《磁电式传感器》课件

第七章磁传感器第一节磁电式传感器的原理与结构第二节电磁血流量计第三节霍尔式传感器7.1.1基本原理根据电磁感应定律，当W匝线圈在均恒磁场中运动时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈的感应电势e为：负号表示感应电动势总是反抗磁通量的变化7.1.1基本原理当线圈在磁场中作直线运动时，它所产生的感生电势为：7.1.1基本原理当线圈在磁场中转动时产生的感应电势e为：

7.1.2.1磁电式传感器的结构与分类恒定磁通式磁电传感器7.1.2.2磁电式传感器的结构与分类7.1.2.2磁电式传感器的结构与分类7.1.3磁电式传感器的误差和补偿当测量电路接入磁电传感器电路中,磁电传感器的输出电流Io为传感器的电流灵敏度为传感器的输出电压为传感器的电压灵敏度为7.1.3磁电式传感器的误差当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动或冲击时,其灵敏度将发生变化而产生测量误差。相对误差为温度补偿热磁分路7.1.3.2磁电式传感器的非线性误差由于传感器线圈内有电流i流过时，将产生一定的磁通φi叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上。使得传感器的灵敏度受到影响。补偿线圈7.1.3.2磁电式传感器的非线性误差7.2.1电磁流量计的工作原理7.2.1电磁流量计的工作原理7.2.1电磁流量计的工作原理7.2.1电磁血流量计的组成7.2.2电磁血流量计的探头7.2.2电磁血流量计的探头7.2.3电磁血流量计的检测电路直流激励受交流电磁场干扰影响很小直流磁场易使通过测量管道的电解质液体被极化，即电解质中的正负离子分别聚集到正极和负极7.2.3电磁血流量计的检测电路交流激励相当于调制，可以有效地去除干扰变压器效应：交变磁场会使电极、血液和导线回路内的磁通量发生改变7.2.3电磁血流量计的检测电路7.3霍尔式传感器利用霍尔元件（Hallelement）基于霍尔效应原理而将被测量转换为电动势输出的一种传感器霍尔效应金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场（磁场方向垂直于薄片）中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH，这种现象称为霍尔效应

7.3.1霍尔效应UHbldIFLFEvB霍尔效应演示

当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab7.3.1霍尔效应在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板,导电板通以电流I。导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。此时,每个电子受洛仑磁力FL的作用，FL大小为式中:e——电子电荷v——电子运动平均速度B——磁场的磁感应强度7.3.1霍尔效应霍尔电场的电场强度为当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反时若导电板单位体积内电子数为n,电子定向运动平均速度为v设在导体内某点P处垂直于电流流向的单位面积上通过的电流强度，就是该点处电流密度的大小j7.3.1霍尔效应霍尔电势灵敏度系数霍尔系数7.3.1霍尔效应霍尔片控制电流端引线霍尔引出端引线激励电极霍尔电极7.3.2霍尔元件的电磁特性UH～I特性UH～B特性R～B特性指霍尔元件的输入

电阻与磁场之间的

关系霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而增加的现象称为磁阻效应

7.3.2霍尔元件的误差与补偿1.零位误差当霍尔元件通以控制电流而不加外磁场时，其输出端仍然存在空载电动势，称为不等位电势7.3.2霍尔元件的误差与补偿不等位电势的补偿使霍尔电极对称补偿电路DR1R2CBAR3R47.3.2霍尔元件的误差与补偿WABDR2R3R4R1CWADCBWDCABWABDR2R3R4R1CWDCABBWBDR2R3R4R1AC2、寄生直流电势：当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势分量，称寄生直流电势。3、感应零电势：霍尔元件在交流或脉动磁场中工作时，即使不加控制电流，霍尔端也会有输出，这个输出就是感应零电势。它是由于霍尔电极的引线布置不合理而造成的。4、自激场零电势：当霍尔元件通以控制电流时，此电流也会产生磁场，该磁场称为自激场。7.3.2霍尔元件的误差与补偿7.3.2霍尔元件的误差与补偿温度误差 由于霍尔元件一般由半导体材料制成，而半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度都随温度变化，因此其性能参数如输入电阻、输出电阻和霍尔常数等也随着温度而变化，从而导致霍尔电势变化，产生温度误差

