cP第四章ljppt課件

1、第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用第五節(jié)第五節(jié) 磁敏傳感器磁敏傳感器一、霍爾元件一、霍爾元件 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)將導(dǎo)電體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為將導(dǎo)電體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，的磁場(chǎng)中，如果在如果在a、b端通以電流端通以電流I，則在，則在c、d端就會(huì)出現(xiàn)電位差。端就會(huì)出現(xiàn)電位差。abcd 霍爾效應(yīng)原理：霍爾效應(yīng)原理：在磁感強(qiáng)度為在磁感強(qiáng)度為B B的磁場(chǎng)中，電荷為的磁場(chǎng)中，電荷為q q、運(yùn)動(dòng)速、運(yùn)動(dòng)速度為度為 的帶電粒子，所受的磁場(chǎng)力的帶電粒子，所受的磁場(chǎng)力洛侖茲力洛侖茲力，為，為 vsinBvqBvqFm第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用霍爾電勢(shì)霍爾電

2、勢(shì)U UH H為為sinIBKUHH霍爾常數(shù)霍爾常數(shù)磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度電流與磁場(chǎng)電流與磁場(chǎng)方向的夾角方向的夾角 霍爾元件一般由鍺霍爾元件一般由鍺(Ge)(Ge)、銻化銦、銻化銦(InSb)(InSb)等半導(dǎo)體材料制成。等半導(dǎo)體材料制成。霍爾元件霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。將霍爾片、由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。將霍爾片、穩(wěn)壓電源、溫度補(bǔ)償電路和信號(hào)處理電路集成在同一個(gè)芯片上，穩(wěn)壓電源、溫度補(bǔ)償電路和信號(hào)處理電路集成在同一個(gè)芯片上，即構(gòu)成線性霍爾傳感器。即構(gòu)成線性霍爾傳感器。 第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 霍爾傳感器有單端輸出和雙端輸出（差動(dòng)

3、輸出）兩種電路。霍爾傳感器有單端輸出和雙端輸出（差動(dòng)輸出）兩種電路。 開關(guān)型開關(guān)型霍爾傳感器：由霍爾傳感器：由霍爾元件、放大器、霍爾元件、放大器、施密特整形電施密特整形電路路和集電極開路輸出等部分組成。和集電極開路輸出等部分組成。第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用關(guān)于施密特觸發(fā)器關(guān)于施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器的工作特點(diǎn)：施密特觸發(fā)器的工作特點(diǎn)： 施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)器件，適用于緩慢變化的信號(hào)，施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)器件，適用于緩慢變化的信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到某一定電壓值時(shí)，輸出電壓會(huì)發(fā)生突變。當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到某一定電壓值時(shí)，輸出電壓會(huì)發(fā)生突變。 電路有兩個(gè)閾值電壓。電路有兩

4、個(gè)閾值電壓。 輸入信號(hào)增加和減少時(shí)，電路的閾輸入信號(hào)增加和減少時(shí)，電路的閾值電壓不同，電路具有如下圖所示的傳輸特性值電壓不同，電路具有如下圖所示的傳輸特性 。 o vI vO VOH VOL (a) VT+VT_ o vI vO1 VOH VOL (b) VT+VT_ 1 vovI 1 vovI第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用門電路組成的施密特觸發(fā)器門電路組成的施密特觸發(fā)器vI VT+VT_vO00tt0vIvOVT+VT_VDD(a) 工作波形工作波形(b) 傳輸特性曲線傳輸特性曲線 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI1第四章第四章 常用傳感器原理

5、及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用霍爾傳感器應(yīng)用霍爾傳感器應(yīng)用1）直流無(wú)刷電機(jī)的位置傳感器，檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，以直流無(wú)刷電機(jī)的位置傳感器，檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，以 實(shí)實(shí)現(xiàn)換向現(xiàn)換向霍 爾 元 件霍 爾 元 件H2面向轉(zhuǎn)面向轉(zhuǎn)子子N極方向極方向H2導(dǎo)導(dǎo)通 為通 為低 電低 電平平功率功率管管VT2導(dǎo)通導(dǎo)通繞組繞組W2通通過(guò)電流過(guò)電流IW2S轉(zhuǎn)子順時(shí)轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)針旋轉(zhuǎn)第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用2 2）測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)轉(zhuǎn)角第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用2 2）測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)轉(zhuǎn)角第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用3 3）電流傳感器電流傳感器/ /鉗形表鉗形表 當(dāng)

6、電流流過(guò)導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)大當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過(guò)小與流過(guò)導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過(guò)軟磁材料來(lái)聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)。軟磁材料來(lái)聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)。 第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用葉片和齒輪位置傳感器葉片和齒輪位置傳感器4）葉片和齒輪位置傳感器葉片和齒輪位置傳感器第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用5 5）汽車速度測(cè)量汽車速度測(cè)量第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用1 1一軸一軸 2 2一外殼一外殼 33電路電路 4 4一

