GOpapershit.pot_PowerPoint演示文稿_chenwp 3510463

1、磁場的分類方法地 磁 場生物磁場靜 磁 場脈沖磁場交流磁場直流磁場電 磁 波時間頻率微波磁場電 磁 鐵超導磁體螺 線 管裝置鐵芯線圈材料電 磁 場原子磁矩人造磁場自然磁場 電 流 人造磁鐵天然磁鐵磁場相對測量 磁場線圈方法電磁感應方法發(fā)電機方法B0U(t)線圈匝數(shù)：N；線圈截面積：A；角速度： 0( )sintB NAt00d( ) cos cosB NAUU tdttt當角速度 0時，磁通變化可以通過線圈移動或者轉(zhuǎn)動180實現(xiàn)。磁場相對測量 磁場傳感器方法磁電效應方法磁光效應方法磁熱效應方法Hall磁場傳感器：Hall效應；MR磁場傳感器：各種MR效應；磁光？磁熱？( , , )( , ,

2、)WH t P TB t P T注：廣義地，所有磁場測量方法都是通過具有感應磁場能力的裝置完成的，因此也都可以稱為磁場傳感器。以某種方式對磁場敏感的器件WH(t, P, T)，使得線性關系成立 半導體傳感器 磁敏式傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為體型和結(jié)型兩大類，前者有霍爾傳感器，其材料主要有InSbInAs，Ge，Si，GaAs等和磁敏電阻(InSb，InAs)；后者有磁敏二極管(Ge,Si)、磁敏晶體管(Si)。磁敏傳感器的應用范圍可分為模擬用途和數(shù)字用途兩種。例如利用霍爾傳感器測量磁場強度，用磁敏電阻、磁敏二極管作無接觸式開關等。3.1.1 霍爾傳感器 霍爾傳感器是利用霍爾效應實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感

3、器，有普通型、高靈敏度型、低溫度系數(shù)型、測溫測磁型和開關式的霍爾元件。由于霍爾傳感器具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特件應用于非電量測量、自動控制、計算機裝置和現(xiàn)代軍事技術等各個領域。3.1 磁敏式傳感器 1霍爾效應 長為L、寬為b、厚為d的導體（或半導體）薄片，被置于磁感應強度為B的磁場中（平面與磁場垂直），在與磁場方向正交的兩邊通以控制電流 I，則在導體另外兩邊將產(chǎn)生一個大小與控制電流 I 和磁感應強度 B 乘積成正比的電勢UH，且UHKHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度。這一現(xiàn)象稱為霍爾效應，該電勢稱為霍爾電勢，導體薄片就是霍爾元件。 2工作原理 霍爾效應是導體中自由電

4、荷受洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。設霍爾元件為N型半導體，當它通以電流 I 時，半導體中的電子受到磁場中洛侖茲力FL的作用，其大小為式中為電子速度，B 為垂直于霍爾元件表面的磁感應強度。在 FL 的作用下，電子向垂直于 B 和的方向偏移，在器件的某一端積聚負電荷，另一端面則為正電荷積聚。BeFL 一、霍爾元件的工作原理2007IHUI電荷的聚積必將產(chǎn)生靜電場，即為霍爾電場，該靜電場對電子的作用力為FE與洛侖茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為式中EH為霍爾電場，e為電子電量，UH為霍爾電勢。當FL = FE時，電子的積累達到動平衡，即bUeBeH 所以 。設流過霍爾元件的電流為 I 時，)( e

5、nbddtdQI 式中bd為與電流方向垂直的截面積，n 為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)(載流子濃度)。則nedIBUH bUeeEFHHE bUeBeH BbUH 令 則neRH1 dIBRUHH KH為霍爾元件的靈敏度。 由上述討論可知，霍爾元件的靈敏度不僅與元件材料的霍爾系數(shù)有關，還與霍爾元件的幾何尺寸有關。一般要求霍爾元件靈敏度越大越好，霍爾元件靈敏度的公式可知，霍爾元件的厚度d與KH成反比。RH則被定義為霍爾傳感器的霍爾系數(shù)。由于金屬導體內(nèi)的載流子濃度大于半導體內(nèi)的載流子濃度，所以，半導體霍爾系數(shù)大于導體。 3霍爾系數(shù)及靈敏度dRKHH IBKUHH 令 則 二、霍爾元件的主要技術參數(shù) 1額定

