第六章磁電式傳感器

1第六章磁電式傳感器1.概述2.磁電感應(yīng)式傳感器3.霍爾式傳感器4.霍爾式傳感器的應(yīng)用5.磁敏傳感器2磁電式轉(zhuǎn)速傳感器

磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，通過磁電作用將被測量（如振動、轉(zhuǎn)速、扭矩）轉(zhuǎn)換成電信號。磁電式傳感器包括磁電感應(yīng)式傳感器和霍爾傳感器。磁電式振動速度傳感器磁電式位移傳感器1.概述32.磁電感應(yīng)式傳感器

磁電感應(yīng)式傳感器簡稱感應(yīng)式傳感器，是利用通過回路面積的磁通量發(fā)生變化，從而回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢而工作的，屬于機-電能量變換型傳感器。優(yōu)點: 1.不需要供電電源，電路簡單，

2.性能穩(wěn)定，輸出阻抗小

3.具有一定的工作帶寬（10～1000Hz）缺點：尺寸、質(zhì)量較大4一、磁電式傳感器的工作原理二、磁電式傳感器的類型三、磁電式傳感器的應(yīng)用2.磁電感應(yīng)式傳感器磁電式位移傳感器5一些知識補充：1.磁通：給定面積內(nèi)的總磁感應(yīng)強度。當磁感應(yīng)強度B均勻分布于磁體表面A時，磁通Φ的一般算式為Φ=B×A。磁通的SI單位是麥克斯韋。2.磁化強度：指材料內(nèi)部單位體積的磁矩矢量和，用M表示，單位是安/米（A/m）。3.磁場強度：指空間某處磁場的大小，用H表示，它的單位是安/米（A/m）。4.磁感應(yīng)強度：又稱為磁通密度，即單位面積內(nèi)的磁通量。單位是特斯拉（T）。B=μ0(H+M)，其中H和M分別是磁化強度和磁場強度，而μ0是真空導(dǎo)磁率。5.磁路：磁通流經(jīng)的回路稱為磁路。6.氣隙：磁回路中磁導(dǎo)率為1的間隙部分，一般為空氣間隙，但是也可為其它介質(zhì)。2.磁電感應(yīng)式傳感器6

一、磁電式傳感器的工作原理法拉第電磁感應(yīng)定律：磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。電路中感應(yīng)電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通變化率成正比。感應(yīng)電動勢大?。?/p>

2.磁電感應(yīng)式傳感器7

N為比例系數(shù)，E為感應(yīng)電勢，φ為磁通。當E的單位為伏特（V），φ的單位為韋伯（Wb），t的單位為秒（s）時，N＝1，這時感應(yīng)電勢為：

2.磁電感應(yīng)式傳感器8如果線圈是N匝，磁場強度是B，每匝線圈的平均長度L，線圈相對磁場運動的速度為:υ=dx/dt，則整個線圈中所產(chǎn)生的電動勢為：2.磁電感應(yīng)式傳感器9感應(yīng)電動勢的種類：動生電動勢和感生電動勢。（1）動生電動勢是因為導(dǎo)體自身在磁場中做切割磁感線運動而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，其方向用右手定則判斷。（2）感生電動勢是因為穿過閉合線圈的磁場強度發(fā)生變化產(chǎn)生渦旋電場導(dǎo)致電流定向運動。2.磁電感應(yīng)式傳感器10

二、磁電式傳感器的類型根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，電路中感應(yīng)電動勢的大小:其影響因素主要是磁通量Ф的變化，變化方式：

1.恒定磁通：磁鐵與線圈之間做相對運動；

2.變磁通：磁路中磁阻的變化；2.磁電感應(yīng)式傳感器11

（一）恒定磁通式如圖，恒定磁通磁電感應(yīng)式傳感器由永久磁鐵（磁鋼）4、線圈3、金屬骨架1和殼體5等組成。磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙是固定不變的，因而氣隙中的磁通也是恒定不變的。它們的運動部件可以是線圈也可以是磁鐵，因此又分為動圈式和動鐵式兩種結(jié)構(gòu)類型。2.磁電感應(yīng)式傳感器12演示：2.磁電感應(yīng)式傳感器13

