傳感器原理與應(yīng)用-6-磁敏傳感器課件

1、第六章 磁敏傳感器 傳感器原理與應(yīng)用分類(lèi) 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(xiàn)圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出。利用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）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) 5.1 磁電感應(yīng)式傳感器Part.1 原理非重點(diǎn)工作原理 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(xiàn)”or“閉合線(xiàn)圈的磁通發(fā)生變化”時(shí)，在導(dǎo)體兩端或線(xiàn)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(guò)線(xiàn)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

2、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： 非重點(diǎn)右手定律發(fā)電機(jī)恒磁通式 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(xiàn)圈相對(duì)永久磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)切割磁力線(xiàn)而產(chǎn)生的。永磁鐵與傳感器殼體固定，線(xiàn)圈相對(duì)于傳感器殼體運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為動(dòng)圈式。線(xiàn)圈組件與傳感器殼體固定，永磁鐵相對(duì)于傳感器殼體運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為動(dòng)鐵式。 非重點(diǎn)動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式的工作原理相同。若線(xiàn)圈和磁鐵有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則線(xiàn)圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁場(chǎng)強(qiáng)度、線(xiàn)圈導(dǎo)體長(zhǎng)度、線(xiàn)圈匝數(shù)以及線(xiàn)圈切割磁力線(xiàn)的速度成比例關(guān)系，具體為：工作原理 磁感應(yīng)強(qiáng)度線(xiàn)圈匝數(shù)每匝線(xiàn)圈長(zhǎng)度線(xiàn)圈運(yùn)動(dòng)速度非重點(diǎn)變磁通式 對(duì)于變磁通式磁電傳感器，線(xiàn)圈和磁鐵都靜止不動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由

3、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(guò)線(xiàn)圈的磁通量變化，從而在線(xiàn)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。 非重點(diǎn)電流靈敏度： 電流靈敏度是單位速度引起的輸出電流變化，為：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：提高靈敏度的方法 ： 可以增大磁場(chǎng)強(qiáng)度B、每匝線(xiàn)圈的長(zhǎng)度l和線(xiàn)圈匝數(shù)N。同時(shí)需要綜合考慮傳感器的材料、體積、重量、內(nèi)阻和工作頻率。 非重點(diǎn)5.1 磁電感應(yīng)式傳感器Part.2 應(yīng)用非重點(diǎn)CD-1型振動(dòng)速度傳感器 非重點(diǎn)磁電式扭矩傳感器 非重點(diǎn)5.2 霍爾傳感器Part.1 原理霍爾傳感器 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)

4、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)，但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒(méi)有得到應(yīng)用。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)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）,非接觸、使用壽命長(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。 霍爾效應(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

5、場(chǎng)B的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)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。左手定律對(duì)于n型半導(dǎo)體，電流強(qiáng)度I可以表示為： 進(jìn)而得到：可以推出：j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)UH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(xiě)為：設(shè) ，將相應(yīng)公式改寫(xiě)為：RH稱(chēng)為霍爾系數(shù)，其

6、大小反映出霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。設(shè) ，將相應(yīng)公式改寫(xiě)為：考慮電阻率的表達(dá)式為： ，可以得到： 表示材料的電阻率（m）表示載流子的遷移率（m2/sV） 即單位電場(chǎng)作用下載流子的運(yùn)動(dòng)速度一般情況下，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。 磁場(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(xiàn)n成角度時(shí)，此時(shí)實(shí)際作用于霍爾片的有效磁場(chǎng)使其法線(xiàn)方向的分量，即Bcos，其霍爾電勢(shì)為：分析交變的電場(chǎng)使用控制電壓代替控制電流 電阻率公式5.2 霍爾傳感器Part.2 霍爾敏感元件霍爾元件的主要特性參數(shù) 輸入電阻Ri和輸出電阻Ro定義霍爾元件激勵(lì)電極之間的電阻稱(chēng)為輸入電阻Ri。

7、霍爾元件的霍爾電極輸出的是霍爾電勢(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(chēng)為輸出電阻Ro。額定控制電流IN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(chēng)為額定控制電流IN。以元件允許的最大溫升為限制，所對(duì)應(yīng)的控制電流稱(chēng)為最大允許控制電流Imax。非重點(diǎn)不等位電勢(shì)U0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(chēng)為霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)。 霍爾靈敏系數(shù)KH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(kāi)路電壓，稱(chēng)為霍爾靈敏系數(shù)KH，霍爾靈敏系數(shù)KH的單位為V/(AT)。它