6、功耗P0 霍爾元件在環(huán)境溫度T25時，允許通過霍爾元件的控制電流 I 和工作電壓 V 的乘積即為額定功耗。一般可分為最小、典型、最大三檔，單位為mw。當供給霍爾元件的電壓確定后，根據(jù)額定功耗可以知道額定控制電流 I 。有些產(chǎn)品提供額定控制電流和電壓，不給出額定功耗。 2輸入電阻Ri和輸出電阻R0 Ri是指流過控制電流的電極（簡稱控制電極）間的電阻值，R0是指霍爾元件的霍爾電勢輸出電極（簡稱霍爾電極）間的電阻，單位為?？梢栽跓o磁場即B0時，用歐姆表等測量。 2007 3不平衡電勢U0 在額定控制電流 I 之下，不加磁場時，霍爾電極間的空載霍爾電勢稱為不平衡(不等)電勢，單位為mV。不平衡電勢和額

7、定控制電流 I 之比為不平衡電阻r0。 4霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定的磁感應強度和控制電流下，溫度變化1時，霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數(shù)，單位為1。 5內(nèi)阻溫度系數(shù) 霍爾元件在無磁場及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1時，輸入電阻只Ri與輸出電阻R0變化的百分率稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)，單位為1。一般取不同溫度時的平均值。 6靈敏度KH 其定義向前述。有時某些產(chǎn)品給出無負載時靈敏度（在某一控制電流和一定強度磁場中、霍爾電極間開路時元件的靈敏度）。2007三、霍爾元件連接方式和輸出電路 1基本測量電路 控制電流I由電源E供給，電位器W調(diào)節(jié)控制電流I的大小。霍爾元件輸出接負載電阻RL，RL可以是放大器

8、的輸入電阻或測量儀表的內(nèi)阻。由于霍爾元件必須在磁場與控制電流作用下，才會產(chǎn)生霍爾電勢UH，所以在測量中，可以把 I 與 B 的乘積、或者 I，或者 B 作為輸入情號，則霍爾元件的輸出電勢分別正比于 IB 或 I 或 B。 2連接方式 為了獲得較大的霍爾輸出電勢，可以采用幾片疊加的連接方式。下圖(a)為直流供電，控制電流端并聯(lián)輸出串聯(lián)。下圖(b)為交流供電，控制電流端串聯(lián)變壓器疊加輸出。2007 3霍爾電勢的輸出電路 霍爾器件是一種四端器件，本身不帶放大器?；魻栯妱菀话阍诤练考?，實際使用中必須加差分放大器?；魻栐篌w分為線性測量和開關狀態(tài)兩種使用方式，因此，輸出電路有如右圖所示兩種結(jié)構(gòu)。當霍

9、爾元件作線性測量時，最好選用靈敏度低一點、不平衡電勢U0小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。2007 例如，選用KH5mV/mAkGs，控制電流為5mA的霍爾元件作線性測量元件測量1Gs10kGs的磁場，則霍爾器件最低輸出電勢UH為 UH5mV/mAkGs5mA10-3kGs25V最大輸出電勢為 UH5mV/mAkGs5mA10kGs250mV故要選擇低噪聲、低漂移的放大器作為前級放大。當霍爾元件作開關使用時，要選擇靈敏度高的霍爾器件。例如，KH20mV/mAkGs，如果控制電流為2mA，施加一個300Gs的磁場，則輸出霍爾電勢為 UH20mV/mAkGs2mA300G s120mV這時選用一般

10、的放大器即可滿足。20072007單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675 雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖 3020T輸出輸出VoutR=2k+12V123（b）應用電路）應用電路 （a）外型）外型 霍耳開關集成傳感器的外型及應用電路霍耳開關集成傳感器的外型及應用電路123四、霍爾元件的測量誤差和補償方法 霍爾元件在實際應用時，存在多種因素影響其測量精度，造成測量誤差的主要因素有兩類：一類是半導體固有特性；另一類為半導體制造工藝的缺陷。其表現(xiàn)為零位誤差和溫度引起的誤差。 1零位誤差及補償方法 零位誤差是霍爾元件在加控制電流而不加外磁場

