傳感器原理與應(yīng)用_6_磁敏傳感器匯總

1、傳感器原理與應(yīng)用第六章磁敏傳感器分類利用磁電感應(yīng)原理的磁電感應(yīng)式傳感器。將運(yùn)動(dòng)速度、位移轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出。利川某些材料的磁電效應(yīng)做成的對(duì)磁場(chǎng)敏感的傳感器(磁敏傳感器)一磁電效應(yīng)主要有霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)其中霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的基礎(chǔ)。磁敏二極管(SMD)非重點(diǎn)5.1磁電感應(yīng)式傳感器Part.l原理磁電感應(yīng)式傳感器非重點(diǎn)-磁電感應(yīng)式傳感器是一種電動(dòng)式傳感器，也是一種典型的有源傳感器。特點(diǎn)：輸出功率大穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可簡(jiǎn)化二次儀表工作時(shí)不需要外加電源，可直接將被測(cè)物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)換 為電量輸出工作頻率為10500Hz,適合做機(jī)械振動(dòng)測(cè)量和轉(zhuǎn)速測(cè)量。缺點(diǎn)：尺寸較大、較重頻率響應(yīng)低非重點(diǎn)工作

2、原理-磁電感應(yīng)式傳感器利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)在導(dǎo) 體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知:“導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁力線”。L閉合線圈的磁通發(fā)生變化”時(shí)，在導(dǎo)體兩端或線圈內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的大小與穿過線圈的磁通變化率有關(guān)。-當(dāng)導(dǎo)體在均勻磁場(chǎng)中，沿垂直 磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生 的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：e N dt發(fā)電機(jī)恒磁通式非重點(diǎn)-磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，工作間隙中的磁通也保持恒定 不變，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由線圈相對(duì)永久磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)切割磁力線而產(chǎn)生的。永久感鐵動(dòng)圈式超電傳感器原理圖動(dòng)伙式破電傳感黑原理圖二永磁鐵與傳感器殼體固定，線圈相對(duì)于傳感器殼體運(yùn)動(dòng)，稱為動(dòng)圈式?？诰€圈組件與傳感器殼

3、體固定，永磁鐵相對(duì)于傳感器殼體運(yùn)動(dòng)，稱為動(dòng)鐵式。非重點(diǎn)工作原理-動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式的工作原理相同。-若線圈和磁鐵有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與 磁場(chǎng)強(qiáng)度、線圈導(dǎo)體長(zhǎng)度、線圈匝數(shù)以及線圈切割磁力線 的速度成比例關(guān)系，具體為：非重點(diǎn)變磁通式-對(duì)于變磁通式磁電傳感器，線圈和磁鐵都靜止不動(dòng)，感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)是由變化的磁通產(chǎn)生的。由導(dǎo)磁材料組件構(gòu)成的被 測(cè)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，比如轉(zhuǎn)動(dòng)物體引起磁阻變化，使穿過線圈的 磁通量變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，所以這種傳感器也成為變磁阻式。(b)、永久磁鐵faj開磁路(b)閉磁路磁電感應(yīng)式傳感器的基本特征電動(dòng)勢(shì)磁電感應(yīng)傳感器的靈敏度特性曲線在理論上應(yīng)該是 一條直線，而實(shí)

4、際的靈敏度特性是非線性關(guān)系的。圖6 4電動(dòng)式磁電感應(yīng)式傳感 器的靈敏度特性當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度WVa時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度太小, 不足以克服構(gòu)件內(nèi)的靜摩擦力，因 此沒有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出；當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度VVa時(shí)，傳感器才能克 服靜摩擦力開詔做相對(duì)運(yùn)動(dòng)：當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度VVa時(shí)，慣性太大，超 過了傳感器的彈性形變范圍，輸出 曲線開始福曲。J傳感器運(yùn)動(dòng)速度通常工作在（Vb，Vj 范圍之間，保證有足夠的線性范甯。電流靈敏度：非重點(diǎn)-電流靈敏度是單位速度引起的輸出電流變化，為：S,/ V電壓靈敏度：電壓靈敏度是單位速度引起的輸出電壓變化，為：V提高靈敏度的方法：可以增大磁場(chǎng)強(qiáng)度B、每匝線圈的長(zhǎng)度I和線圈匝數(shù)N。-同時(shí)需要綜合考慮傳感器