8、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。 霍爾元件的主要特性參數(shù) - 續(xù)非重點(diǎn)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E供給。R是調(diào)節(jié)電阻，用以根據(jù)需求調(diào)節(jié)I的大小。霍爾電勢(shì)輸出的負(fù)載電阻RL，可以是放大器的輸入電阻或表頭的內(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?。 由于建立霍爾效應(yīng)所需的時(shí)間短，所以控制電流的頻率可高達(dá)109Hz 由溫度造成的誤差 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(lái)較大誤差。非重點(diǎn)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

9、些恒溫措施外，還可以使用一些電路溫度補(bǔ)償方法。 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Rt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(lái)抵消霍爾元件的乘積靈敏度KH和輸入電阻Ri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?，?dāng)溫度變化時(shí)，用RL的變化來(lái)抵消霍爾輸出電勢(shì)UH和輸出電阻Ro變化對(duì)負(fù)載電阻RL上的電壓UL的影響。 非重點(diǎn)不等位電勢(shì)的補(bǔ)償 不等位電勢(shì)當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為額定值IN時(shí)，若元件所處位置的磁感應(yīng)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

10、勢(shì)稱(chēng)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。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)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)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，R3，R4，因而可以把霍爾元件視為一個(gè)4臂電阻電橋。 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。 非重點(diǎn)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）

11、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(lèi)：線(xiàn)性測(cè)量型開(kāi)關(guān)型3B(kG)(高斯)0.3UH開(kāi)關(guān)型線(xiàn)性測(cè)量型GaAs（砷化鎵）InSb（銻化銦）線(xiàn)性度高適合線(xiàn)性測(cè)量型集成霍爾傳感器放大HG放大Vcc穩(wěn)壓源A輸出電路VoutGND線(xiàn)性型霍爾器件示意圖 線(xiàn)性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線(xiàn)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。HL1.1型線(xiàn)性集成霍爾傳感器第一級(jí)差分放大第二級(jí)差分放大達(dá)林頓管外接射級(jí)電阻開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器 霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器是一種雙穩(wěn)態(tài)型傳感器，又稱(chēng)為鎖鍵型傳感器。當(dāng)外

12、加磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)工作點(diǎn)時(shí)，其輸出為導(dǎo)通狀態(tài)。而在磁場(chǎng)撤銷(xiāo)后，輸出仍保持不變，必須施加反向磁場(chǎng)并使之超過(guò)釋放點(diǎn)，這樣才能使其關(guān)斷?；魻栭_(kāi)關(guān)集成傳感器的工作特性曲線(xiàn)HG放大Vcc穩(wěn)壓源AVoutGND開(kāi)關(guān)型霍爾器件示意圖VTHAL1881，HAL732，HAL41F，HAL513典型的霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器型號(hào)工作點(diǎn)釋放點(diǎn)回差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(lái)，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

13、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(kāi)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，則利用霍爾電壓與控制電流成正比的關(guān)系，可以組成回轉(zhuǎn)器、隔離器和環(huán)行器等控制裝置。 測(cè)微小位移 SNxBB=kxNS均勻梯度磁場(chǎng)微小位移測(cè)量測(cè)角度 BBnNSBn=B*sin均勻磁場(chǎng)角度測(cè)量電流傳感器電流測(cè)量BI霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 旋轉(zhuǎn)小磁極VthresholdAVoutBUH軸轉(zhuǎn)速測(cè)量利用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式仿型加工

14、非重點(diǎn)霍爾式壓力傳感器 非重點(diǎn)自動(dòng)供水裝置 非重點(diǎn)霍爾元件在磁性材料研究中的應(yīng)用 非重點(diǎn)替換非接觸式鍵盤(pán)開(kāi)關(guān) 非重點(diǎn)霍爾式汽車(chē)無(wú)觸點(diǎn)點(diǎn)火裝置 非重點(diǎn)霍爾接近開(kāi)關(guān) 非重點(diǎn)5.2 霍爾傳感器Part.5 霍爾傳感器實(shí)例電路分析便攜式高斯計(jì)R5RP1、R7R1THS 103A+1.25VGND510OUTVinSWCC47365L19VC1C233k5.1kC-VoutV+C+2485C3C4C5+10V-9VICL7660TL499AConvertorDC-DC+A2-衛(wèi)生間照明燈自動(dòng)控制電路2B13VT9013A1S1R1VDDQ110kCP1D12MR2Q2CP2D2Q2100.01510VS

