第6章 磁電式傳感器[教學(xué)內(nèi)容]

1、1 q主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 6.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器 6.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 2 磁電式傳感器 機(jī)械能機(jī)械能 電電 量量 3 磁敏傳感器 磁學(xué)量磁學(xué)量 電信號(hào)電信號(hào) 4 磁電傳感器磁電傳感器 5 d eN dt 0 eBlN 6 根據(jù)以上原理有兩種磁電感應(yīng)式傳感器：根據(jù)以上原理有兩種磁電感應(yīng)式傳感器： 恒磁通式：磁路系統(tǒng)恒定磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)部件恒磁通式：磁路系統(tǒng)恒定磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)部件 可以是線圈也可以是磁鐵?？梢允蔷€圈也可以是磁鐵。 變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動(dòng)， 轉(zhuǎn)動(dòng)物體引起磁阻、磁通變化。轉(zhuǎn)動(dòng)物體引起磁阻、磁通變化。 恒磁通式恒磁通式 變磁通式變磁

2、通式（a）開(kāi)磁路 （b）閉磁路 7 電壓靈敏度：電壓靈敏度： 0 U S 由由 可得；可得； 傳感器靈敏度：傳感器靈敏度： ( (常數(shù)常數(shù)) ) 0 eN Blvsv esv 0 SN Bl 0 I I S v 電流靈敏度電流靈敏度: 8 電磁式傳感器通常用來(lái)做機(jī)械振動(dòng)測(cè)量。電磁式傳感器通常用來(lái)做機(jī)械振動(dòng)測(cè)量。 振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)大體分兩種：振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)大體分兩種： 動(dòng)鐵式（線圈與殼體固定）動(dòng)鐵式（線圈與殼體固定） 動(dòng)圈式（永久磁鐵與殼固定）動(dòng)圈式（永久磁鐵與殼固定） 磁鐵與線圈之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度接近振動(dòng)速度，磁鐵與線圈之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度接近振動(dòng)速度， 磁路空氣隙中的線圈切割磁力線，磁路空氣

3、隙中的線圈切割磁力線， 產(chǎn)生于正比振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生于正比振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 。 0 eBlN ev 9 動(dòng)鐵式動(dòng)鐵式動(dòng)圈式動(dòng)圈式 10 開(kāi)磁路閉磁路 11 動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器 12 n 信號(hào)輸出送測(cè)量電路信號(hào)輸出送測(cè)量電路 接入積分電路測(cè)量位移；接入積分電路測(cè)量位移； 接入微分電路測(cè)量加速度。接入微分電路測(cè)量加速度。 13 磁電式振動(dòng)傳感器的特性：磁電式振動(dòng)傳感器的特性： 磁電式振動(dòng)傳感器是慣性式傳感器，不需要磁電式振動(dòng)傳感器是慣性式傳感器，不需要 靜止的基準(zhǔn)參考，可直接裝在被測(cè)體上。靜止的基準(zhǔn)參考，可直接裝在被測(cè)體上。 傳感器是發(fā)電型傳感器，工作時(shí)可不加電壓，

4、傳感器是發(fā)電型傳感器，工作時(shí)可不加電壓， 直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。 速度傳感器的輸出電壓正比于速度信號(hào)速度傳感器的輸出電壓正比于速度信號(hào) ， 便于直接放大。便于直接放大。 輸出阻抗低，對(duì)后置電路要求低，干擾小。輸出阻抗低，對(duì)后置電路要求低，干擾小。 uv 14 實(shí)際應(yīng)用中磁敏元件主要用于檢測(cè)磁場(chǎng)，而與人們實(shí)際應(yīng)用中磁敏元件主要用于檢測(cè)磁場(chǎng)，而與人們 相關(guān)的磁場(chǎng)范圍很寬，一般的磁敏傳感器檢測(cè)的最低磁相關(guān)的磁場(chǎng)范圍很寬，一般的磁敏傳感器檢測(cè)的最低磁 場(chǎng)只能到場(chǎng)只能到 高斯。高斯。 測(cè)磁的方法：測(cè)磁的方法： 利用電磁感應(yīng)作用的傳感器（強(qiáng)磁場(chǎng)）如：利用電磁感應(yīng)作用的傳感