磁鐵4與線圈3相對運動使線圈3切割磁力線，產(chǎn)生與運動線速度v或角速度ω成正比的感應(yīng)電動勢e為:

式中：B——工作氣隙磁感應(yīng)強度；

N——線圈處于工作氣隙磁場中的匝數(shù)，稱為工作匝數(shù)；

l——每匝線圈的平均長度；

S——每匝線圈的平均截面積。2.磁電感應(yīng)式傳感器14

由上式可知，在傳感器中當結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、l、N、S均為定值，感應(yīng)電動勢e與線圈相對磁場的運動速度(v或ω)成正比，所以這類傳感器的基本形式是速度傳感器，能直接測量線速度或角速度。如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動態(tài)測量。2.磁電感應(yīng)式傳感器15（二）變磁通式變磁通式傳感器又稱為變磁阻磁電感應(yīng)式傳感器或變氣隙磁電感應(yīng)式傳感器，常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。它們的結(jié)構(gòu)原理如圖。2.磁電感應(yīng)式傳感器16

圖5-2（a）為開磁路變磁通式，線圈3和磁鐵5靜止不動，測量齒輪2（導(dǎo)磁材料制成）安裝在被測旋轉(zhuǎn)體1上，隨之一起轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過一個齒，它與軟鐵4之間構(gòu)成的磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈3中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的變化頻率等于測量齒輪2上齒輪齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。2.磁電感應(yīng)式傳感器17

感應(yīng)電動勢的變化頻率：

f=nz/60

其中：n—每分鐘齒輪的轉(zhuǎn)速（r/min）

z—齒輪的齒數(shù)2.磁電感應(yīng)式傳感器

這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但需在被測對象上加裝齒輪，使用不方便，且因高速軸上加裝齒輪會帶來不平衡而不宜測高轉(zhuǎn)速。18

圖5-2（b）為閉磁路變磁通式結(jié)構(gòu)示意圖，被測旋轉(zhuǎn)體1帶動橢圓形測量輪2在磁場氣隙中等速轉(zhuǎn)動，使氣隙平均長度周期性地變化，因而磁路阻也周期性地變化，磁通同樣周期性地變化，則在線圈3中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其頻率f與測量輪2的轉(zhuǎn)速n（r·min-1）成正比，即f=n/30。2.磁電感應(yīng)式傳感器19

在這種結(jié)構(gòu)中，也可以用齒輪代替橢圓形測量輪2，軟鐵（極掌）4制成內(nèi)齒輪形式，這時輸出信號頻率為f=nz/60，其中z為測量齒輪的齒數(shù)。變磁通式傳感器對環(huán)境條件要求不高，能在-150℃～+90℃的溫度下工作，不影響測量精度，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為50Hz，上限可達100kHz。2.磁電感應(yīng)式傳感器20

由上述工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動態(tài)測量，可直接測量振動物體的速度或旋轉(zhuǎn)體的角速度。如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測量位移或加速度。2.磁電感應(yīng)式傳感器21

三、磁電式傳感器的應(yīng)用（一）磁電感應(yīng)式振動速度傳感器以CD-1型為例，它是一種絕對振動傳感器，主要技術(shù)規(guī)格為：工作頻率10~500Hz；靈敏度600mV·s/cm；最大可測速度5g；可測振幅范圍0.1~100μm；精度≤10%；外形尺寸φ45mm×160mm；質(zhì)量0.7kg。

2.磁電感應(yīng)式傳感器22

它屬于動圈式恒定磁通型。其結(jié)構(gòu)原理圖如下所示，永久磁鐵3通過鋁架4和圓筒形導(dǎo)磁材料制成的殼體7固定在一起，形成磁路系統(tǒng)。工作線圈和圓環(huán)阻尼器用同心軸5連在一起組成質(zhì)量塊，用圓形彈簧片1和8支承在殼體上。2.磁電感應(yīng)式傳感器23

