第4章 磁电传感器

第4章

磁电传感器磁敏传感器4.1霍尔传感器4.2电涡流传感器4.3技能实训4.4【学习目标】掌握磁敏二极管的结构及工作原理掌握磁敏三极管的结构及工作原理掌握电涡流探头结构和被测体材料、形状及大小对灵敏度的影响掌握霍尔元件的结构及工作原理掌握霍尔元件的特性参数掌握磁敏二极管的应用掌握磁敏三极管的应用掌握电涡流式传感器的应用掌握霍尔传感器的应用【技能目标】具备分析磁电传感器电路的能力具备制作磁敏传感器应用电路的能力具备制作霍尔传感器应用电路的能力具备制作电涡流传感器应用电路的能力具备调试电路的能力4.1磁敏传感器4.1.1磁阻传感器1．磁敏电阻

根据几何磁效应原理制造的锑化铟（InSb）磁敏电阻的基本结构和电阻值与磁场的特性曲线如图4.1所示。图4.1InSb磁敏电阻与特性 InSb-NiSb共晶材料的特点是在InSb的晶体中掺杂NiSb，在InSb的结晶过程中会析出沿着一定方向排列的细长NiSb针状晶体，如图4.2所示。图4.2InSb-NiSb共晶元件2．磁敏电阻传感器的应用（1）无触点电位器

图4.3所示为无触点电位器的结构示意图。（2）InSb磁敏电阻旋转（齿轮）传感器 InSb磁敏电阻旋转齿轮传感器的工作原理如图4.4所示。图4.3无触点电位器图4.4齿轮传感器工作原理3．磁敏电阻传感器的温度稳定性问题（1）对多个InSb的温度补偿

图4.5所示为用多个InSb磁敏电阻作无触点开关时的温度补偿电路。图4.5多InSb电阻无触点开关温度补偿电路图4.6UBB、UB与温度变化的关系（2）电桥式温度补偿

在InSb磁敏电阻传感器中大多数都使用三端差分型InSb磁敏电阻，因为由两个InSb磁敏电阻构成的差分结构也是电路中的半桥型结构，所以采用如图4.7所示的电桥型温度补偿更为合适，它可以较好地改善基准电位和有偏置磁场时的电阻温度特性。图4.7电桥型温度补偿电路

图4.7中所示R1、R2、R3、R4和RP为一般的固定电阻器，RT为负温度系数热敏电阻。

根据RM1、RM2和RT的配置，可改进基准电位UN和输出电压的温度特性。4.1.2磁敏二极管1．磁敏二极管的结构2．磁敏二极管的工作原理

而对磁敏二极管，情况就不同了。

当受到正向磁场作用时，电子和空穴均受到洛伦兹力作用向r面偏转，如图4.9所示。图4.8锗磁敏二极管

由于r面是高复合面，所以到达r面的电子和空穴就被复合掉，因而i区的载流子密度减少，电阻增加，所以Ui增大，而在两个结上的电压UP、UN则相对减少，于是i区的电阻进一步增加，直到稳定在某一值上为止。

图4.9磁敏二极管载流子受磁场影响的情况3．磁敏二极管的特性（1）电流—电压特性

图4.10所示为锗磁敏二极管的伏安特性曲线。

图中B＝0的曲线表示二极管不加磁场时的情况，B取+或表示磁场的方向不同。图4.10锗磁敏二极管伏安特性曲线

从图4.10中可以看出：

①当输出电压一定，磁场为正时，随着磁场强度增加，电流减小，表示磁阻增加；磁场为负时，随着磁场强度向负方向增加，电流增加，表示磁阻减小；

②在同一磁场下，电流越大，输出电压变化量也越大。（2）磁电特性

图4.11所示为磁敏二极管的磁电特性曲线。图4.11磁电特性曲线（3）温度特性

温度特性是指在标准测试条件下，输出电压变化量ΔU随温度变化的规律，如图4.12所示。图4.12磁敏二极管温度特性曲线4．磁敏二极管的应用—磁敏二极管漏磁探伤仪

磁敏二极管漏磁探伤仪是利用磁敏二极管可以检测微弱磁场变化的特性而设计的，原理如图4.13所示。1—工件2—激磁线圈3—铁芯4—磁敏二极管探头图4.13磁敏二极管漏磁探伤仪原理

4.1.3磁敏三极管1．磁敏三极管的结构（1）锗磁敏三极管

锗磁敏三极管的结构和图形符号如图4.14所示。图4.14NPN型锗磁敏三极管结构和电路符号（2）硅磁敏三极管

硅磁敏三极管是用平面工艺制造的，如图4.15所示。图4.15硅磁敏三极管结构2．磁敏三极管的工作原理

如图4.16（a）所示，当无磁场作用时，由于磁敏三极管基区长度大于载流子有效扩散长度，因此发射区注入的载流子除少量输运到集电区外，大部分通过E—I—B，形成基极电流，基极电流大于集电极电流，所以电流放大倍数β＝IＣ/IB＜1。图4.16磁敏三极管的工作原理示意图