5、的材料、體積、重量、內(nèi)阻和工作頻率。-磁電感應(yīng)式傳感器可直接輸出感應(yīng)電勢(shì)，而且具有較高的 靈敏度，對(duì)測(cè)量電路無特殊要求。磁電感應(yīng)式傳感器的輸出信號(hào)直接經(jīng)主放大器輸出，該信號(hào)與速度成 正比；-前置放大器分別接積分電路和微分電路接積分電路時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的輸出正比于位移信號(hào)；接微分電路時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的輸出正比于加速度信號(hào)。非重點(diǎn)5.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用非重點(diǎn)特點(diǎn)：是一種典型的慣性傳感器不需要靜止的基準(zhǔn)參考信號(hào)，可直接安裝在被測(cè)物是一種典型的發(fā)電型傳感器，工作時(shí)可不加電壓， 直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出電動(dòng)式磁電傳感器從根本上講是速度傳感器磁電傳感器輸出阻抗低，通常為幾十幾千歐姆，

6、 對(duì)后繼電路要求低，干擾小通常用來做機(jī)械振動(dòng)測(cè)量CD1型振動(dòng)速度傳感器非重點(diǎn)磁電式扭矩傳感器I非重點(diǎn)做電傳感器 aa 點(diǎn)電傳感器小測(cè)量?jī)x表圖 磁電式扭矩傳感器工作原理圖5.2 霍爾傳感器Parti原理霍爾傳感器霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器,是把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的磁敏傳感器。發(fā)展歷程1879年，美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但由 于金屈材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開始使用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，由于它 的霍爾效應(yīng)顯著而得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，堅(jiān)固，頻率響應(yīng)寬（從直流到微波），動(dòng)態(tài)范圍大（輸出電動(dòng)勢(shì)變化），u非接觸、使

7、用壽命長(zhǎng)、可靠性高、易于微型化和集成化。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換率較低、溫度影響大、要求轉(zhuǎn)換精度較高時(shí)需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償?；魻栃?yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中（若磁場(chǎng)垂直于薄 片），當(dāng)有電流I流經(jīng)時(shí)（若I與B正交），在垂直于電流I和磁場(chǎng)B的方 向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)U這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。把一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng),寬度為b,厚度為d的導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片兩端通以控 制電流I,在薄片的垂直方向上施加磁感強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，在薄片的另 外兩側(cè)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與控制電流I和磁場(chǎng)強(qiáng)度B的乘積成比例的感應(yīng)電 動(dòng)勢(shì)Uh。-并設(shè)其正電荷所受洛倫茨力方向?yàn)檎?，則電子所受的洛倫 茲力可表示為：fL = -evBe:電子電量 v:運(yùn)動(dòng)速度

8、 B:磁場(chǎng)強(qiáng)度霍爾電場(chǎng)作用于電子的力fE可表示為:fE = （一6）（一 J ） = 6Eh表示電場(chǎng)方向與規(guī)定正方向相反（單位V/m）-當(dāng)達(dá)到動(dòng)平衡后，二力的代數(shù)和為零Eh=vBUH = vBb對(duì)于n型半導(dǎo)體，電流強(qiáng)度I可以表示為:I = /= = 進(jìn)而得到：IV =nebd可以推出:Uhnedj表示電流密度（A/m2）n表示單位體積內(nèi)的電子數(shù)，負(fù)號(hào)表示電子運(yùn)動(dòng)方向與電流方向相反。s表示霍爾元件的截面積（m2）d表示霍爾元件的厚度（m）霍爾電動(dòng)勢(shì)U巴與控制電流I和磁場(chǎng)強(qiáng)度B的乘積成比例霍爾系數(shù)-設(shè)=-,將相應(yīng)公式改寫為： ne力=-陽田Rh稱為霍爾系數(shù)，其大小反映出霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。-考慮電阻率

9、的表達(dá)式為：夕=一,可以得到：ne/d|p表示材料的電阻率（Qm）Rh = PNp表示載流子的遷移率（m2/sV）即單位電場(chǎng)作用下我流子的運(yùn)動(dòng)速度般情況卜.，電子的遷移率要大于空穴的遷移率,因此制成霍爾元件時(shí)多采用N型半導(dǎo)體材料。靈敏度 Kh稱為元件的靈敏度，它表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單 位控制電流作用下霍爾電勢(shì)的大小，單位是（mV/mAT）關(guān)于靈敏度的理解k 由于金屬的電子濃度很高，所以它的霍爾系數(shù)或靈敏度都很小，因此不適于制作霍爾元件。 元件的厚度d越小，靈敏度越高，因此制作霍爾片時(shí)可以采用減小d 的方法來增加靈敏度，但是不能認(rèn)為d越小越好，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致元 件的輸入和輸出電阻增加。磁