7、定子一定子55線圈線圈 6 6一霍爾元件一霍爾元件 7 7一永磁轉(zhuǎn)子一永磁轉(zhuǎn)子6 6）電動(dòng)自行車電動(dòng)自行車/ /霍爾電機(jī)霍爾電機(jī)第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用7）鐵磁材料裂紋檢測(cè)鐵磁材料裂紋檢測(cè) NS第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用案例：案例：輸油管檢測(cè)用管道豬輸油管檢測(cè)用管道豬( (PiggingPigging) )第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用霍爾元件霍爾元件可以用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度、位移、力、速度、角度等。可以用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度、位移、力、速度、角度等。其特點(diǎn)是體積小、使用間便、無(wú)接觸測(cè)量，但受溫度影響較大，其特點(diǎn)是體積小、

8、使用間便、無(wú)接觸測(cè)量，但受溫度影響較大，在做精密測(cè)量時(shí)應(yīng)作溫度補(bǔ)償。在做精密測(cè)量時(shí)應(yīng)作溫度補(bǔ)償。二、磁敏電阻二、磁敏電阻 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)當(dāng)一載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中時(shí)，其電阻會(huì)隨磁當(dāng)一載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中時(shí)，其電阻會(huì)隨磁場(chǎng)而變化。磁敏電阻就是基于磁阻效應(yīng)工作的。場(chǎng)而變化。磁敏電阻就是基于磁阻效應(yīng)工作的。 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)是伴隨霍爾效應(yīng)同時(shí)發(fā)生的一種物理現(xiàn)象。運(yùn)動(dòng)是伴隨霍爾效應(yīng)同時(shí)發(fā)生的一種物理現(xiàn)象。運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到洛侖茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)后，其從一個(gè)電電荷在磁場(chǎng)中受到洛侖茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)后，其從一個(gè)電極到另一個(gè)電極所經(jīng)過(guò)的途徑，要比無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)所經(jīng)過(guò)的途極到另一個(gè)電極所經(jīng)過(guò)的途徑，要比無(wú)磁場(chǎng)

9、作用時(shí)所經(jīng)過(guò)的途徑長(zhǎng)些，因此增加了電阻率。徑長(zhǎng)些，因此增加了電阻率。 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)與半導(dǎo)體材料的遷移率，幾何形狀有關(guān)。一般遷與半導(dǎo)體材料的遷移率，幾何形狀有關(guān)。一般遷移率愈高，元件的長(zhǎng)寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大。移率愈高，元件的長(zhǎng)寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大。 制造磁敏電阻的材料：制造磁敏電阻的材料：銻化銦銻化銦(InSb),(InSb),砷化銦砷化銦(InAs)(InAs)等。等。第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 磁電阻測(cè)量實(shí)驗(yàn)磁電阻測(cè)量實(shí)驗(yàn)外接電阻外接電阻磁阻器磁阻器R12VNS 處于磁場(chǎng)中的磁阻器件和一個(gè)外接電阻串聯(lián)，接在恒流源的分處于磁場(chǎng)中的磁阻器件和一個(gè)外接電阻串聯(lián)，

10、接在恒流源的分壓電路中，通過(guò)對(duì)壓電路中，通過(guò)對(duì)R R的調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)磁阻器件中電流的大小，電的調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)磁阻器件中電流的大小，電壓表聯(lián)接壓表聯(lián)接1 1或或2 2可以分別監(jiān)測(cè)外接電阻的電壓和磁阻器件的電壓?？梢苑謩e監(jiān)測(cè)外接電阻的電壓和磁阻器件的電壓。 實(shí)用的磁敏電阻在無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的初始電阻值實(shí)用的磁敏電阻在無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的初始電阻值R R0 0可達(dá)幾百歐姆，可達(dá)幾百歐姆，在磁感應(yīng)強(qiáng)度在磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.0TB=1.0T時(shí)，其阻值時(shí)，其阻值R RB B與與R R0 0的比值可高達(dá)的比值可高達(dá)1212左右。左右。第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 磁敏電阻是兩端器件，使用方便，但受溫度影響

11、磁敏電阻是兩端器件，使用方便，但受溫度影響很大，制很大，制作工藝難度大，應(yīng)用受到限制。作工藝難度大，應(yīng)用受到限制。三、磁敏管三、磁敏管1 1 磁敏二極管磁敏二極管 （1 1）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)）磁敏二極管的結(jié)構(gòu) 有硅磁敏二級(jí)管和鍺磁敏二級(jí)管兩種。與普通二極管區(qū)別：普有硅磁敏二級(jí)管和鍺磁敏二級(jí)管兩種。與普通二極管區(qū)別：普通二極管通二極管PNPN結(jié)的基區(qū)很短，以避免載流子在基區(qū)里復(fù)合，磁敏二結(jié)的基區(qū)很短，以避免載流子在基區(qū)里復(fù)合，磁敏二級(jí)管的級(jí)管的PNPN結(jié)卻有很長(zhǎng)的基區(qū)，大于載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，但基區(qū)是結(jié)卻有很長(zhǎng)的基區(qū)，大于載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的。一般鍺磁敏二級(jí)管