如图4.16（b）所示，当存在H+磁场时，由于洛伦兹力的作用，载流子向发射极一侧偏转，从而使集电极电流IＣ明显下降。3．磁敏三极管的特性（1）伏安特性

图4.17所示为磁敏三极管的伏安特性曲线，其中图（a）为无磁场作用时的伏安特性，图（b）为基极电流恒定（IB＝3mA）条件下，磁场为正、负1KG时集电极电流IC的变化情况。图4.17磁敏三极管伏安特性（2）温度特性

磁敏三极管的温度特性曲线如图4.18所示，其中图（a）为基极恒压时的温度特性曲线，图（b）为基极恒流时的温度特性曲线。图4.183BCM磁敏三极管的温度特性4．温度补偿技术

同磁敏二极管一样，磁敏三极管的温度依赖性也较大，因此使用磁敏三极管时应注意到其集电极电流具有负温度系数的特点，一般可采用以下几种方式进行温度补偿。

①利用正温度系数普通硅三极管进行补偿。其电路如图4.19（a）所示。

②利用磁敏三极管互补电路。由PNP和NPN磁敏三极管组成互补式补偿电路，如图4.19（b）所示。如果图中两种磁敏三极管集电极温度特性完全—样，则互补电路的输出电压不随温度发生漂移。

③采用磁敏二极管补偿电路。由于锗磁敏二极管电流随温度上升而增加，利用这一特性可作锗磁敏三极管负载以补偿输出电压的漂移，如图4.19（c）所示。

④采用差分补偿电路。用两只磁、电特性一致，而磁场特性相反的磁敏三极管组成差分补偿电路。这种补偿方法可提高磁灵敏度，如图4.19（d）所示。图4.19磁敏三极管温度补偿方法5．磁敏三极管的应用—磁敏三极管电位器

利用磁敏三极管制成的无触点电位器原理如图4.20所示。图4.20磁敏三极管无触点电位器4.2霍尔传感器

图4.21所示为霍尔式无触点电子点火装置实物图，采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。图4.21霍尔式无触点电子点火装置实物图4.2.1霍尔元件结构与工作原理1．霍尔元件结构

在掺杂浓度很低、电阻率很大的N型衬底上用杂质扩散法制作出如图4.22（b）所示的N导电区a～b段，它的厚度非常薄，电阻值约几百欧。

在a～b导电薄片两侧对称地用杂质扩散法制作出霍尔电动势引出端c、d，因此它是四端元件。

其中一对a、b端称为激励电流端，另外一对c、d端称为霍尔电动势输出端，c、d端一般应处于侧面的中点。2．霍尔传感器工作原理

下面以N型半导体霍尔元件为例来说明霍尔传感器的工作原理。在图4.22（a）中所示的激励电流端（a、b端）通入电流I，并将薄片置于磁场中。图4.22霍尔元件

由实验可知，流入激励电流端的电流I越大，作用在薄片上的磁场强度B越强，霍尔电动势也就越高。

霍尔电动势EH可用下式表示为EH=KHIB

式中：KH—霍尔元件的灵敏度。

若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度

时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos

，这时的霍尔电动势为 EH=KHIBcos4.2.2霍尔元件特性参数1．输入电阻Ri

霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。2．最大激励电流Im

由于霍尔电动势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。3．灵敏度KH KH＝EH

/IB，其单位为mV/(mA·T)。4．最大磁感应强度Bm

磁感应强度超过Bm时，霍尔电动势的非线性误差将明显增大，Bm的数值一般小于零点几特斯拉。5．不等位电动势

在额定激励电流下，当外加磁场为零时，霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电动势，它是由于4个电极的几何尺寸不对称引起的，使用时多采用电桥法来补偿不等位电动势引起的误差。6．霍尔电动势温度系数

在一定磁场强度和激励电流的作用下，温度每变化l℃时霍尔电动势变化的百分数称为霍尔电动势温度系数，它与霍尔元件的材料有关，一般约为0.1%左右。4.2.3集成霍尔元件

图4.23和图4.24所示为具有双端差动输出特性的线性霍尔器件UGN3501M的外形、内部电路图及其输出特性曲线。图4.23差动输出线性霍尔集成电路

这类器件中较典型的有UGN3020、UGN3022系列等，图4.25和图4.26所示为UGN3020的外形、内部电路图及其输出特性曲线。图4.24差动输出线性霍尔集成电路输出特性图4.25开关型霍尔集成电路图4.26差动输出线性霍尔集成电路输出特性4.2.4霍尔传感器的应用1．霍尔式位移传感器