使用時，將傳感器固定在被測振動體上隨被測體振動，線圈在磁路系統(tǒng)的環(huán)形氣隙中相對磁鐵運動，以振動體的振動速度切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。同時良導(dǎo)體阻尼器也在磁路系統(tǒng)氣隙中運動，感應(yīng)產(chǎn)生渦流，形成系統(tǒng)的阻尼力，起衰減固有振動和擴展頻率響應(yīng)范圍的作用。2.磁電感應(yīng)式傳感器24

該傳感器測量的是振動速度參數(shù)，若在測量電路中接入積分電路，則輸出電勢與位移成正比；若在測量電路中接入微分電路，則其輸出與加速度成正比。2.磁電感應(yīng)式傳感器25

如CS-CD-1型磁電式速度傳感器是專門用于安裝在蘇-27、蘇-30飛機上的發(fā)動機進行振動測量或?qū)︼w行中的發(fā)動機進行動態(tài)監(jiān)測的一種速度傳感器。傳感器固定在航空發(fā)動機的機匣上，當發(fā)動機處于工作狀態(tài)時，磁電式速度傳感器中的永久磁鋼與線圈產(chǎn)生相對運動，線圈輸出與相對運動速度成正比的電信號。參數(shù)：

測量速度范圍：1～12cm/s；工作溫度：-20℃～200℃2.磁電感應(yīng)式傳感器26（二）磁電式扭矩傳感器下圖是磁電式扭矩傳感器的工作原理圖。在驅(qū)動源和負載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤，旁邊裝有兩個磁電傳感器。傳感器的檢測元件由永久磁鐵、感應(yīng)線圈和鐵芯組成。永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線與齒形圓盤交鏈。當齒形圓盤旋轉(zhuǎn)時，圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變化，于是磁通量也發(fā)生變化，在線圈中感應(yīng)出交流電壓，其頻率在數(shù)值上等于圓盤上齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)的乘積。2.磁電感應(yīng)式傳感器27圖磁電式扭矩傳感器工作原理圖2.磁電感應(yīng)式傳感器28圖磁電式傳感器結(jié)構(gòu)圖

當扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時，兩個磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2存在相位差。這個相位差與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比。這樣，傳感器就可以把扭矩引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號。2.磁電感應(yīng)式傳感器29休息一下大學生競選村官，村主任就讓他整個既能普及英語又能宣傳治安政策的節(jié)目。為了在金融危機下能有份工作，大學生絞盡腦汁，冥思苦想了一個晚上。第二天一大早，就聽村頭炮竹聲聲，鑼鼓喧天，村主任跑來一看，就瞧見大學生邊敲鼓邊領(lǐng)村民RAP道：Don’tdon’tdon’tdon’t搶don’tdon’tdon’tdon’t搶don’t搶don’t搶don’tdon’t搶！~303.霍爾式傳感器（一）霍爾傳感器工作原理（二）霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路（三）霍爾元件的主要特性參數(shù)（四）溫度誤差及其補償31

霍爾傳感器是利用半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)進行測量的一種傳感器。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，由于霍爾效應(yīng)的顯著特性使霍爾傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。它可以直接測量磁場及微位移量，也可以間接測量液位、壓力等工業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)。目前霍爾傳感器已從分立元件發(fā)展到了集成電路的階段，正越來越受到人們的重視，應(yīng)用日益廣泛。

霍爾元件是一種四端元件3.霍爾式傳感器32

（一）霍爾傳感器工作原理在置于磁場中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。3.霍爾式傳感器33

作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軺H可用下式表示：其中，RH為霍爾系數(shù)，KH為靈敏度系數(shù)，n為半導(dǎo)體中單位體積的電子數(shù)，e為電子電量，d為半導(dǎo)體厚度。3.霍爾式傳感器34霍爾效應(yīng)演示

當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢（用左手判斷，電子是載流子）。cdab3.霍爾式傳感器35

若磁感應(yīng)強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時的霍爾電勢為

EH=KHIBcos

結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強度B成正比，且當B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。3.霍爾式傳感器36霍爾電勢:=霍爾常數(shù):其中：n為半導(dǎo)體中單位體積電子數(shù)，e為電子電量①霍爾常數(shù)大小取決于導(dǎo)體的載流子密度金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢也小，所以金屬材料不宜制作霍爾元件。②霍爾電勢與導(dǎo)體厚度d成反比為了提高霍爾電勢值，霍爾元件制成薄片形狀。③霍爾元件靈敏度（靈敏系數(shù)）半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運動平均速度）比空穴遷移率高，因此N型半導(dǎo)體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件。3.霍爾式傳感器37

