磁電感應式傳感器的測量電路學習教案

1、會計學1磁電感應式傳感器的測量磁電感應式傳感器的測量(cling)電路電路第一頁，共48頁。一 、一 、 磁 電 感 應 式 傳 感 器 工 作磁 電 感 應 式 傳 感 器 工 作(gngzu)原理原理 BlvdtdxBldtde式中: B穩(wěn)恒均勻磁場的磁感應強度(qingd)；l導體有效長度；v導體相對磁場的運動速度。 第一節(jié)第一節(jié) 磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器 導體在穩(wěn)恒均勻(jnyn)磁場中運動N匝線圈處于變化的磁場中dtdNe兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。第1頁/共47頁第二頁，共48頁。開磁路變磁通式：這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，且因高速(o s)軸上加裝齒

2、輪較危險而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。 第2頁/共47頁第三頁，共48頁。閉磁路(c l)變磁通式：感應電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。 第3頁/共47頁第四頁，共48頁。恒定(hngdng)磁通動圈式磁電傳感器恒定(hngdng)磁通動鐵式磁電傳感器第4頁/共47頁第五頁，共48頁。二、二、 磁電感應式傳感器基本磁電感應式傳感器基本(jbn)特性特性fofoRRlNvBRREI式中： Rf測量電路輸入電阻； R線圈等效(dn xio)電阻。 傳感器的電流(dinli)靈敏度為 fooIRRlNBvISER傳感器IoRf第5頁/共47頁第六頁，共48頁。而傳感器的輸出(shch)電壓和電壓靈敏度分別為

3、ffofooRRlWvRBRIU相 對 誤 差(xin du w ch)為 RdRldlBdBSdSIIffooURRlWRBvUS第6頁/共47頁第七頁，共48頁。三、磁電感應式傳感器的測量三、磁電感應式傳感器的測量(cling)電路電路 磁 電 式傳 感 器量 程 選 擇前 置 放 大 積 分 電 路微 分 電 路主 放 大 器顯 示或記 錄SW第7頁/共47頁第八頁，共48頁。四、磁電感應式傳感器的應用四、磁電感應式傳感器的應用動圈式振動動圈式振動(zhndng)速度傳感器速度傳感器 1、芯軸、芯軸2、外殼、外殼3、彈簧片、彈簧片4、鋁支架、鋁支架(zhji)5、永久磁鐵、永久磁鐵6、線

4、圈、線圈7、阻尼環(huán)、阻尼環(huán)8、引線、引線第8頁/共47頁第九頁，共48頁。 一、霍爾效應一、霍爾效應(xioyng)(xioyng)和霍爾元件和霍爾元件的工作原理的工作原理 在半導體薄片在半導體薄片(bo pin)(bo pin)中通以電流中通以電流I,I,在與薄片在與薄片(bo pin)(bo pin)垂直方向加磁場垂直方向加磁場B B，則在半導體薄片，則在半導體薄片(bo (bo pin)pin)的另外兩端，產(chǎn)生一個大小與控制電流的另外兩端，產(chǎn)生一個大小與控制電流I I和和B B乘積成乘積成正比的電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。正比的電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。 1 1、霍爾效應、霍爾效應

5、(xioyng)(xioyng)第二節(jié)第二節(jié) 霍爾傳感器霍爾傳感器第9頁/共47頁第十頁，共48頁。2 2、霍爾元件的工作、霍爾元件的工作(gngzu)(gngzu)原理原理bUeeEFHHEBebUeHBeFLBbUHnedIBUHenbddtdQIpedIBUH第10頁/共47頁第十一頁，共48頁。3 3、霍爾系數(shù)、霍爾系數(shù)(xsh)(xsh)及靈及靈敏度敏度neRH1peRH1N N型霍爾系數(shù)型霍爾系數(shù)(xsh)(xsh)P P型霍爾系數(shù)型霍爾系數(shù)(xsh)(xsh)dIBRUHH霍爾系數(shù)由半導體材料性質(zhì)決定，且決定霍爾電勢的強弱?；魻栂禂?shù)由半導體材料性質(zhì)決定，且決定霍爾電勢的強弱?；魻?/p>

