內(nèi)蒙古大學(xué)傳感器與檢測技術(shù)講義第6章磁敏式傳感器

1、第6章 磁敏式傳感器磁敏式傳感器是通過磁電作用將被測量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。磁敏式傳感器種類不同，其原理也不完全相同，因此各有各的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。6.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器也稱為電動(dòng)式傳感器或感應(yīng)式傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)勢的，它不需要輔助電源就能把被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是有源傳感器。由于它輸出功率大且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（101000 Hz），所以得到普遍的應(yīng)用。1. 磁電感應(yīng)式傳感器工作原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)w匝線圈在恒定磁場內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢E與磁通變化

2、率d/dt有如下關(guān)系： （6-1）根據(jù)這一原理，可以設(shè)計(jì)成兩種磁電傳感器結(jié)構(gòu)，即變磁通式和恒磁通式。圖6-1是變磁通式磁電傳感器，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。圖6-1（a）所示為開磁路變磁通式，即線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測量高轉(zhuǎn)速。圖6-1（b）所示為閉磁路變磁通式，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)、外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外

3、齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外齒輪的相對轉(zhuǎn)動(dòng)使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電勢。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。 1永磁鐵；2軟磁鐵；3感應(yīng)線圈；4測量齒輪；5內(nèi)齒輪；6外齒輪；7轉(zhuǎn)軸圖6-1 變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖圖6-2所示為恒磁通式磁電傳感器典型結(jié)構(gòu)，它由永磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈（動(dòng)圈式），也可以是磁鐵（動(dòng)鐵式），動(dòng)圈式（如圖6-2（a）和動(dòng)鐵式（如圖6-2（b）的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測振動(dòng)體一起

4、振動(dòng)時(shí)，由于彈簧較軟，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對較大。當(dāng)振動(dòng)頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件慣性很大，來不及隨振動(dòng)體一起振動(dòng)，近乎靜止不動(dòng)，振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收，永磁鐵與線圈之間的相對運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體振動(dòng)速度，磁鐵與線圈的相對運(yùn)動(dòng)切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢為 （6-2）式中，B0為工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；L為每匝線圈平均長度；w為線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù)；v為相對運(yùn)動(dòng)速度。圖6-2 恒磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖2磁電感應(yīng)式傳感器基本特性當(dāng)測量電路接入磁電傳感器電路時(shí)，如圖6-3所示，磁電傳感器的輸出電流Io為圖6-3 磁電感應(yīng)式傳感器等效測量電路 （6-3）式中，Rf為測量電路輸入

5、電阻；R為線圈等效電阻。傳感器的電流靈敏度為 （6-4）而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為 （6-5） （6-6）當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化，或者受到外界磁場干擾、機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測量誤差。相對誤差為 （6-7）磁電式傳感器在使用時(shí)存在誤差，主要為非線性誤差和溫度誤差。圖6-4 傳感器電流的磁場效應(yīng)1）非線性誤差 磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是，由于傳感器線圈內(nèi)有電流I流過時(shí)，將產(chǎn)生一定的交變磁通I，此交變磁通疊加在永磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化，如圖6-4所示。當(dāng)傳感器線圈相對于永磁鐵磁場的運(yùn)動(dòng)速度增大時(shí)，將產(chǎn)生較大的感生電勢E和較大的電流

6、I，由此而產(chǎn)生的附加磁場方向與原工作磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。當(dāng)線圈的運(yùn)動(dòng)速度與圖6-4所示方向相反時(shí)，感生電勢E、線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn)生的附加磁場方向與工作磁場同向，從而增大了傳感器的靈敏度。其結(jié)果是線圈運(yùn)動(dòng)速度方向不同時(shí)，傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值，使傳感器輸出基波能量降低，諧波能量增加，即這種非線性特性同時(shí)伴隨著傳感器輸出的諧波失真。顯然，傳感器靈敏度越高，線圈中電流越大，這種非線性越嚴(yán)重。為了補(bǔ)償上述附加磁場干擾，可在傳感器中加入補(bǔ)償線圈，如圖6-2（a）所示。補(bǔ)償線圈通以經(jīng)過放大K倍的電流，適當(dāng)選擇補(bǔ)償線圈參數(shù)，可使其產(chǎn)生

7、的交變磁通與傳感線圈本身所產(chǎn)生的交變磁通互相抵消，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?）溫度誤差 當(dāng)溫度變化時(shí)，式（6-7）中右邊3項(xiàng)都不為零，對銅線而言每攝氏度變化量為dL/L0.167104，dR/R0.43102，dB/B每攝氏度的變化量取決于永磁鐵的磁性材料。對鋁鎳鈷永磁合金，dB/B0.02102，這樣由式（6-7）可得近似值 （6-8）這一數(shù)值是很可觀的，所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償通常采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降，經(jīng)它分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低，從