10、場(chǎng)與霍爾元件平面呈現(xiàn)夾角-當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾片平面法線n成角度6時(shí)，此時(shí)實(shí)際作 用于霍爾片的有效磁場(chǎng)使其法線方向的分量，EPB-COS0,其 霍爾電勢(shì)為：UH =KhIBcosO I分析交變的電場(chǎng)使用控制電壓代替控制電流P =電阻率公式ne/dI=倍）也演= p 口口 IUh = / EBS八與LR”5.2霍爾傳感器Part.2霍爾敏感元件霍爾元件的結(jié)構(gòu)-霍爾元件外形為矩形薄片，有四根引線，兩端加激勵(lì)電流,稱為激勵(lì)電極。另外兩端為輸出引線，稱為霍爾電極，外面用陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。金屬薄片圖8座爾臬成電路的構(gòu)造霍爾元件的主要特性參數(shù)非重點(diǎn)輸入電阻用和輸出電阻定義霍爾元件激勵(lì)電極之間的電阻稱為輸

11、入電阻國(guó)?；魻栐幕魻栯姌O輸出的是霍爾電勢(shì)，對(duì)外它是一個(gè) 等效的電壓源，這就需要知道霍爾電極之間的電阻，這 個(gè)電阻稱為輸出電阻兒。額定控制電流I和最大允許控制電流Imax霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10的溫升時(shí)，所施加的控制電 流稱為額定控制電流卜。以元件允許的最大溫升為限制，所對(duì)應(yīng)的控制電流稱為 最大允許控制電流Imax?；魻栐闹饕匦詤?shù)-續(xù) I非重點(diǎn)I 不等位電勢(shì)U。和不等位電阻r0 霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)。在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下，溫度每變化1時(shí), 霍爾電勢(shì)變化的百分率，稱為霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)a。霍爾靈敏系數(shù)9在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度作用下，霍爾器件輸 出端的開路電壓，稱為霍爾靈敏系數(shù)

12、仆，霍爾靈敏系數(shù) %的單位為V/(AT)。它反映了霍爾元件本身所具有的磁電轉(zhuǎn)換能力，一般希 望他越大越好。霍爾傳感器的測(cè)量電路 基本測(cè)量電路控制電流I由電壓源日共給。J L 虹，箕R是調(diào)節(jié)電阻，用以根據(jù)需求一Y1調(diào)節(jié)的大小。4霍爾電勢(shì)輸出的負(fù)載電阻Rl， 111可以是放大器的輸入電阻或表 e頭的內(nèi)阻等。施加的外磁場(chǎng)B一般與霍爾元件的平面垂直?？刂齐娏骺梢允墙涣鳌Ｓ捎诮⒒魻栃?yīng)所需的時(shí)間短， 所以控制電流的頻率可高達(dá)109Hz輸出電路 在直流激勵(lì)電流情況下，為了獲得較大的霍爾電壓，可將 幾塊霍爾元件的輸出電壓串聯(lián)，如左圖所示。 在交流激勵(lì)電流情況下，幾塊霍爾元件的輸出可通過變壓 器接成如右圖的

13、形式，以增加霍爾電壓或輸出功率。由溫度造成的誤差非重點(diǎn) 霍爾元件對(duì)溫度的變化很敏感，因此，霍爾元件的輸入電 阻、輸出電阻、乘積靈敏度等將受到溫度變化的影響，從 而給測(cè)量帶來較大誤差。-為了減少測(cè)量中的溫度誤差，選用溫度系數(shù)較小的霍爾元件 或采用一些恒溫措施外，還可以使用一些電路溫度補(bǔ)償方法。非重點(diǎn)采用熱敏元件對(duì)于由溫度系數(shù)較大的半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件，采用 溫度補(bǔ)償電路，圖中凡是熱敏元件（熱電阻or熱敏電阻）左圖在輸入回路中進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐?，?dāng)溫度變化時(shí)，用Rt的變化來抵 消霍爾元件的乘積靈敏度Kh和輸入電阻R1變化對(duì)霍爾輸出電勢(shì)Uh的影響。右圖在輸出回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐罚?dāng)溫度變化時(shí)，

