智能传感与检测技术 教案 第7章 霍尔传感器与其他磁敏传感器

《智能传感与检测技术》课程教案授课章节第7章霍尔传感器与其他磁敏传感器7.1霍尔效应7.2霍尔元件及特性参数7.3集成霍尔传感器7.4霍尔传感器的应用实例建议课时2授课方式理论知识讲授+讨论课+多媒体演示所属专业教学目标1.了解霍尔效应2.掌握霍尔元件及特性参数3.掌握集成霍尔传感器4.了解霍尔传感器的应用教学重点1.霍尔元件及特性参数2.集成霍尔传感器教学难点1.霍尔元件及特性参数2.集成霍尔传感器参考教材《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6教学内容『新课导入』霍尔传感器是一种磁敏传感器，它是把磁学物理量转换成电信号的装置，广泛应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等各个领域。它的最大特点是非接触测量。『授课内容』7.1霍尔效应将金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片（如图7-1所示），当有电流I通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH，这种物理现象称为霍尔效应。7.2霍尔元件及特性参数7.2.1霍尔元件霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成，如图7-2a所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出4个引线，a、b两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；c、d引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件的壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成，图7-2b为霍尔元件的实物图，图7-2c为霍尔元件的图形符号。7.2.2霍尔元件的主要特性参数(1)霍尔元件的灵敏度系数KH。霍尔元件的灵敏度定义为在单位控制电流和单位磁感应强度下，霍尔电势输出端开路时的电势值，其单位为V/A·T，它反映了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希望它越大越好。(2)额定激励电流IN和最大允许激励电流Imax。当霍尔元件自身温升10℃时所流过的电流值称为额定激励电流IN。在相同的磁感应强度下，IN值越大则可获得大的霍尔输出。在霍尔元件做好后，限制IN的主要因素是散热条件。一般情况下锗元件的最大允许温升是80℃，硅元件的最大允许温升是175℃。当元件允许最大温升为限制时所对应的激励电流，称为最大允许激励电流Imax。(3)输入电阻Ri、输出电阻RO。霍尔片的两个控制电极间的电阻值称为输入电阻Ri，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阻RO，即两个霍尔电极间的电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在（20±5）℃时确定的。一般Ri大于RO，使用时不能出错。（4）霍尔电势温度系数ɑ。在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1℃时，霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数ɑ,ɑ值越小越好。7.3集成霍尔传感器集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。其输出信号快，传送过程中无抖动现象，且功耗低，对温度的变化是稳定的，灵敏度与磁场移动速度无关。按照输出信号的形式，可以分为开关集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。线性集成霍尔传感器开关集成霍尔传感器7.4霍尔传感器的应用实例7.4.1金属零件霍尔计数装置7.4.2霍尔式无触点汽车电子点火装置【多媒体演示】多媒体课件见教材配套教学PPT『课堂小结』微电子技术的发展，使得目前的霍尔元件多已集成化，即将霍尔元件、激励电流源、放大电路、施密特触发器以及输出电路等，集成于一个芯片上，构成了集成霍尔传感器。霍尔集成电路（又称霍尔IC）取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器减少了焊点，显著地提高了工作可靠性。『作业布置』P62页一、填空题1、2、3二、简答题1、2、3三、综合题1『教学后记』授课章节第7章霍尔传感器与其他磁敏传感器7.5.1磁敏电阻7.5.2磁敏二极管7.5.3磁敏晶体管7.5.4磁敏传感器的应用实例建议课时2授课方式理论知识讲授+讨论课+多媒体演示所属专业教学目标1.掌握磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏晶体管的工作原理2.熟悉磁敏传感器的应用实例教学重点磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏晶体管的工作原理教学难点磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏晶体管的工作原理参考教材《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6教学内容『新课导入』磁阻元件与霍尔元件的区别在于：前者是以电阻的变化来反映磁场的大小，但无法反映磁场的方向；后者是以电动势的变化来反映磁场的大小和方向。磁敏传感器包括磁敏电阻、磁敏二极管和磁敏三极管，它们的灵敏度很高，主要应用于微弱磁场的测量。『授课内容』7.5其他磁敏传感器7.5.1磁敏电阻1．磁阻效应及磁敏电阻半导体材料的电阻率随磁场强度的增强而变大，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。磁场引起磁敏电阻增加有两个原因：一是材料的电阻率随磁场强度增强而变大；二是磁场使电流在器件内部的几何分布发生变化，从而使物体的等效电阻增大。目前实用的磁阻元件主要是利用后者的原理制作的。常用的磁敏电阻由锑化铟薄片组成，如图7-12所示。2.磁敏电阻的基本特性①磁阻特性。磁敏电阻无磁场时的电阻RO与磁感应强度为B时的电阻RB的比值（RB/RO)与磁感应强度B之间的关系曲线称为磁敏电阻的磁阻特性曲线，又称R-B曲线，如图7-13所示。可以看出，无论磁场的方向如何变化，磁敏电阻的阻值仅与磁场强度的绝对值有关。当磁场强度较大时，线性较好。②温度特性。温度每变化1℃时，磁敏电阻的相对变化称为温度系数，单位为％/℃。磁敏电阻值电阻值受温度影响较大，一般为补偿温漂常采用两个元件串联的补偿电路，如图7-14所示。7.5.2磁敏二极管磁敏二极管结构和工作原理磁敏二极管的结构和符号如图7-15所示。磁敏二极管是PIN型的。磁敏二极管的主要特性7.5.3磁敏晶体管1.磁敏晶体管的工作原理磁敏晶体管工作原理与磁敏二极管是相同的，磁敏晶体管也具有r区和I区，并增加了基极、发射极和集电极，磁敏晶体管的结构原理及图形符号如图7-17所示。2.磁敏晶体管的主要特性1）磁电特性。磁敏晶体管的磁电特性为在基极电流恒定时，集电极电流与外加磁场的关系。在弱磁场作用下，特性接近线性。磁敏晶体管的磁电特性如图7-18所示。2）伏安特性。图7-19a所示为磁敏晶体管在零磁场强度下的伏安特性；图7-19b所示为磁敏晶体管在基极电流不变，在不同磁场强度下的伏安特性。7.5.4磁敏传感器的应用实例1.磁敏电阻的应用①智能交通系统（ITS)的汽车信息采集。②小型探矿仪（磁力仪、金属探测仪）。磁敏二极管的应用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7-21所示。【多媒体演示】多媒体课件见教材配套教学PPT『课堂小结』磁敏晶体