11、時，而出現(xiàn)的霍爾電勢稱為零位誤差。不平衡電勢U0是主要的零位誤差。因為在工藝上難以保證霍爾元件兩側(cè)的電極焊接在同一等電位面上。如下圖(a)所示。當控制電流I流過時，即使末加外磁場，A、B兩電極此時仍存在電位差，此電位差被稱為不等位電勢（不平衡電勢）U0。2007 下圖給出幾種常用的補償方法。為了消除不等位電勢，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻，如下圖(a)所示，或在兩個橋臂上同時并聯(lián)如下圖(b)、(c)所示的電阻。 2溫度誤差及其補償 由于載流子濃度等隨溫度變化而變化，因此會導致霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電勢等也隨溫度變化而變化。這種變化程度隨不同半導體材料有所不同。而且溫度高到一定程度，產(chǎn)生的變化相當

12、大。溫度誤差是霍爾元件測量中不可忽視的誤差。針對溫度變化導致內(nèi)阻(輸入、輸出電阻)的變化，可以采用對輸入或輸出電路的電阻進行補償。 (1)利用輸出回路并聯(lián)電阻進行補償 在輸入控制電流恒定的情況下，如果輸出電阻隨溫度增加而增大，霍爾電勢增加；若在輸出端并聯(lián)一個補償電阻RL，則通過霍爾元件輸出電阻輸出電阻（內(nèi)阻）R0的電流增大，內(nèi)阻壓降亦增大增大，輸出電壓將會減小。只要適當選據(jù)補償電阻RL，就可達到補償?shù)哪康摹?007 在溫度影響下，元件的輸出電阻從Rt0變到Rt，輸出電阻Rt和電勢UHt應為 RtRt0 (1+t) ； UHtUHt0 (1+t)式中、為霍爾元件的輸出電勢UHt和輸出電阻Rt的溫

13、度系數(shù)。此時RL上的電壓則為LtLHtLtRtRtRUU )1()1(00 補償電阻RL上電壓隨溫度變化最小的條件為 00tLLtRRdtdU 因此當知道霍爾元件的、及Rt0時，便可以計算出能實現(xiàn)溫度補償?shù)碾娮鑂L的值。 因該指出，這種補償方法，不能完全消除溫度誤差。 (2)利用輸入回路的串聯(lián)電阻進行補償 霍爾元件的控制回路用穩(wěn)壓電源E供電，其輸出端處于開路工作狀態(tài)，當輸入回路串聯(lián)適當?shù)碾娮鑂時，霍爾電勢隨溫度的變化可得到補償。3.1.2 磁敏電阻器 磁敏電阻器是基于磁阻效應的磁敏元件。磁敏電阻的應用范圍比較廣，可以利用它制成磁場探測儀、位移和角度檢測器、安培計以及磁敏交流放大器等。一、磁阻效

14、應 當一載流導體置于磁場中，其電阻會隨磁場而變化，這種現(xiàn)象被稱為磁阻效應。當溫度恒定時，在磁場內(nèi)，磁阻與磁感應強度 B 的平方成正比。如果器件只有在電子參與導電的簡單情況下，理論推導出來的磁阻效應方程為 式中 B 磁感應強度為B時的電阻率； 0 零磁場下的電阻率； 電子遷移率； B 磁感應強度。)273. 01(220BB 2007當電阻率變化為B -0時，則電阻率的相對變化為： /0 = 0.2732B2 = K2B2。由此可知，磁場一定時遷移率越高的材料（如InSb、InAs和NiSb等半導體材料），其磁阻效應越明顯。二、磁敏電阻的結(jié)構(gòu) 磁敏電阻通常使用兩種方法來制作：一種是在較長的元件片

15、上用真空鍍膜方法制成，如右圖(a)所示的許多短路電極(光柵狀)的元件；另一種是在結(jié)晶制作過程中有方向性地析出金屬而制成磁敏電阻，如上圖(b)所示。除此之外，還有圓盤形，中心和邊緣處各有一電極，如上圖(c)所示。磁敏電阻大多制成圓盤結(jié)構(gòu)。 磁阻效應除了與材料有關外，還與磁敏電阻的形狀有關。若考慮其形狀的影響。電阻率的相對變化與磁感應強度和遷移率的關系可表達為式中：L、b分別為電阻的長和寬； f(L/b)為形狀效應系數(shù)。在恒定磁感應強度下，其長度L與寬度b比越小，則/0越大。 bLfBK1)(20 bLf2007 各種形狀的磁敏電阻，其磁阻與磁感應強度的關系如右圖所示。由圖可見，圓盤形樣品的磁阻最