保持霍尔元件的控制电流恒定，而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿x方向移动，如图4.27所示，则输出的霍尔电势为 EH=kx

式中：k—位移传感器灵敏度。图4.27霍尔式位移传感器原理示意图

磁场梯度越大，灵敏度越高，磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。

为了得到均匀的磁场梯度，往往将磁钢的磁极片设计成特殊形状，两对磁钢平行对置，如图4.27所示。2．霍尔式压力传感器

霍尔式压力传感器就是其中的一种，如图4.28（a）所示。

图4.28（b）所示为磁钢外形。图4.28霍尔式压力传感器3．霍尔传感器在开关电路中的应用

在许多自动控制设备中常常需要非接触型开关装置，图4.29所示的开关电路就是利用霍尔元件输出电压EH（c端和d端）与磁性体N、S磁极的关系实现其开关作用的。图4.29霍尔元件在开关中的应用4.3电涡流传感器

目前，家庭中经常会应用到干净、高效的电磁炉，图4.30所示为电磁炉工作原理示

意图。图4.30电磁炉工作原理图4.3.1电涡流传感器的结构和工作原理1．电涡流传感器的结构

图4.31所示为CZF—1型电涡流传感器的结构图，它的线圈位于传感器的端部，采用高强度多股漆包线绕成（提高Q值）；线圈框架采用损耗小、电绝缘性能好的聚四氟乙烯等材料制作；电缆和插头接后续测量电路，由于激励频率高，一般采用专用的高频电缆和插头。1—电涡流线圈2—框架3—框架衬套4—输出屏蔽电缆5—电缆插头图4.31CFZ—1型电涡流传感器结构

2．电涡流传感器工作原理

电涡流传感器就是基于电涡流效应进行工作的，工作原理如图4.32（a）所示。图4.32电涡流传感器基本工作原理

其等效电路如图4.32（b）所示，传感线圈的电阻为R1、电感为L1；金属导体中形成的电涡流等效为一个短路环，短路环的电阻为R2，电感为L2；电涡流产生的磁场对传感线圈产生的磁场的“抵消”作用等效为线圈与导体间的互感M，互感M随线圈与导体间距离的减小而增大。

当传感线圈与金属导体靠近时，传感线圈的等效阻抗为

传感线圈的阻抗可以表示为Z=f(,,f,x)注意

根据式（4.5）可知，只要改变其中一个参数，而其余参数保持不变，通过检测传感线圈的阻抗Z，就可以测定这个参数。

例如，保持f、σ、不变，以位移x作为变换量，可以检测位移、厚度、振动、转速等；如果保持x、f、i1不变，以电导率σ作为变换量，可以检测导体表面温度、导体材质等；若以作为变换量，可以检测应力、硬度等；如果综合利用x、σ、变换量的影响可以进行探伤检测。4.3.2电涡流传感器的测量电路1．调幅式电路

调幅式测量电路原理框图如图4.33所示。

被测物体与传感器距离的变化和输出电压间的关系如图4.34所示。图4.33调幅式测量电路原理框图图4.34调幅式电路谐振曲线2．调频式电路

调频式测量电路由传感器线圈L与电容

器组成LC振荡器，以振荡器的频率f作为输

出变量，其测量电路原理框图如图4.35所示。图4.35调频式测量电路原理框图4.3.3电涡流传感器的应用1．位移测量

电涡流传感器可用来测量各种金属试件的微小位移量，如图4.36所示，如汽轮机主轴的轴向位移测量、磨床换向阀、先导阀的位移测量、金属试件的热膨胀系数测量等，其测量位移范围可以从0～1mm到0～30mm。图4.36电涡流传感器位移测量2．厚度测量

电涡流传感器可以无接触地实现金属板或非金属板镀层厚度的测量，测量原理如图4.37所示。图4.37电涡流传感器厚度测量3．温度测量

在较小的温度范围内，一般导体的电阻率与温度的关系可表示为

电涡流传感器测量温度原理如图4.38所示，传感器线圈对着被测金属表面，传感器线圈与电容组成振荡电路。图4.38电涡流传感器温度测量4.4技能实训1．要求

制作一个由UNG3501T传感器组成的计数器电路，当永久磁铁靠近霍尔传感器位置时，传感器输出一个峰值为20mV的脉冲，此脉冲信号经A741运算放大后，驱动2N5812三极管，使之完成导通、截止过程。如把计数器接于2N5812输出端，即可构成计数器。2．器材名

称型

号数

量电阻器R110k/0.25W1电阻器R21k/0.25W1电阻器R311k/0.25W1电阻器R4470k/0.25W1电阻器R5470k/0.25W1电容器