5、器（強(qiáng)磁場(chǎng)）如： 磁頭、機(jī)電設(shè)備、測(cè)轉(zhuǎn)速、磁性標(biāo)定、差動(dòng)變壓器；磁頭、機(jī)電設(shè)備、測(cè)轉(zhuǎn)速、磁性標(biāo)定、差動(dòng)變壓器； 利用磁敏電阻、磁敏二極管、霍爾元件；利用磁敏電阻、磁敏二極管、霍爾元件； 利用磁作用傳感器，磁針、表頭、繼電器；利用磁作用傳感器，磁針、表頭、繼電器； 利用超導(dǎo)效應(yīng)傳感器，利用超導(dǎo)效應(yīng)傳感器，SQVIDSQVID約瑟夫元件；約瑟夫元件； 利用核磁共振的傳感器，有光激型、質(zhì)子型。利用核磁共振的傳感器，有光激型、質(zhì)子型。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，磁敏傳感器正向薄膜化，微隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，磁敏傳感器正向薄膜化，微 型化和集成化方向發(fā)展。型化和集成化方向發(fā)展。 6 1 0 15 霍爾傳感器

6、就是基于霍爾效應(yīng)，把一個(gè)導(dǎo)體霍爾傳感器就是基于霍爾效應(yīng)，把一個(gè)導(dǎo)體 （半導(dǎo)體薄片）兩端通以控制電流（半導(dǎo)體薄片）兩端通以控制電流I I，在薄片垂直，在薄片垂直 方向施加磁感強(qiáng)度方向施加磁感強(qiáng)度B B的磁場(chǎng)，在薄片的另外兩側(cè)會(huì)的磁場(chǎng)，在薄片的另外兩側(cè)會(huì) 產(chǎn)生一個(gè)與控制電流產(chǎn)生一個(gè)與控制電流I I和磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度B B的乘積成比例的乘積成比例 的電動(dòng)勢(shì)的電動(dòng)勢(shì) 。 通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）放在磁場(chǎng)中，電流通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）放在磁場(chǎng)中，電流I I與與 磁場(chǎng)磁場(chǎng)B B方向垂直，在導(dǎo)體另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)方向垂直，在導(dǎo)體另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng) 勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。 H U

7、 16 在磁場(chǎng)中導(dǎo)體自由電子在磁場(chǎng)的作用下做定向運(yùn)動(dòng)。在磁場(chǎng)中導(dǎo)體自由電子在磁場(chǎng)的作用下做定向運(yùn)動(dòng)。 每個(gè)電子受洛侖茲力作用被推向?qū)w的另一側(cè)：每個(gè)電子受洛侖茲力作用被推向?qū)w的另一側(cè)： L Fe B H H U E b 霍爾電場(chǎng)霍爾電場(chǎng) HH FeE 霍爾電場(chǎng)作用于電子的力霍爾電場(chǎng)作用于電子的力 17 當(dāng)兩作用力相等時(shí)電荷不再向兩邊積累，當(dāng)兩作用力相等時(shí)電荷不再向兩邊積累， 達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡：達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡： HL FF H eEe B 通過(guò)（半）導(dǎo)體薄片的電流通過(guò)（半）導(dǎo)體薄片的電流I與載流子濃度與載流子濃度n， 電子運(yùn)動(dòng)速度電子運(yùn)動(dòng)速度v，薄片橫截面積，薄片橫截面積 b*d 有關(guān)：有關(guān)： H

8、UBb 霍爾電勢(shì)：霍爾電勢(shì)： vnebd t lbdne I 18 代入后：代入后： 霍爾常數(shù)霍爾常數(shù) 與材料有關(guān)與材料有關(guān) 霍爾靈敏度霍爾靈敏度 與薄片尺寸有關(guān)與薄片尺寸有關(guān) HHH IBIB UBbRK IB nedd 1 H R ne H H R K d 19 討論：討論： 任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，但不任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，但不 是都可以制造霍爾元件是都可以制造霍爾元件 絕緣材料電阻率很大，電子遷移率很小，不適用；絕緣材料電阻率很大，電子遷移率很小，不適用； 金屬材料電子濃度很高，金屬材料電子濃度很高，RHRH很小，很小，UHUH很小。很小。 半導(dǎo)體電子遷移