16、大。 磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度影響較大；因此，使用磁敏電阻時必須首先了解如下圖所示的持性曲線。然后，確定溫度補償方案。3.1.3 磁敏二極管和磁敏三極管 霍爾元件和磁敏電阻均是用N型半導體材料制成的體型元件。磁敏二極管和磁敏三極管是PN結(jié)型的磁電轉(zhuǎn)換元件，它們具有輸出信號大、靈敏度高、工作電流小和體積小等特點，它們比較適合磁場、轉(zhuǎn)速、探傷等方面的檢測和控制。 一、磁敏二根管的結(jié)構(gòu)和工作原理 1結(jié)構(gòu) 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(為I區(qū))，另一回打毛，設置成高復合區(qū)(為r區(qū))，其目的是因為電子 空穴對

17、易于在粗糙表面復合而消失。當通過正向電流后就會在P、I、N結(jié)之間形成電流。由此可知，磁敏二極管是PIN型的。2007 當磁敏二極管末受到外界磁場作用時，外加如下圖(a)所示的正偏壓，則有大量的空穴從r區(qū)通過I區(qū)進入N區(qū)，同時也有大量電子注入P區(qū)而形成電流。只有少量電子和空穴在I區(qū)復合掉。當磁敏二極管受到如下圖 (b)所示的外界磁場H+(正向磁場)作用時，則電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，由于r區(qū)的電子和空穴復合速度比光滑面I區(qū)快，因此，形成的電流因復合速度加快而減小。磁場強度越強，電子和空穴受到洛侖茲力就越大，單位時間內(nèi)進入由于r區(qū)而復合的電子和空穴數(shù)量就越多，載流子減少，外電路的電

18、流越小。 當磁敏二極管受到如右圖(b)所示的外界磁場片H- (反向磁場)作用時，則電子和空穴受到洛侖茲力作用而向I區(qū)偏移，由于電子、空穴復合率明顯變小，則外電路的電流變大。 利用磁敏二極管的正向?qū)娏麟S磁場強度的變化而變化的特性，即可實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。2007 3磁敏二極管的主要特性 (1)磁電待性 在給定條件下，磁敏二極管輸出的電壓變化與外加磁場的關系稱為磁敏二極管的磁電持性。 磁敏二極管通常有單只和互補兩種使用方式。它們的磁電特性如下圖所示。出圖可知，單只使用時，正向磁靈敏度大于反向；互補使用時，正、反向磁靈敏度曲線對稱，且在弱磁場下有較好的線性。2007 (2)伏安特性 磁敏二極管正向偏壓

19、和通過電流的關系被稱為磁敏二極管的伏安特性，如圖所示。從圖可知，磁敏二極管在不同磁場強度H下的作用，其伏安特性將是不一樣。圖 (a)為鍺磁敏二極管的伏安特性；(b)為硅磁敏二極管的伏安特性。圖 (b)表示在較寬的偏壓范圍內(nèi)，電流變化比較平坦；當外加偏壓增加到一定值后，電流迅速增加、伏安持性曲線上升很快，表現(xiàn)出其動態(tài)電阻比較小。20071 3 (3)溫度特性 一般情況下，磁敏二極管受濕度影響較大，即在一定測試條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量U，或者在無磁場作用時，中點電壓Um隨溫度變化較大。因此，在實際使用時，必須對其進行溫度補償。 互補式溫度補償電路 選用兩只性能相近的磁敏二極管，按相反磁極

20、性組合，即將它們的磁敏面相對或背向放置串接在電路中。無論溫度如何變化，其分壓比總保持不變，輸出電壓Um隨溫度變化而始終保持不變，這樣就達到了溫度補償?shù)哪康?。不僅如此，互補電路還能提高磁靈敏度。2R22RR 1R11RR IUkGs1 kGs1 1U 2U2007 差分式電路 如下圖(c)所示。差分電路不僅能很好地實現(xiàn)溫度補償，提高靈敏度，還可以彌補互補電路的不足。如果電路不平衡，可適當調(diào)節(jié)電阻R1和R2。 全橋電路 全橋電路是將兩個互補電路并聯(lián)而成。和互補電路一樣，其工作點只能選在小電流區(qū)。該電路在給定的磁場下，其輸出電壓是差分電路的兩倍。由于要選擇四只性能相同的磁敏二極管，會給實際使用帶來一