温度误差补偿恒流源供电，输入回路并联电阻IUHtUHIRPRi(t)Rt(t)RPIUHI温度误差补偿霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数,它随温度的变化引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数和输入电阻与温度的关系可写成设初始温度为T0,霍尔元件输入电阻为Ri0,灵敏系数为KH0,分流电阻为Rp,根据分流概念得温度误差补偿当温度升至T时,电路中各参数变为虽然温度升高ΔT,补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电势不变温度误差补偿恒压源供电，输入回路串联电阻进行补偿EIUHRUHtRt(t)RIUHERi(t)温度误差补偿恒流源供电，利用输出回路的负载进行补偿UHIIRLUHtRi(t)Rt(t)RLIUHI温度误差补偿温度误差补偿热敏电阻具有负温度系数，电阻丝具有正温度系数（a）、（b）、（c）中的霍尔元件具有负温度系数（d）中的霍尔元件具有正温度系数温度误差补偿E2w1w2E1w3R2R3R4R1RtUHt调节电位器W1可以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，使电桥的输出电压相应变化，只要仔细调节，即可补偿霍尔电势的变化，使其输出电压与温度基本无关温度误差补偿已知某霍尔元件尺寸为长l=10mm，宽b=3.5mm，厚d=1mm。沿l方向通以电流I=1.0mA，在垂直于b×l面方向上加均匀磁场B=0.3T，输出霍尔电势UH=6.55mV。求该霍尔元件的灵敏度系数KH和载流子浓度n是多少？UHbldIFLB7.3.3霍尔式传感器应用霍尔转速表SN线性霍尔磁铁7.3.3霍尔式传感器应用霍尔转速计数原理7.3.3霍尔式传感器应用7.3.3霍尔式传感器应用7.3.3霍尔式传感器应用7.3.3霍尔式传感器应用7.3.3霍尔式传感器应用开关型霍尔传感器集成电路开关型霍尔集成电路

与继电器的接线?7.3.3霍尔式传感器应用7.4.2.1磁敏二极管7.4.2磁敏二极管和磁敏三极管1.磁敏二极管的工作原理与主要特性P+N+I区r面P+N+I区r面H+P+N+I区r面H-利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其电流发生变化，于是就实现磁电转换。

（a）（b）（c）P+N+I区r面H-P+N+I区r面H+P+N+I区r面1.磁电特性：在给定的条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系。B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0ΔU/V1.磁敏二极管的工作原理与主要特性2.伏安特性：磁敏二极管正向偏压和通过其上电流的关系。不同磁场强度H作用下，磁敏二极管伏安特性不同。例锗磁敏二极管的伏安特性。1357921.510.50-0.5-1-1.5-2U(V)I(mA)硅磁敏二极管的伏安特性(a)I（mA)31245024681012U(V)4kG3kG2kG1kG0kG-1kG-2kG-3kG(b)3kGI（mA)31245024681012U(V)4kG2kG0kG-1kG-2kG-3kG3.温度特性：在标准测试条件下，输出电压变化量随温度的变化。一般比较大。实际使用必须进行温度补偿。硅管的使用温度是-40ºC~±85ºC，锗管是-40~±65ºC。T/℃020400.20.40.60.81.0E=6VB=0.1T8060-20-5-4-3-2-1IΔUI/mAΔU/V常用的补偿电路:常用的补偿电路:1.磁敏三极管的结构与工作原理在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。基区较长。基区结构类似磁敏二极管，有高复合速率的r区和本征I区。长基区分为运输基区和复合基区。7.4.2磁敏三极管的工作原理和主要特性(a)结构(b)符号bcecN+eH-H+bIrN+P+当磁敏三极管末受磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过e-I-b形成基极电流，少数载流子输入到c极。因而形成基极电流大于集电极电流的情况，使β＜l。工作原理:N+N+eP+xIrbcy

当受到正向磁场(H+)作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧，导致集电极电流显著下降，当反向磁场(H-)作用时，在H-的作用下，载流子向集电极一侧偏转，使集电汲电流增大。N+N+eP+xrbycIN+N+eP+xIrbcH-yN+N+eP+xIrbcyH+N+N+eP+xIrbcH-yN+N+eP+xrbycI（a）(b)(c)由此可知、磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。与普通晶体管的伏安特性曲线类似。由图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于1。(1)伏安特性2.磁敏三极管的主要特性Ib=0Ib=5mA1.00.80.60.40.20246810Uce/VIc/mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAUce/VIb=3mA,B=-1kG1.00.80.60.40.20246810Ic/mAIb=3mA,B=0Ib=3mA,B=1kG(1)为不受磁场作用时(2)磁场为

1kGs

基极为3mA(2)磁电特性

磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，右图为国产NPN型3BCM(锗)磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用下，曲线接近一条直线。-3-2-112345B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.1

图7-273BCM磁敏三极管的磁电特性(3)温度特性及其补偿下图是采用两只特性一致、磁极相反的磁敏三极管组成的差动电路