传感器、液位计、闸门开度仪、油缸行程检测仪等在恶劣工业环境中广泛运用，其无接触位移测量方式适用于极宽的量

32、程范围，能与多类自动控制系统接口。第7章磁电式传感器 静磁栅绝对编码器借用“游标卡尺差分刻度测微”原理，依靠霍尔线阵列群动效应解析数字化绝对位移编码，准确可靠。由磁钢组成的磁栅编码阵列和霍尔开关元件组成的霍尔编码阵列协调工作。磁栅编码阵列和霍尔编码阵列形成该传感器的两个必不可少的单元，其中磁栅编码阵列单元称为“静磁栅源”，霍尔编码阵列单元称为“静磁栅尺”，当“静磁栅源”保持一定间隙沿“静磁栅尺”轴线表面移动时，由“静磁栅尺”实时解析出毫米级示值误差的位移量数字信号。该机理类似“游标卡尺”，游标卡尺1 mm的刻度可以辨别出0.02 mm，其分辨率提高了50倍。磁栅编码阵列间距和霍尔编码阵列间距不

33、同，类似游标卡尺上下差分滑尺的刻度不同，再经过一套反复推演的算法，使得静磁栅绝对编码器的分辨率可达0.25 mm或者更小。第7章磁电式传感器 霍尔编码阵列元件只有开和关两种状态。由于物理位置不同，每个霍尔开关元件含有不同的位置信息，通过计算机高速扫描辨识，实现“空间直线位置绝对编码”，无论量程多大，只要保证安装精度，就能获得非常小的示值误差。另外，霍尔编码阵列元件基本不受外界温度、湿度、杂散磁场、电磁干扰等因素影响，具有很强的防震、防撞击、防水、抗污染、 抗干扰、抗恶劣环境的能力。第7章磁电式传感器 7.4磁磁 敏敏 传传 感感 器器7.4.1磁敏电阻磁敏电阻1. 磁阻效应磁阻效应将通以电流的

34、半导体薄片置于与电流相垂直的磁场中，除产生霍尔效应外，由于运动的载流子受到磁场力的作用会发生偏转，使载流子所经过的路程增加，迁移率减小，电阻率增加，这种现象称为磁阻效应。利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻(或磁阻元件)。选择合适的磁敏电阻形状，可以使霍尔效应减弱或消除，而磁阻效应增强。第7章磁电式传感器 2. 磁敏电阻的结构磁敏电阻的结构当图7.10中的半导体薄片a、b两端面的长度l小于c、d两端面的长度b时，霍尔电场难以建立，可获得较显著的磁阻效应。为了增加电阻值，通常将多个lb的磁敏电阻串联或制成栅格状。图7.33(a)所示是在高电子迁移率材料InSb(锑化铟)半导体薄片上，通过光刻方法将

35、其分割成多个平行等间距的铟金属短路条(栅格)，相当于多个l b的磁敏电阻串联。当输入端输入电流I，在垂直方向外加磁感应强度B时，由于磁感应强度B的作用会使电流方向发生倾斜而导致电阻值增大，其电阻值R与磁感应强度B的变化曲线如图7.33(b)所示。 第7章磁电式传感器 图7.33InSb磁敏电阻第7章磁电式传感器 图7.34所示为采用InSb-NiSb(锑化铟-锑化镍)共晶材料制作的磁敏电阻。 图7.34InSb-NiSb共晶磁敏电阻第7章磁电式传感器 7.4.2磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管霍尔元件和磁敏电阻均是用N型半导体材料制成的体型元件，而磁敏二极管和磁敏三极管是PN结型的

36、磁电转换器件。1. 磁敏二极管磁敏二极管图7.35所示为磁敏二极管的示意图，其结构为PIN型。 第7章磁电式传感器 图7.35磁敏二极管结构第7章磁电式传感器 磁敏二极管不受外界磁场作用时，如图7.36(a)所示。在正向偏压作用下，P+区向I区注入大量空穴，N+区向I区注入大量电子。但只有少量电子和空穴在I区复合掉，大部分的电子和空穴通过I区分别到达P+区和N+区，从而产生电流。当磁敏二极管受到正向磁感应强度B+作用时，如图7.36(b)所示, 电子和空穴受到洛仑兹力作用向r区偏移，由于r区对电子和空穴复合速度很快，进入r区的电子和空穴很快就被复合掉，因此电流迅速减小。当磁敏二极管受到反向磁感

37、应强度B作用时，如图7.36(c)所示。 第7章磁电式传感器 图7.36磁敏二极管工作原理第7章磁电式传感器 2. 磁敏三极管磁敏三极管磁敏三极管是在磁敏二极管的基础上研制的，有NPN和PNP两种结构。图7.37所示为NPN型磁敏三极管的结构示意图，在高阻值本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极e、基极b和集电极c。 第7章磁电式传感器 图7.37磁敏三极管结构第7章磁电式传感器 磁敏三极管不受外磁场作用时的情形如图7.38(a)所示。当磁敏三极管受到反向磁感应强度B作用时，其情形如图7.38(b)所示。由于洛仑兹力的作用，发射区注入到I区的电子向基极一侧偏转，使集电极电流减小，基极电流增大。

38、另一方面，电子在通过I区时，受洛仑兹力作用向高复合r区偏转，使部分电子在高复合区被复合掉而不能到达基极，又使基极电流减小。基极电流既有增大又有减小的趋势，平衡后基本不变，但集电极电流却明显减小，此时电流放大倍数0。 第7章磁电式传感器 图7.38磁敏三极管工作原理第7章磁电式传感器 7.4.3磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用1. 磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用 (1) 在各种位移量测控、无触点开关和计数器等应用中，使用分立型InSb磁敏电阻较为方便，可根据具体情况灵活设计；(2) 应用于票证检伪、自动检测等技术中的微小磁信号检测。例如录音机和录像机用的磁带，位移测控磁尺，为防伪而在纸币、票据、信用卡上