21、些困難。 熱敏電阻補償電路 如下圖(e)所示。該電路是利用熱敏電阻隨溫度的變化，而使Rt和D的分壓系數(shù)不變，從而實現(xiàn)溫度補償。熱敏電阻補償電路的成本略低于上述三種溫度補償電路，因此是常被采用的一種溫度補償電路。2007 二、磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理 1磁敏三極管的結(jié)構(gòu) 在弱P型或弱N型本征半導體上用合金法或擴散法形成發(fā)射極、基極和集電極。其最大特點是基區(qū)較長，基區(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管，也有高復合速率的r區(qū)和本征I區(qū)。長基區(qū)分為輸運基區(qū)和復合基區(qū)。 2磁敏三極管的工作原理 當磁敏三極管末受到磁場作用時，由于基區(qū)寬度大于載流子有效擴散長度，大部分載流子通過e-I-b，形成基極電流；少數(shù)載流子輸入到

22、c極，因而基極電流大于集電極電流。 當受到正向磁場(H +)作用時，由于磁場的作用，洛侖茲力使載流子偏向發(fā)射極的一側(cè)，導致集電極電流顯著下降；當反向磁場(H -)作用時，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大。由此可知，磁敏三極管在正、反向磁場作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。2007 3. 磁敏三極管的主要特性 (1)磁電特性 磁敏三極管的磁電特性是應用的基礎，是主要特性之一。例如，國產(chǎn)NPN型3BCM（鍺）磁敏三極管的磁電特性，在弱磁場作用下，曲線接近一條直線，如左下圖所示。 (2)伏安特性 磁敏三極管的伏安特性類似普通晶體管的伏安特性曲線。下右圖(a)為不受磁場作用時，磁敏三極管的伏安

23、特性曲線；下右圖 (b)是磁場為1kG s，基極為3mA時，集電極電流的變化。由該圖可知，磁敏三極管的電流放大倍數(shù)小于1。2007 (3)溫度特性及其補償 磁敏三極管對溫度比較敏感，實際使用時必須采用適當?shù)姆椒ㄟM行溫度補償。對于鍺磁敏三極管，例如，3ACM，3BCM，其磁靈敏度的溫度系數(shù)為0.8/；硅磁敏三極管(3CCM)磁靈敏度的溫度系數(shù)為-0.6/。對于硅磁敏三極管可用正溫度系數(shù)的普通硅三極管來補償因溫度而產(chǎn)生的集電極電流的漂移。具體補償電路如圖 (a)所示。當溫度升高時，BG1管集電極電流Ic增加，導致BGm管的集電極電流也增加，從而補償了BGm管因溫度升高而導致Ic的下降。 圖(b)是

24、利用鍺磁敏二極管電流隨溫度升高而增加的這一特性使其作硅磁敏三極管的負載，當溫度升高時，可以彌補硅磁敏三極管的負溫度漂移系數(shù)所引起的電流下降的問題。除此之外，還可以采用兩只特性一致、磁極相反的磁敏三極管組成的差分電路，如圖(c)所示，這種電路既可以提高磁靈敏度，又能實現(xiàn)溫度補償，它是一種行之有救的溫度補償電路。20073.1.4 磁敏式傳感器應用舉例 一、霍爾位移傳感器 霍爾位移傳感器可制作成如圖(a)所示結(jié)構(gòu)。在極性相反、磁場強度相同的兩個磁鋼的氣隙間放置一個霍爾元件。當控制電流I恒定不變時，霍爾電勢UH與外磁感應強度成正比；若磁場在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度dB/dx如圖(b)所示為一常數(shù)