8、而保持空氣隙的工作磁通不隨溫度變化，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。3磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電動(dòng)勢，且傳感器通常具有較高的靈敏度，所以一般不需要高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器，若要獲取被測位移或加速度信號，則需要配用積分或微分電路。實(shí)際電路中通常將微分或積分電路置于兩級放大器的中間，以利于級間的阻抗匹配。圖6-5所示為一般測量電路方框圖。圖6-5 磁電感應(yīng)式傳感器測量電路方框圖6.2 霍爾式傳感器霍爾傳感器為載流半導(dǎo)體在磁場中有電磁效應(yīng)（霍爾效應(yīng)）而輸出電動(dòng)勢的一種傳感器。1879年，美國物理學(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

9、有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，由于其霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測量電流、磁場、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測量。1霍爾效應(yīng)及霍爾元件1）霍爾效應(yīng) 置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電勢稱為霍爾電勢，半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。如圖6-7所示，在垂直于外磁場B的方向上放置一個(gè)導(dǎo)電板，導(dǎo)電板通以電流I，方向如圖6-7所示。導(dǎo)電板中的電流是金屬中自由電子在電場作用下的定向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，每個(gè)電子受洛侖茲力Fm的作用，F(xiàn)m的大小為： （6-9）圖6

10、-6 霍爾效應(yīng)原理圖式中，e為電子電荷；v為電子運(yùn)動(dòng)平均速度；B為磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。Fm的方向在圖6-6中是向上的，此時(shí)電子除了沿電流反方向作定向運(yùn)動(dòng)外，還在Fm的作用下向上漂移，結(jié)果使金屬導(dǎo)電板上底面積累電子，而下底面積累正電荷，從而形成了附加內(nèi)電場EH，稱為霍爾電場，該電場強(qiáng)度為 （6-10）式中，UH為電位差?；魻栯妶龅某霈F(xiàn)，使定向運(yùn)動(dòng)的電子除了受洛侖茲力作用外，還受到霍爾電場的作用力Fe，其大小為eEH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著上、下底面積累電荷的增加，霍爾電場增加，電子受到的電場力也增加，當(dāng)電子所受洛侖茲力與霍爾電場作用力大小相等、方向相反時(shí)，即 （6-11）則 （6-12） （6

11、-13）此時(shí)電荷不再向兩個(gè)底面積累，達(dá)到平衡狀態(tài)。若金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n，電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度為v，則激勵(lì)電流I=nvbd（e），則 （6-14）將式（6-14）代入式（6-12）得 （6-15）將式（6-15）代入式（6-10）得 （6-16）式中，令RH=1/（ne），稱為霍爾常數(shù)，其大小取決于導(dǎo)體載流子密度，則 （6-17）式中，KH=RH/d，稱為霍爾片的靈敏度。由式（6-17）可見，霍爾電勢正比于激勵(lì)電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，其靈敏度與霍爾常數(shù)RH成正比，而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。上述推導(dǎo)是針對N型半導(dǎo)體，對于P型半導(dǎo)體，則 （6-18）式中，

12、 （6-19）對霍爾片材料的要求，希望有較大的霍爾常數(shù)RH，霍爾元件激勵(lì)極間電阻，同時(shí)，其中UI為加在霍爾元件兩端的激勵(lì)電壓，EI為霍爾元件激勵(lì)極間內(nèi)電場，v為電子移動(dòng)的平均速度。則 （6-20）解得 （6-21）從式（6-21）可知，霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積。若要霍爾效應(yīng)強(qiáng)，即霍爾電勢大，則RH值大，因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。此外，霍爾電勢的大小還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān)。一般要求霍爾元件靈敏度越大越好，霍爾元件的厚度d與KH成反比，因此，霍爾元件的厚度越小，其靈敏度越高。當(dāng)霍爾元件的寬度b加大，或減小時(shí)，載流子在偏轉(zhuǎn)過程中的損失將加大，使下降。

13、通常要對式（6-17）加以形狀效應(yīng)修正，即 （6-22）式中，為形狀效應(yīng)系數(shù)，其修正值見表6-1。表6-1 形狀效應(yīng)系數(shù)L/b0.51.01.52.02.53.04.00.3700.6750.8410.9230.9670.9840.996一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很?。欢^緣材料電阻率極高，但載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。其中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時(shí)其霍爾系數(shù)較

14、大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度好。表6-2 為常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)。表6-2 常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)參數(shù)名稱符號單位HZ-1HZ-2HZ-3HZ-4HT-1HT-2HS-1材料（N型）Ge（111）Ge（111）Ge（111）Ge（100）InSbInSbInAs電阻率cm0.81.20.81.20.81.20.40.50.0030.010.0030.010.01幾何尺寸lbdmm3840.2420.2840.2840.2630.2840.2840.2輸入電阻Ri11020%11020%11020%4520%0.820%0.820%1.220%輸出電阻Ro1