6、元件靈敏度（霍爾元件靈敏度（K KH H）：）：單位磁感應強度和單位控制電流單位磁感應強度和單位控制電流作用時，所能輸出的霍爾電勢的大小。作用時，所能輸出的霍爾電勢的大小。設(shè) KH=RH / d UH KH I B第11頁/共47頁第十二頁，共48頁。討論：為什么只能用半導體材料討論：為什么只能用半導體材料(cilio)作霍爾元件。作霍爾元件。 霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘的乘積。積。 若要霍爾效應強，則希望有較大的霍爾系數(shù)若要霍爾效應強，則希望有較大的霍爾系數(shù)RH，因此，因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。要求霍爾片材料

7、有較大的電阻率和載流子遷移率。 一般金一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很??；而絕緣材料屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很小；而絕緣材料(ju yun ci lio)電阻率極高，但載流子遷移率極低，故只有半電阻率極高，但載流子遷移率極低，故只有半導體材料才適于制造霍爾片。導體材料才適于制造霍爾片。 dIBUHen1ep1N N型材料型材料(cilio)(cilio)電電阻率阻率P P型材料電阻率型材料電阻率第12頁/共47頁第十三頁，共48頁?；魻柶骷?qjin)符號BHABCDABCDACD第13頁/共47頁第十四頁，共48頁。 二、霍爾元件二、霍爾元件(yunjin)(yunjin)的

8、主要技術(shù)參的主要技術(shù)參數(shù)數(shù)1、額定功耗P0: 霍爾元件在環(huán)境溫度T=250C時，允許(ynx)通過霍爾元件的電流和電壓的乘積。2、 輸入電阻和輸出電阻 Ri：激勵電極間的電阻值。 Ro：霍爾元件電極間的電阻。3、不等位電勢U0：在額定控制電流I下，不加磁場時，霍爾電極間的空載霍爾電勢。 霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上； 半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是(hu sh)幾何尺寸不均勻； 激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。 第14頁/共47頁第十五頁，共48頁。4、霍爾電勢溫度系數(shù)：在一定磁感應強度和激勵電流(dinli)下，溫度每變化1時，霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢

9、溫度系數(shù)。5、內(nèi)阻溫度系數(shù)：霍爾元件在無磁場及工作溫度范圍(fnwi)內(nèi)，溫度每變化1時，輸入電阻與輸出電阻變化的百分率。6、 額定激勵電流和最大允許激勵電流：當霍爾元件自身溫升10時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。 以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而線性增加，所以使用中希望選用盡可能大的激勵電流，因而需要知道元件的最大允許激勵電流。改善霍爾元件的散熱條件(tiojin)，可以使激勵電流增加。 第15頁/共47頁第十六頁，共48頁。7、寄生直流電勢 ：在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極輸出除了交流不平衡電勢外，還有一直流電勢，

10、稱為寄生直流電勢。 其產(chǎn)生的原因有： 激勵電極與霍爾電極接觸不良， 形成非歐姆接觸， 造成整流效果； 兩個霍爾電極大小(dxio)不對稱，則兩個電極點的熱容不同， 散熱狀態(tài)不同而形成極間溫差電勢。 寄生直流電勢一般在1mV以下，它是影響霍爾片溫漂的原因之一。 第16頁/共47頁第十七頁，共48頁。常常用用國國產(chǎn)產(chǎn)(guchn)霍霍爾爾元元件件的的技技術(shù)術(shù)參參數(shù)數(shù) 第17頁/共47頁第十八頁，共48頁。 三、霍爾元件測量三、霍爾元件測量(cling)(cling)電路和輸出電路和輸出電路電路UHRLBIEIHR1 1、基本、基本(jbn)(jbn)測量電路測量電路圖中控制電流I由電源E供給,R為

11、調(diào)節(jié)電阻,保證器件(qjin)內(nèi)所需控制電流I?；魻栞敵龆私迂撦dRL,RL可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場B垂直通過霍爾器件(qjin),在磁場與控制電流作用下，由負載上獲得電壓。實際使用時實際使用時, ,器件輸入信號可以是器件輸入信號可以是I I或或B B，或者，或者IBIB, ,而輸出可以而輸出可以正比于正比于I I或或B B, , 或者正比于其乘積或者正比于其乘積IBIB。第18頁/共47頁第十九頁，共48頁。2 2、霍爾電勢、霍爾電勢(dinsh)(dinsh)輸輸出電路出電路（1 1） 開關(guān)開關(guān)(kigun)(kigun)應用應用+15VH-15VR3R1R2R4第