25、時，則當霍爾元件沿x方向移動時，霍爾電勢變化也應是一個常數(shù)K（位移傳感器的輸出靈敏度）：KdxdBKdxdUHH即UHKx 。這說明霍爾電勢與位移量成線性關系。其輸出電勢的極性反映了元件位移方向。磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線性度越好。 當x0時，則元件置于磁場中心位置，UH0。這種位移傳感器一般可測量12mm的微小位移，其特點是慣性小，響應速度快，無接觸測量。利用這一原理可以測量與之有關的非電量，如力、壓力、加速度、液位和壓差等。2007二、汽車霍爾點火器 上圖是霍爾電子點火器結(jié)構(gòu)示意圖。將霍爾元件(圖中之3)固定在汽車分電器的白金座上，在分火點上裝一個隔磁罩1，罩的豎邊根

26、據(jù)汽車發(fā)動機的缸數(shù)，開出等間距的缺口2，當缺口對準霍爾元件時，磁通通過霍爾器件而成閉合回路，所以電路導通，如上圖(a)所示，此時霍爾電路輸出低電平（小于等于0.4V）；當罩邊凸出部分擋在霍爾元件和磁體之間時，電路截止，如上圖(b)所示，霍爾電路輸出高電平。 霍爾電子點火器原理如下圖所示。當霍爾傳感器輸出低電平時，BG1截止，BG2、BG3導通，點火線圈的初級有一恒定電流通過。當霍爾傳感器輸出高電平時，BG1導通，BG2、BG3截止，點火器的初級電流截斷，此時儲存在點火線圈中的能量，在次級線因以高壓放電形式輸出，即放電點火。 汽車霍爾電子點火器，由于它無觸點、節(jié)油，能適用于惡劣的工作環(huán)境和各種車

27、速，冷起動性能好等特點，目前國外已廣泛采用。2007 三、磁敏二報管漏磁探傷僅 磁敏二極管漏磁探傷儀是利用磁敏二極管可以檢測弱磁場變化的特性而設計的。原理如圖所示。漏磁探傷儀由激勵線圈2、鐵芯3、放大器4、磁敏二極管探頭5等部分構(gòu)成。將待測物1 (如鋼棒)置于鐵芯之下，并使之不斷轉(zhuǎn)動，在鐵芯、線圈激磁后，鋼棒被磁化。若待測鋼棒沒有損傷的部分在鐵芯之下時，鐵芯和鋼棒被磁化部分構(gòu)成閉合磁路，激勵線圈感應的磁通為，此時無泄漏磁通，磁場二極管探頭沒有信號輸出。若鋼棒上的裂紋旋至鐵芯下，裂紋處的泄漏磁通作用于探頭，探頭將泄漏磁通量轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)放大器放大輸出，根據(jù)指示儀表的示值可以得知待測鐵棒中的缺

28、陷。2007四、半導體InSb磁敏無接觸電位器 半導體InSb磁敏無接觸電位器是半導體InSb磁阻效應的典型應用之一。與傳統(tǒng)電位器相比,它具有無可比擬的優(yōu)點:無接觸電刷、無電接觸噪音、旋轉(zhuǎn)力矩小、分辨率高、高頻特性好、可靠性高、壽命長。半導體InSb磁敏無接觸電位器是基于半導體InSb磁阻效應原理，由半導體InSb磁敏電阻元件和偏置磁鋼組成；其結(jié)構(gòu)與普通電位器相似。由于無電刷接觸，故稱無接觸電位器。 該電位器的核心是差分型結(jié)構(gòu)的兩個半園形磁敏電阻；它們被安裝在同一旋轉(zhuǎn)軸上的半園形永磁鋼上，其面積恰好覆蓋其中一個磁敏電阻；隨著旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，磁鋼覆蓋于磁阻元件的面積發(fā)生變化，引起磁敏電阻值發(fā)生變化

29、，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸，即能調(diào)節(jié)其阻值。其工作原理和輸出電壓隨旋轉(zhuǎn)角度變化的關系曲線如圖所示。2007磁敏無接觸電位器工作原理示圖和輸出特性曲線090-90 五、銻化銦(InSb)磁阻傳感器在磁性油墨鑒偽點鈔視中的應用 InSb偽幣檢測傳感器安裝在光磁電偽幣檢測機上，其工作過程如上圖所示，電路原理圖如下圖所示。 當紙幣上的磁性油墨沒有進入位置1時，設輸出變化為零，如果進入位置1，由于R2電阻增大，則輸出變化為0.3mV左右；如果進入位置3時，則仍為0；如果進入位置4，則為-0.3mV，如果進入位置5，則仍為0，就這樣產(chǎn)生輸出特性，經(jīng)過放大、比較、脈沖展寬、顯示，就能檢測偽幣，達到理想效果。2007電路工作

