傳感器課件：第6章 磁敏式傳感器

第6章磁敏式傳感器6.1磁電感應(yīng)式傳感器16.2霍爾式傳感器6.3磁敏電阻器36.4磁敏式傳感器的應(yīng)用42

磁敏式傳感器是通過磁電作用將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)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。

概述

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(shì)的一種傳感器。

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(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)，該電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件。6.2霍爾傳感器6.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件1）霍爾效應(yīng)圖6-5霍爾效應(yīng)原理圖6.2霍爾傳感器

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)電子受洛侖磁力Fm的作用，F(xiàn)m的大小為：

式中：e-電子電荷；v-電子運(yùn)動(dòng)平均速度；B-磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

6.2霍爾傳感器

附加內(nèi)電場EH，稱霍爾電場，該電場強(qiáng)度為:

則

6.2霍爾傳感器

◆

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）將上式代入式（6-10）得:（6-16）

6.2霍爾傳感器◆式中令RH=-1/（ne），稱之為霍爾常數(shù)，其大小取決于導(dǎo)體載流子密度，則:式中:KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度?！粲墒剑?-17）可見，霍爾電勢(shì)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。6.2霍爾傳感器（6-17）◆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(duì)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。書中表6-2為常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)。6.2霍爾傳感器霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡

單，它由霍爾片、引

線和殼體組成，如圖

6-6（a）所示。霍爾片

是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)引線。1、1′兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極?；魻栐んw由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號(hào)表示，如圖6-6（b）所示。6.2霍爾傳感器圖6-6霍爾元件2）霍爾元件基本結(jié)構(gòu)3）霍爾元件基本特性●額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流●輸入電阻和輸出電阻●不等位電勢(shì)和不等位電阻●寄生直流電勢(shì)●霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)6.2霍爾傳感器圖6-7不等位電阻6.2.2霍爾傳感器的基本電路1）簡單的恒電壓工作電路恒電壓工作電路

如圖6-8所示，是

一種非常簡單的

施加控制電流的

方法。恒電壓工

作電路比較適合于精度要求不是很高的數(shù)字方面的應(yīng)用，例如錄像機(jī)的電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)等。6.2霍爾傳感器圖6-8霍爾傳感器的恒電壓工作電路

霍爾效應(yīng)傳感器的恒電流

工作電路適于高精度測(cè)

量，可以充分發(fā)揮霍爾效

應(yīng)傳感器的性能。在恒電

流工作時(shí)輸出特性不受輸

入電阻溫度系數(shù)以及磁阻效應(yīng)的影響。當(dāng)然，與恒電壓工作電路相比，某些電路會(huì)變得復(fù)雜，不過這個(gè)問題不那么嚴(yán)重?；魻栃?yīng)傳感器的恒電流工作電路如圖6-9所示。6.2霍爾傳感器圖6-9霍爾傳感器的恒電流工作電路2）簡單的恒電流工作電路

6.2霍爾傳感器圖6-10a一個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的差動(dòng)放大器3）霍爾效應(yīng)傳感器放大電路基本的差動(dòng)放大電路◆霍爾效應(yīng)傳感器的輸出電壓通常只有數(shù)毫伏至數(shù)百毫伏，因而需要有放大電路?；魻栃?yīng)傳感器是一種4端器件，為了消除非磁場因素引入的同向電壓的影響，必須構(gòu)成差動(dòng)放大器，如圖6-10。圖6-10b3個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的差動(dòng)放大器6.2霍爾傳感器6.2.3霍爾元件的補(bǔ)償電路1）霍爾元件不等位電勢(shì)補(bǔ)償不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí)，有時(shí)甚至超過霍爾電勢(shì)，因而必須采用補(bǔ)償?shù)姆椒āＨ鐖D6-12所示。6.2霍爾傳感器圖6-12不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路2）霍爾元件溫度補(bǔ)償◆霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。◆為了減小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供電是個(gè)有效措施，可以使霍爾電勢(shì)穩(wěn)定。但也只能減小由于輸入電阻隨溫度變化而引起的激勵(lì)電流I變化所帶來的影響。霍爾元件的靈敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，它隨溫度的變化引起霍爾電勢(shì)的變化?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成： （6-23）6.2霍爾傳感器式中：