14、用Rl的變化來抵消 霍爾輸出電勢(shì)Uh和輸出電阻R。變化對(duì)負(fù)載電阻Rl上的電壓Ul的影響。不等位電勢(shì)的補(bǔ)償I非重點(diǎn)I-不等位電勢(shì)當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為額定值小時(shí)，若元件所處位置的磁感成強(qiáng) 度為零，則它的霍爾電勢(shì)應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零，這時(shí)測(cè)得的空 載霍爾電勢(shì)稱為不等位電勢(shì)。產(chǎn)生原因不等位電勢(shì)是由于兩個(gè)霍爾電極安裝時(shí)不在同一個(gè)電位面上所致。2Ino :0；, U 01 P11不等位電阻：不等位電勢(shì)是由于霍爾電極2和2之間的電阻為不等位電阻。非重點(diǎn)一個(gè)矩形霍爾片有兩個(gè)電極，各 個(gè)電極之間有4個(gè)電阻R1，R2, 1%，R4，因而可以把霍爾元件視 為一個(gè)4臂電阻電橋。-o21rr圖77霍爾元件的等效電路

15、6C國(guó)7-8也勢(shì)的補(bǔ)償電路- 這樣不等位電勢(shì)就相當(dāng)于電橋的初始不平衡輸出電壓。- 理想狀況下，不等位電勢(shì)為0,即電橋平衡。非重點(diǎn)- 所有能夠使電橋達(dá)到平衡的方法均可以用作補(bǔ)償不等位電 勢(shì)，使不等位電勢(shì)為0。圖7-9 不對(duì)稱電勢(shì)的基本補(bǔ)償電路 (a)不對(duì)稱補(bǔ)償電路；(b)對(duì)稱補(bǔ)供電路5.2霍爾傳感器Part.3集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器將霍爾敏感元件、放大電路、校正電路、溫度補(bǔ)償電路以及激勵(lì)源（比如給霍爾敏感元件供電的恒流源）全部集成在一片芯片上，構(gòu)成集成霍爾傳感器。根據(jù)霍爾敏感材料的特性不同，可以分成兩大類:線性測(cè)量型開關(guān)型GaAs （種化線 InSb （錨化鈿）J線性 度裔線性集成霍爾傳感

16、器是把霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。 其輸出信號(hào)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成比例。通常由霍爾元件、差分放大、射極跟隨 輸出及穩(wěn)壓四部分組成。級(jí)性型宗爾器件示然圖檜徐源UGN 33OIT第一級(jí)差分放大第二級(jí)差分放大HL1.1型線性集成出爾傳感器外接 射級(jí)電阻達(dá)林頓管開關(guān)型集成霍爾傳感器霍爾開關(guān)集成傳感器是一種雙穩(wěn)態(tài)型傳感器.乂稱為鎖鍵型傳感器。 當(dāng)外加磁感應(yīng)強(qiáng)度超過工作點(diǎn)小J,其輸出為導(dǎo)通狀態(tài)。而在磁場(chǎng)撤銷后， 輸出仍保持不變，必須施加反向磁場(chǎng)并使之超過釋放點(diǎn)，這樣才能使其關(guān) 斷。(V)粒壓源開關(guān)型霍爾案件示意圖VoutoVccGND典型的霍爾開關(guān)集成傳感器型號(hào)HAL1881,HAL732,HAL41

17、F, I HAL51312OFF霍爾開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線5.2霍爾傳感器Part.4霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用電路歸納起來，霍爾傳感器有三個(gè)方面的用途：當(dāng)控制電流不變時(shí)，使傳感器處于非均勻磁場(chǎng)中，則傳感器 的霍爾電勢(shì)正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度，利用這一關(guān)系可反映位置、 角度或勵(lì)磁電流的變化。當(dāng)控制電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度皆為變量時(shí)，傳感器的輸出與這兩 者乘積成正比。在這方面的應(yīng)用有乘法器、功率計(jì)以及除法、倒數(shù)、開方等運(yùn) 算器，此外，也可用于混頻、調(diào)制、解調(diào)等環(huán)節(jié)中，但由于霍爾元件 變換頻率低，溫度影響較顯著等缺點(diǎn)，在這方面的應(yīng)用受到一 定的限制，這有待于元件的材料、工藝等方面的改進(jìn)或電路上 的補(bǔ)償措施。若保持磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定不變，則利用霍爾電