15、2k2202CW60G磁鋼220VCS3020開(kāi)關(guān)型集成霍爾元件HVssA2S2100kVS晶閘管D觸發(fā)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)輸出D觸發(fā)器構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)輸出5.3 磁敏電阻磁阻效應(yīng)當(dāng)一載流半導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，其電阻值會(huì)隨磁場(chǎng)而變化的這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。磁阻效應(yīng)還與磁敏電阻的形狀、尺寸密切相關(guān)。這種與磁敏電阻形狀、尺寸有關(guān)的磁阻效應(yīng)稱(chēng)為磁阻效應(yīng)的幾何磁阻效應(yīng)。若考慮其形狀的影響，電阻率的相對(duì)變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度和遷移率的關(guān)系可表達(dá)為：磁阻效應(yīng)磁敏效應(yīng)與材料性質(zhì)與幾何形狀有關(guān)：一般遷移率大的材料，磁阻效應(yīng)越顯著；元件的長(zhǎng)寬比越小，磁阻效應(yīng)越大。磁敏電阻在磁場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體片內(nèi)電流分布是不均勻的，改變磁場(chǎng)的強(qiáng)弱就影響

16、電流密度的分布，故表現(xiàn)為半導(dǎo)體片的電阻變化。LbbIe磁敏材料通以電流無(wú)磁場(chǎng)BLBLbbIe磁場(chǎng)B洛倫茲力軌跡偏移L磁敏電阻-結(jié)構(gòu)在磁場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體片內(nèi)電流分布是不均勻的，改變磁場(chǎng)的強(qiáng)弱就影響電流密度的分布，故表現(xiàn)為半導(dǎo)體片的電阻變化。BILbBI-+左手定律柵格式磁敏電阻磁敏電阻-結(jié)構(gòu)LbIIIII金屬極板電子流向磁敏電阻-結(jié)構(gòu)磁敏電阻常選用InSb(銻化銦)、InAs(砷化銦)和NiSb(銻化鎳)等半導(dǎo)體材料，在絕緣基片上蒸鍍薄的半導(dǎo)體材料，也可在半導(dǎo)體薄片上光刻或腐蝕成型（柵狀結(jié)構(gòu)）磁敏電阻的靈敏度一般是非線(xiàn)性的，且受溫度影響較大；因此，使用磁敏電阻時(shí)必須首先了解如下圖所示的持性曲線(xiàn)。

17、然后，確定溫度補(bǔ)償方案。磁敏電阻-非線(xiàn)性磁阻元件的電阻值與磁場(chǎng)的極性無(wú)關(guān)，它只隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加磁阻元件的溫度特性不好，在應(yīng)用時(shí)，一般都要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。 銻化銦(InSb)非接觸式角度傳感器實(shí)例半圓型磁鐵為M兩個(gè)半圓型磁阻元件MR1、MR2間隙緊密，但無(wú)接觸u0E0M-+MR1MR2u00901802703609050范圍線(xiàn)性度較好5.4 磁敏二極管（SMD）Part.1 原理概述磁敏二極管、三極管是繼霍耳元件和磁敏電阻之后迅速發(fā)展起來(lái)的新型磁電轉(zhuǎn)換元件?；魻栐痛琶綦娮杈怯肗型半導(dǎo)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。磁敏二極管和磁敏三極管具有輸出

18、信號(hào)大、靈敏度高（磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍） 、工作電流小、能識(shí)別磁場(chǎng)的極性、體積小、電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，它們比較適合磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)速、探傷等方面的檢測(cè)和控制。磁敏二極管的結(jié)構(gòu)P+區(qū)N+區(qū)本征區(qū)粗糙區(qū)光滑區(qū)BIIE0空穴電子粗超區(qū)：電子和空穴對(duì)在其表面很容易進(jìn)行復(fù)合。 將會(huì)消失光滑區(qū)：電子和空穴對(duì)在其表面很不易進(jìn)行復(fù)合。載流子變少；電阻增加。載流子稍微增多電阻稍微減小磁敏二極管的磁電特性在給定條件下，磁敏二極管輸出的電壓變化與外加磁場(chǎng)的關(guān)系稱(chēng)為磁敏二極管的磁電持性。單只使用時(shí)，正向磁靈敏度大于反向；互補(bǔ)使用時(shí)，正、反向磁靈敏度曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，且在弱磁場(chǎng)下有較好的線(xiàn)性磁敏二極管正向偏壓和通過(guò)電流的關(guān)系被稱(chēng)為磁敏二極管的伏安特性。磁敏二極管在