30、原理圖InSb偽幣檢測傳感器工作原理與輸出特性3.1.5 新型磁敏傳感器 一、巨磁阻效應器件(GMR) 巨磁阻效應器件是德國西門子公司研制生產(chǎn)的一種新穎的磁敏傳感器。與傳統(tǒng)的金屬薄膜磁阻相比，其在弱磁場下的靈敏度更高，有效檢測距離高達25毫米；該磁阻傳感器與檢測磁場的大小無關，僅對磁場的方向非常敏感。因而特別適合于制作角度編碼器、無接觸電位器,也可用于GPS導航系統(tǒng)。 1工作原理 巨磁阻效應器件基于多層金屬薄膜的磁阻效應，采用真空（濺射）蒸鍍、多層金屬薄膜工藝技術制成。巨磁阻效應器件與傳統(tǒng)的金屬薄膜磁阻元件不同，它對磁場強度在515kA/m內(nèi)的范圍變化不太敏感、而對磁場強度的方向變化卻非常敏感

31、。巨磁阻效應器件的阻值隨磁場強度的方向的變化關系為： RR0+0.5R（1-cos）式中R0為巨磁阻器件在無磁場下電阻值，R為在有磁場下的電阻變化值，指磁場強度的空間方向,其值為0360。其原理示意圖見右圖。2007GMR工作原理 2特點 對磁場強度在515kA/m范圍內(nèi)的變化不敏感,僅對磁場方向敏感; 有效檢測距離為25mm; 在弱磁場下靈敏度非常高; 工作溫度范圍寬,其標稱阻值R0和R具有優(yōu)良的線性溫度特性; 體積小、功耗低。 20073典型技術參數(shù) 工作電源電流:7mA; 工作溫度范圍:-40+120; 標稱阻值:700; 在515kA/m范圍內(nèi)的靈敏度:4%; 標稱阻值溫度系數(shù)TCR0

32、：0.090.12%/; 磁阻溫度系數(shù)R：-0.12-0.09%; 磁滯（10kAm）： 2度; 磁阻效應溫度系數(shù)RR0：-0.270.23%； 4應用 巨磁阻效應器件具有弱磁場下靈敏度高、對磁場強度方向變化非常敏感的特性，同時，巨磁阻效應器件又有優(yōu)良的線性溫度特性。因此，可根據(jù)實際需要，通過橋式或半橋式電路結(jié)構(gòu)進行溫度補償，以滿足巨磁阻傳感器的性能要求。二、特性新穎敏感元件 Z元件 Z元件的發(fā)明是俄羅斯傳感器專家V.D.Zotov教授與他的同事們在1983年從一起半導體PN結(jié)伏安特性實驗出現(xiàn)奇怪的結(jié)果所引發(fā)的，這種元件也因此得名：Z元件。 Z元件是一種N區(qū)被重摻雜補償?shù)奶胤NPN結(jié)結(jié)構(gòu),它通過

33、負載電阻R按正向偏置接在直流電路中，負載電阻R用于限制工作電流并取出電壓信號。 2007Z元件的發(fā)明人V.D.Zotov教授認為，“Z效應”微觀機理的核心在于該PN結(jié)在一定電源電壓下能產(chǎn)生一種“電流細絲”(Current filament)效應(或譯成潺流效應)，并在外部激勵下能產(chǎn)生一種所謂“細絲電流”(filament Current)沖擊或細絲電流振蕩。Z元件應用電路的工作原理為在外部激勵下能產(chǎn)生“細絲電流”沖擊或電流振蕩的緣故。在下圖1所示電路中，若在外部激勵下產(chǎn)生細絲電流沖擊，電路中產(chǎn)生工作電流突變，則負載電阻R上獲得開關量輸出。若外部激勵產(chǎn)生細絲電流振蕩，電路中產(chǎn)生振蕩電流，則負載電