12、19頁/共47頁第二十頁，共48頁?；魻栭_關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大BT整形地H第20頁/共47頁第二十一頁，共48頁。（2 2）線性應用）線性應用(yngyng)(yngyng)+15VH-15VR3R1R2R4Rf第21頁/共47頁第二十二頁，共48頁。集成線性傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H第22頁/共47頁第二十三頁，共48頁。 四、霍爾元件的測量誤差補償四、霍爾元件的測量誤差補償(bchng)(bchng)方法方法1 1、零位誤差及補償、零位誤差及補償(bchng)(bchng)方法方法零位誤差：霍爾元件在加控制電流但不加外磁

13、場時零位誤差：霍爾元件在加控制電流但不加外磁場時出現(xiàn)出現(xiàn)(chxin)(chxin)的霍爾電勢。主要為不等位電勢。的霍爾電勢。主要為不等位電勢。ACBID第23頁/共47頁第二十四頁，共48頁。Cr1r3r2r4DAB分析(fnx)不等位電勢時，可以把霍爾元件等效為一個電橋， 用分析(fnx)電橋平衡來補償不等位電勢。第24頁/共47頁第二十五頁，共48頁。RPRPRPRPR(a )(b )(c)(d )RPRPRPRPR(a)(b)(c)(d)RPRPRPRPR(a)(b)(c)(d)RPRPRPRPR(a)(b)(c)(d)第25頁/共47頁第二十六頁，共48頁。2 2、溫度誤差、溫度誤差

14、(wch)(wch)及補及補償方法償方法（a）RH與溫度與溫度(wnd)的關(guān)的關(guān)系系T/0246/710-3cmLnAs20015010050LnSbT/RH/cm2/A-1-1250200150100504080120160200LnSbLnAs0（b）與溫度與溫度(wnd)的關(guān)系的關(guān)系第26頁/共47頁第二十七頁，共48頁。（1 1）、利用輸出回路）、利用輸出回路(hul)(hul)并聯(lián)電阻進并聯(lián)電阻進行補償行補償?shù)?7頁/共47頁第二十八頁，共48頁。基本基本(jbn)電路電路等效電路等效電路（2 2）、利用輸入回路串聯(lián)電阻）、利用輸入回路串聯(lián)電阻(dinz)(dinz)進進行補償行補償

15、第28頁/共47頁第二十九頁，共48頁。實際實際(shj)補償電補償電路路第29頁/共47頁第三十頁，共48頁。1、測量(cling)磁場的大小和方向電位差計電位差計mAESNR霍耳磁敏傳感器測磁原理示意圖霍耳磁敏傳感器測磁原理示意圖 五、霍爾傳感器應用五、霍爾傳感器應用(yngyng)(yngyng)第30頁/共47頁第三十一頁，共48頁。2、 霍爾式微(shwi)位移傳感器霍 爾 元 件SNNSxxx霍 爾 元 件NSx霍 爾 元 件NSNSxxx( a )( b )( c )UH量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量。這種結(jié)構(gòu)(jigu)的傳感器， 其動態(tài)范圍可達5 mm，分辨

16、率為0.001mm。 第31頁/共47頁第三十二頁，共48頁?；?爾 元 件S NN Sxxx霍 爾 元 件NSx霍 爾 元 件NSNSxxx(a)(b)(c)霍 爾 元 件S NN Sxxx霍 爾 元 件NSx霍 爾 元 件NSNSxxx(a)(b)(c)第32頁/共47頁第三十三頁，共48頁。3、 霍爾式轉(zhuǎn)速(zhun s)傳感器1243(a)1243(b)12431234(c)(d)NSNSNSNSNSNSNS1輸入軸；2轉(zhuǎn)盤；3小磁鐵；4霍爾傳感器1243(a)1243(b)12431234(c)(d)NSNSNSNSNSNSNS1輸入軸；2轉(zhuǎn)盤；3小磁鐵；4霍爾傳感器1243(a)1