9、率一般大于空穴的遷移率，所以半導(dǎo)體電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以 霍爾元件多采用霍爾元件多采用N N型半導(dǎo)體（多電子）。型半導(dǎo)體（多電子）。 v由上式可見(jiàn)，厚度由上式可見(jiàn)，厚度d d越小，霍爾靈敏度越小，霍爾靈敏度 K KH H 越大，越大， 所以霍爾元件做的較薄，通常近似所以霍爾元件做的較薄，通常近似1 1微米。微米。 20 霍爾晶體外形矩形薄片有四根引線，霍爾晶體外形矩形薄片有四根引線， 兩端加激勵(lì)兩端為輸出；兩端加激勵(lì)兩端為輸出； 電源電源E E，控制電流，控制電流I I； 負(fù)載負(fù)載RLRL，R R可調(diào)保證控制電流，可調(diào)保證控制電流， B B磁場(chǎng)與元件面垂直（向里）。磁場(chǎng)與元件面垂

10、直（向里）。 實(shí)測(cè)中可把實(shí)測(cè)中可把I I* *B B作輸入，作輸入， 也可把也可把I I或或B B單獨(dú)做輸入。單獨(dú)做輸入。 通過(guò)霍爾電勢(shì)輸出測(cè)量結(jié)果。通過(guò)霍爾電勢(shì)輸出測(cè)量結(jié)果。 輸出輸出UoUo與與I I或或B B成正比關(guān)系。成正比關(guān)系。 21 (1)(1)不等位電勢(shì)不等位電勢(shì) 當(dāng)霍爾元件通以激勵(lì)電流當(dāng)霍爾元件通以激勵(lì)電流I I時(shí)，若磁場(chǎng)時(shí)，若磁場(chǎng)B=0B=0，理論上，理論上 霍爾電勢(shì)霍爾電勢(shì)U UH H=0,=0,但實(shí)際但實(shí)際U UH H不等于不等于0 0，這時(shí)測(cè)得的空載電，這時(shí)測(cè)得的空載電 勢(shì)稱不等位電勢(shì)勢(shì)稱不等位電勢(shì)U U0 0。 產(chǎn)生的原因：產(chǎn)生的原因： 霍爾引出電極安裝不對(duì)稱霍爾引出

11、電極安裝不對(duì)稱半導(dǎo)體材料不均勻半導(dǎo)體材料不均勻 22 ( (1)1)不等位電勢(shì)及補(bǔ)償不等位電勢(shì)及補(bǔ)償 23 (2)(2)溫度誤差及補(bǔ)償溫度誤差及補(bǔ)償 霍爾元件是半導(dǎo)體元件，它的許多參數(shù)與溫度有關(guān)?；魻栐前雽?dǎo)體元件，它的許多參數(shù)與溫度有關(guān)。 當(dāng)溫度當(dāng)溫度T T變化時(shí)，載流子濃度變化時(shí)，載流子濃度n n、遷移率、遷移率、電阻率、電阻率， 霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)R RH H 都會(huì)變化。以下是幾種補(bǔ)償方法： 都會(huì)變化。以下是幾種補(bǔ)償方法： 恒流源補(bǔ)償：恒流源補(bǔ)償： 由由 U UH H=K=KH HIB IB 可見(jiàn)恒流源供電可使可見(jiàn)恒流源供電可使U UH H穩(wěn)定但靈敏度系數(shù)穩(wěn)定但靈敏度系數(shù) K KH H = R = RH H/d = /d/d = /d也是溫度的函數(shù)：也是溫度的函數(shù)： 00 0 1()1 HtHH KKt tKT 24 (2)(2)溫度誤差及補(bǔ)償溫度誤差及補(bǔ)償 u具體補(bǔ)償方法具體補(bǔ)償方法: : 在霍爾元件上并聯(lián)在霍爾元件上并聯(lián)RpRp分流，分流， 當(dāng)當(dāng)T T增大時(shí)增大時(shí)RiRi增大增大U UH H 增大增大 I IH H 減小減小IpIp增大增大U UH H 下降，下降， Rp Rp 自動(dòng)加強(qiáng)分流，使自動(dòng)加強(qiáng)分流，使Ip Ip 增大增大 I IH H 下降下降U UH H下降下降, ,補(bǔ)償電阻補(bǔ)償電