34、阻R上獲得脈沖輸出；若外部激勵沒有達到產(chǎn)生細絲電流沖擊或細絲電流振蕩的閾值，則負載電阻R上獲得模擬量輸出。 Z元件它的誘人之處就是無需前置放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，便可直接輸出大幅值數(shù)字信號，且是無接觸式測量，具有體積小，功耗低,抗噪能力強等優(yōu)點。2007Z元件原理示意圖這種與變壓器相伴生的現(xiàn)象，對于環(huán)境磁場來說就好像是一道“門”，通過這道“門”，環(huán)境磁場被調(diào)制成偶次諧波感應電動勢。這種現(xiàn)象稱為磁通門現(xiàn)象，相應的電動勢稱為磁通門信號。磁通門磁強計變壓器理想變壓器變壓器S匝數(shù)：N初級線圈0( )costHt0( ) d(inds)tNSH ttSN Ht d( )dttNSH 理想變壓器; ( )(

35、 )tSSt鐵芯遠離飽和區(qū)；磁致伸縮效應可以忽略磁通門現(xiàn)象是一種普遍存在的電磁感應現(xiàn)象，磁通門傳感器是一種稍加改造的變壓器式器件，但其變壓器效應只是作為被測磁場進行調(diào)制的手段。如果考慮環(huán)境磁場對磁芯的作用，當磁芯的磁導率隨激勵磁場強度而改變時，則感應電勢中就會出現(xiàn)隨環(huán)境磁場強度而變的偶次諧波分量，而當磁芯處于周期性過飽和工作狀態(tài)時，偶次諧波分量顯著增大。對環(huán)境磁場來說，這好像是一道“門”，通過這道“門”，相應的磁通量即被調(diào)制，并產(chǎn)生感應電勢。因此，采用這種特殊磁芯和工作方式，用于檢測環(huán)境磁場的變壓器式測量系統(tǒng),被稱為“磁通門”，其基本工作原理仍然是電磁感應。從本質(zhì)上看，其特性和工作方式以及作用

36、與普通變壓器顯然相異，因而形成了一門新的技術。探頭工作原理 上述物理模型是一種單磁芯磁通門探頭，如圖所示。與變壓器效應相比，其感應線圈輸出的磁通門信號e(H)非常微弱。所以，不可能直接利用單磁芯磁通門探頭感應線圈輸出信號測量環(huán)境磁場，而必須先剔除變壓器效應感應電勢，這就需要選擇法電路。2 n m1e x te x t( )( )2s in 2ntN SnHtnt雙鐵芯探頭，初級線圈反向串聯(lián)，感應線圈同向串聯(lián)。1、理論上，沒有靈敏閾極限：1011 T 1012 T；2、技術上，抑制噪聲是提高分辨力的關鍵；3、具有矢量響應特性，多探頭系統(tǒng)；4、強場測量范圍存在原理性限制，有待提高；5、儀器的帶寬：

37、 1000 Hz；6、多功能：測場、測角、測電它由初級線圈、次級線圈和雙磁芯構(gòu)成，初級線圈反向串聯(lián)，次級線圈同向串聯(lián)。雙磁芯探頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全對稱時才可以使噪聲徹底抵消。但這是難以做到的，輸出信噪比仍然不大，仍不能直接使用。但這種結(jié)構(gòu)為采用二次諧波法提供了可能。 0281281218)(102cos)(102sin)(102HSWdttdutfSHWdttdutfSHWtufeSm .)2sin68sin44sin2(102)(16141202180 tfutfutfuHSWfHemmm1只要磁芯磁導率隨激磁磁場強度而變，感應電勢中就會出現(xiàn)隨環(huán)境磁場強度而變的偶次諧波增量。當磁芯處于周期性過飽和工作狀態(tài)時將顯著增大。顯然，可以利用這種物理現(xiàn)象測量環(huán)境磁場?？傮w電路包括激磁電路和檢測電路兩部分。激磁電路產(chǎn)生頻率為f0的正弦信號，正弦信號激勵初級線圈使之達到過飽和，當有外磁場作用在探頭軸向時，在感應線圈中將會感應出一個含有外界磁場強度在探頭軸向分量大小的信息。本電路系統(tǒng)的目的就是從所產(chǎn)生的磁通門信號中檢測出能表示外磁場在探頭軸向分量大小的二次諧波。次級線圈感應出的磁通門信號同時含有奇次諧波