KHO--溫度T0時(shí)的KH值；ΔT=T-T0--溫度變化量；α--霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)?！舨⑶掖蠖鄶?shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值，它們的霍爾電勢(shì)隨溫度升高而增加（1+αΔT）倍。如果，與此同時(shí)讓激勵(lì)電流I相應(yīng)地減小，并能保持KHI乘積不變，也就抵消了靈敏系數(shù)KH增加的影響。圖6-13就是按此思路設(shè)計(jì)的一個(gè)既簡單、補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償電路。電路中用一個(gè)分流電阻Rp與霍爾元件的激勵(lì)電極相并聯(lián)從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

6.2霍爾傳感器◆當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)δ及霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)α是確定值。由式（6-27）即可計(jì)算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)β值。為了滿足R0及β兩個(gè)條件，分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合，這樣雖然麻煩但效果很好。6.2霍爾傳感器磁敏電阻器是基于磁阻效應(yīng)的磁敏元件。磁敏電阻是磁阻位移傳感器、無觸點(diǎn)開關(guān)等的核心部件。

6.3.1磁阻效應(yīng)◆當(dāng)一載流導(dǎo)體置于磁場中，其電阻會(huì)隨磁場而變化，這種現(xiàn)象被稱為磁阻效應(yīng)。當(dāng)溫度恒定時(shí)，在磁場內(nèi)，磁阻和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比。理論推導(dǎo)出來的磁阻效應(yīng)方程為：式中，是磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的電阻率；是零磁場下的電阻率；μ是電子遷移率；B是磁感應(yīng)強(qiáng)度。6.3磁敏電阻器◆當(dāng)電阻率的變化為時(shí)，則電阻率的相對(duì)變化為：◆可以看出，在磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ一定時(shí)，遷移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半導(dǎo)體材料）磁阻效應(yīng)越明顯。從微觀上講，材料的電阻率增加是因?yàn)殡娏鞯牧鲃?dòng)路徑因磁場的作用而加長所致。6.3磁敏電阻器磁敏二極管和磁敏三極管

磁敏二極管和磁敏三極管是一種PN結(jié)型的新型磁電轉(zhuǎn)換器件，它具有輸出信號(hào)大、靈敏度高（約為霍爾元件的數(shù)百至數(shù)千倍）、工作電流小、體積小等特點(diǎn)，在磁場、轉(zhuǎn)速、探傷等檢測(cè)與控制中應(yīng)用廣泛。6.3磁敏電阻器6.4.1非接觸式交流電流檢測(cè)器該非接觸式交流電流檢測(cè)器使用的是MS-F06型磁敏電阻器，只要將MS-F06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。MS-F06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)磁敏電阻器，以使其溫度特性能夠得到補(bǔ)償。6.4磁敏式傳感器的應(yīng)用圖6-17MS-F06型磁敏電阻器的電阻值-磁場特性6.4磁敏式傳感器的應(yīng)用◆MS-F06型磁敏電阻器的電阻值-磁場特性如圖6-17所示。在磁場強(qiáng)度為0時(shí)的電阻值（初始電阻值）為800Ω，MS-F06具有0.075T的偏置磁場。在圖6-17中可以看到，R0.7G=1kΩ，R1.7G=1.5kΩ。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。6.4磁敏式傳感器的應(yīng)用◆圖6-18是MS-F06的溫度特性。圖6-19是MS-F06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(duì)應(yīng)于50Hz的100mA電流，輸出的電壓為0.27mVRMS。圖6-18MS-F06的溫度特性圖6-18MS-F06的間隔特性6.4磁敏式傳感器的應(yīng)用圖6-20非接觸式電流監(jiān)測(cè)器6.4磁敏式傳感器的應(yīng)用◆圖6-20是利用MS-F06制作的非接觸式電流檢測(cè)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(cè)量，所以其輸出值大約為上述理論值的1/5，即10mV。要想在圖6-20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100~1000倍的可調(diào)方式。6.4磁敏式傳感器的應(yīng)用6.4.2基于霍爾傳感器的通用型高斯計(jì)◆在測(cè)量磁通密度的儀器中有一種叫做高斯計(jì)。對(duì)測(cè)量范圍要求如果不過分苛刻的話，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6-21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-0.03%/℃~-0.04%/℃。TL499A為可變輸出系列的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其輸出為正10V電壓，LCL7660為