15、0020%10020%10020%4020%0.520%0.520%120%靈敏度KHmV/（mAT）12121241.820%0.820%120%不等位電阻ro0.070.050.070.020.0050.0050.003寄生直流電壓UoV150200150b的長條形樣品，l增加不明顯；但對于lb的扁條形樣品，l增加較明顯，因而電阻增加較多；特別是圓盤形樣品，從圓盤中心加以輻射形外電場時(shí)，幾何磁阻效應(yīng)特別明顯，即在恒定磁感應(yīng)強(qiáng)度下，磁敏電阻的長度與寬度的比越小，電阻率的相對變化越大。長方形磁阻器件只有在lb的長方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬條（即短路柵格），以短路霍爾電勢?？茽柋戎Z

16、圓盤形磁阻器件的中心和邊緣各有一個(gè)電極，因?yàn)閳A盤形的磁阻最大，故大多磁阻器件做成圓盤結(jié)構(gòu)。3磁阻元件的主要特性1）靈敏度特性 磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度的影響較大。磁阻元件的靈敏度特性用在一定磁場強(qiáng)度下的電阻變化率來表示，即磁場電阻變化率特性曲線的斜率。在運(yùn)算時(shí)常用RB/R0求得，R0表示無磁場情況下磁阻元件的電阻值，RB為施加0.3T磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)磁阻元件的電阻值。這種情況下，一般磁阻元件的靈敏度大于2.7，如圖6-16所示。由圖6-16（a）可知，磁阻元件的電阻值與磁場的極性無關(guān)，它只隨磁場強(qiáng)度的增加而增加。由圖6-16（b）可知，在0.2T以下的弱磁場中，曲線呈現(xiàn)平方特性，而

17、超過0.2T后呈現(xiàn)線性變化。圖6-15 半導(dǎo)體內(nèi)電流分布圖6-16 磁阻元件靈敏度特性2）電阻溫度特性 圖6-17所示的是一般半導(dǎo)體磁阻元件的電阻溫度特性曲線。由圖可知，半導(dǎo)體磁阻元件的溫度特性不好。元件的電阻值在不大的溫度變化范圍內(nèi)減小得很快。因此在應(yīng)用時(shí)，一般都要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。圖6-17 半導(dǎo)體元件電阻溫度特性曲線6.4 磁敏式傳感器的應(yīng)用1非接觸式交流電流檢測器該非接觸式交流電流檢測器使用的是MSF06型磁敏電阻器，只要將MSF06型半導(dǎo)體磁敏電阻器靠在電流線上就會(huì)得到輸出電壓。MSF06型磁敏電阻器在35時(shí)電阻值減小到室溫時(shí)的1/2。因此，很少只使用一個(gè)磁敏電阻器，而是使用兩個(gè)磁敏

18、電阻器，以使其溫度特性能夠得到補(bǔ)償。MSF06型磁敏電阻器的電阻值磁場特性如圖6-18所示，在磁場強(qiáng)度為0時(shí)的電阻值（初始電阻值）為800，MSF06具有0.075T的偏置磁場。在圖6-18中可以看到，R0.7G=1k，R1.7G=1.5k，即每增加0.0001T的磁場可以使磁敏電阻的電阻值增加到原來的1.5倍。圖6-18 MSF06型磁敏電阻器的電阻值磁場特性圖6-19所示的是MSF06的溫度特性。圖6-20所示的是MSF06和銅導(dǎo)線之間的距離與輸出電壓的關(guān)系。當(dāng)它緊貼直徑0.1mm的銅導(dǎo)線時(shí)，對應(yīng)于50Hz的100mA電流，輸出的電壓為0.27mVRMS。 圖6-19 MSF06的溫度特性

19、 圖6-20 MSF06的間隔特性圖6-21所示的是利用MSF06制作的非接觸式電流檢測器的電路圖。20A時(shí)磁敏電阻的輸出電壓US為US=（0.27mV/0.1A）20A=54mV由于是在電力導(dǎo)線外測量，所以其輸出值大約為上述理論值的1/5，即10mV。要想在圖6-21所示電路輸出2V的電壓，放大器U2A的增益應(yīng)當(dāng)為200。在電路設(shè)計(jì)中采取了1001000倍的可調(diào)方式。圖6-21 非接觸式電流檢測器隨著電力線的粗細(xì)與形狀的不同，即使被測電流相同，該電路的輸出電壓也不相同，因此該裝置只能作為電流檢測器使用。但是，它畢竟可以粗略地檢測電流的大小，而且便于攜帶，操作方便。2基于霍爾傳感器的通用型高斯計(jì)在測量磁通密度的儀器中有一種叫做高斯計(jì)。對測量范圍要求如果不過分苛刻，在0.2T/2T兩個(gè)量程之間相互切換的特拉斯計(jì)較易制作，實(shí)際電路圖如圖6-22所示。傳感器使用THS103A型GaAs霍爾效應(yīng)傳感器，采用恒電流工作模式，滿刻度的溫度系數(shù)最大值可以控制在0.06%/，典型值可以控制在0.030.04%/