17、243(b)12431234(c)(d)NSNSNSNSNSNSNS1輸 入 軸 ；2轉(zhuǎn) 盤 ；3小 磁 鐵 ；4霍 爾 傳 感 器1243(a)1243(b)12431234(c)(d)NSNSNSNSNSNSNS1輸 入 軸 ；2轉(zhuǎn) 盤 ；3小 磁 鐵 ；4霍 爾 傳 感 器1243(a)1243(b)12431234(c)(d)NSNSNSNSNSNSNS1輸 入 軸 ；2轉(zhuǎn) 盤 ；3小 磁 鐵 ；4霍 爾 傳 感 器第33頁/共47頁第三十四頁，共48頁。4、 霍爾計數(shù)(j sh)裝置鋼 球絕 緣 板NS磁 鐵霍 爾 開 關(guān) 傳 感 器(a)AA741 12 VSL3051SR110

18、k22 C1R31 kR4470 kR5470 kVcc計數(shù)器V2N5812R211 k(b)第34頁/共47頁第三十五頁，共48頁。鋼球絕緣板NS磁鐵霍爾開關(guān)傳感器(a)AA74112 VSL3051SR110 k22 C1R31 kR4470 kR5470 kVcc計數(shù)器V2N5812R211 k(b)第35頁/共47頁第三十六頁，共48頁。5、汽車(qch)霍爾點火器第36頁/共47頁第三十七頁，共48頁。第三節(jié)第三節(jié) 磁敏傳感器磁敏傳感器 一、磁敏電阻器一、磁敏電阻器磁阻效應: 若給通以電流的金屬(jnsh)或半導體材料的薄片加以與電流垂直或平行的外磁場，則其電阻值就增加。稱此種現(xiàn)象為

19、磁致電阻變化效應，簡稱為磁阻效應。22000273. 0BB為磁感應強度為磁感應強度(qingd)；B材料在磁感應強度材料在磁感應強度(qingd)為時的電阻率；為時的電阻率；0 材料在磁感應強度材料在磁感應強度(qingd)為為0時的電阻率；時的電阻率；載流子的遷移率。載流子的遷移率。220273. 01BB第37頁/共47頁第三十八頁，共48頁。 二、磁敏二極管二、磁敏二極管1、結(jié)構(gòu)(jigu)PNIr 區(qū)+-簡寫為SMD。磁敏二極管的P型和N型電極由高阻材料制成，在P、N之間有一個較長的本征區(qū)I，本征區(qū)I的一面磨成光滑的復合表面(biomin)（為I區(qū)），另一面打毛，設(shè)置成高復合區(qū)（為r

20、區(qū)），其目的是因為電子-空穴對易于在粗糙表面(biomin)符合爾消失。當通以正向電流后就會在P、I、N結(jié)之間形成電流。磁敏二極管是PIN型。第38頁/共47頁第三十九頁，共48頁。I IPN2、工作(gngzu)原理H=0電子電子(dinz)(dinz)空穴空穴(kn (kn xu)xu)復合區(qū)復合區(qū)（1）當磁敏二極管未受到外界磁場作用時，外加正偏壓，則有大量的空穴從P區(qū)通過I區(qū)進入N區(qū)，同時也有大量的電子注入P區(qū)。形成電流。只有少量電子和空穴在I區(qū)復合。第39頁/共47頁第四十頁，共48頁。（2）當磁敏二極管受到外界磁場H+作用時電子、空穴(kn xu)受到洛侖茲力作用而向r區(qū)偏移，由于r區(qū)的電子、空穴(kn xu)復合率比光滑面I區(qū)快，因此形成的電流因復合速度而減小。H+I IPN第40頁/共47頁第四十一頁，共48頁。（3）當磁敏二極管受到外界磁場H-作用(zuyng)時電子、空穴受到洛侖茲力作用(zuyng)而向I區(qū)偏移，由于電子、空穴復合率明顯變小，則電流變大。H -I IPN第41頁/共47頁第四十二頁，共48頁。結(jié)論：隨著磁場大小和方向的變化，可產(chǎn)生正結(jié)論：隨著磁場大小和方向的變化，可產(chǎn)生正負輸出電壓的變化、特別是在較弱的磁場作用負輸出電