12、用由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的。一般鍺磁敏二級(jí)管用=40cm=40cm左右的左右的P P型或型或N N型單晶做基區(qū)型單晶做基區(qū)( (鍺本征半導(dǎo)體的鍺本征半導(dǎo)體的=50cm)=50cm)，在它的兩端有，在它的兩端有P P型和型和N N型鍺，并引出，若型鍺，并引出，若代表長(zhǎng)代表長(zhǎng)基區(qū)，則其基區(qū)，則其PNPN結(jié)實(shí)際上是由結(jié)實(shí)際上是由P P結(jié)和結(jié)和N N結(jié)共同組成。結(jié)共同組成。 以以2ACM1A2ACM1A為例，磁敏二級(jí)管的結(jié)構(gòu)是為例，磁敏二級(jí)管的結(jié)構(gòu)是P P+ +ININ+ +型。型。第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用+（b）H+H-N+區(qū)p+區(qū)I區(qū)r區(qū)電流（a）磁敏二極管磁

13、敏二極管 (a)(a)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) (b)(b)電路符號(hào)電路符號(hào) 在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的P P型和型和N N型兩型兩個(gè)區(qū)域，并在本征區(qū)（個(gè)區(qū)域，并在本征區(qū)（I I）區(qū)的一個(gè)側(cè)面上，設(shè)置高復(fù)合區(qū)）區(qū)的一個(gè)側(cè)面上，設(shè)置高復(fù)合區(qū)( (利利用噴砂打毛，形成粗糙的表面，稱為用噴砂打毛，形成粗糙的表面，稱為r r面。由于粗糙的表面處容面。由于粗糙的表面處容易使電子易使電子空穴對(duì)復(fù)合而消失，故空穴對(duì)復(fù)合而消失，故r r面是高復(fù)合區(qū)，面是高復(fù)合區(qū)， 也稱為也稱為r r區(qū)區(qū)) )，而與，而與r r區(qū)相對(duì)的另一側(cè)面，保持為光滑無(wú)復(fù)合表面。這就區(qū)相對(duì)的另一側(cè)

14、面，保持為光滑無(wú)復(fù)合表面。這就構(gòu)成了磁敏二極管的管芯，其結(jié)構(gòu)如圖。構(gòu)成了磁敏二極管的管芯，其結(jié)構(gòu)如圖。第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用（2 2）磁敏二極管的工作原理）磁敏二極管的工作原理 磁敏二極管的工作原理PNPNPNH=0H+H-電流電流電流（a）（b）（c）III電子孔穴復(fù)合區(qū) 當(dāng)磁敏二極管外加正向當(dāng)磁敏二極管外加正向偏壓，偏壓，即即P P區(qū)接電源正極，將有大量空穴區(qū)接電源正極，將有大量空穴從從P P區(qū)注入到區(qū)注入到I I區(qū)。若將其放入磁區(qū)。若將其放入磁場(chǎng)中，則注入的空穴和電子都要場(chǎng)中，則注入的空穴和電子都要受到洛侖茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。受到洛侖茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)

15、。當(dāng)磁場(chǎng)方向使空穴，電子向當(dāng)磁場(chǎng)方向使空穴，電子向r r面面偏偏轉(zhuǎn)時(shí)，它們將大量復(fù)合，因而電轉(zhuǎn)時(shí)，它們將大量復(fù)合，因而電流很??；當(dāng)流很??；當(dāng)磁場(chǎng)方向使空穴，電磁場(chǎng)方向使空穴，電子向子向光滑面光滑面偏轉(zhuǎn)時(shí)，它們的復(fù)合偏轉(zhuǎn)時(shí)，它們的復(fù)合率變小，電流就大。故率變小，電流就大。故可根據(jù)某可根據(jù)某一偏壓下的電流值來(lái)確定磁感應(yīng)一偏壓下的電流值來(lái)確定磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和磁場(chǎng)方向。強(qiáng)度的大小和磁場(chǎng)方向。 當(dāng)磁敏二極管反向偏置時(shí)，在當(dāng)磁敏二極管反向偏置時(shí)，在r區(qū)僅流過(guò)很微小的電流，顯得區(qū)僅流過(guò)很微小的電流，顯得幾乎與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。因而二極管兩端電壓不會(huì)因受到磁場(chǎng)作用而有幾乎與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。因而二極管兩端電壓不會(huì)因受到磁場(chǎng)作用而有任何改變。任何改變。 第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常