（二）霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路圖（a）中，從矩形薄片半導(dǎo)體基片上的兩個相互垂直方向側(cè)面上，引出一對電極，其中1-1電極用于加控制電流，稱控制電極。另一對2-2電極用于引出霍爾電勢，稱霍爾電勢輸出極。在基片外面用金屬或陶瓷、環(huán)氧樹脂等封裝作為外殼。圖（b）是霍爾元件通用的圖形符號。3.霍爾式傳感器38圖（c）所示，霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對霍爾電勢數(shù)值影響很大。通常霍爾電極位于基片長度的中間，其寬度遠小于基片的長度。圖（d）是基本測量電路。3.霍爾式傳感器39（三）霍爾元件的主要特性參數(shù)(1)輸入電阻和輸出電阻

輸入電阻：控制電極間的電阻

輸出電阻：霍爾電極之間的電阻(2)額定控制電流和最大允許控制電流

額定控制電流：當霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產(chǎn)生10℃溫升時，對應(yīng)的控制電流值。

最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對應(yīng)的控制電流值。3.霍爾式傳感器40

(3)不等位電勢Uo和不等位電阻ro

不等位電勢：當霍爾元件的控制電流為額定值時，若元件所處位置的磁感應(yīng)強度為零，測得的空載霍爾電勢。不等位電勢是由霍爾電極2和2’之間的電阻決定的，r0稱不等位電阻。3.霍爾式傳感器41U0產(chǎn)生的原因是由于①制造工藝不可能保證將兩個霍爾學電極對稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩極點不能完全位于同一等位面上；②霍爾片電阻率不均勻；③霍爾片厚薄不均勻；④控制電流極接觸不良，都將使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動勢。一般要求U0<1mV。除了工藝上采取措施降低U0外，還需采用補償電路加以補償。3.霍爾式傳感器42霍爾元件的主要特性參數(shù)(4)霍爾電勢溫度系數(shù)在一定磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度每變化1度時，霍爾電勢變化的百分率。3.霍爾式傳感器43（四）溫度誤差及其補償

1.溫度誤差產(chǎn)生原因： 霍爾元件的基片是半導(dǎo)體材料，因而對溫度的變化很敏感。其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數(shù)都是溫度的函數(shù)。 當溫度變化時，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電勢、輸入電阻和輸出電阻等都要發(fā)生變化，從而使霍爾式傳感器產(chǎn)生溫度誤差。2.減小霍爾元件的溫度誤差

①選用溫度系數(shù)小的元件②采用恒溫措施③采用恒流源供電3.霍爾式傳感器444.霍爾式傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢是關(guān)于I、B、

三個變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。451.霍爾特斯拉計（高斯計）霍爾元件4.霍爾式傳感器的應(yīng)用磁鐵462.直接使用霍爾傳感器的電路測量磁場強度

霍爾元件測量鐵心氣隙的B值4.霍爾式傳感器的應(yīng)用47

3.霍爾轉(zhuǎn)速表在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵4.霍爾式傳感器的應(yīng)用48

霍爾轉(zhuǎn)速表原理當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。4.霍爾式傳感器的應(yīng)用49霍爾轉(zhuǎn)速表的一些安裝方法

只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號。

霍爾元件磁鐵4.霍爾式傳感器的應(yīng)用504.霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾

緊急制動通常會造成輪胎抱死，這時，滾動摩擦變成滑動摩擦，制動力大大下降。如果前輪抱死，車輛就失去了轉(zhuǎn)向能力；如果后輪先抱死，車輛容易產(chǎn)生側(cè)滑，使車行方向變得無法控制。ABS防抱制動系統(tǒng)由汽車微電腦控制，當車輛制動時，它能使車輪保持轉(zhuǎn)動，從而幫助駕駛員控制車輛達到安全的停車。系統(tǒng)使用速度傳感器檢測車輪速度，然后把車輪速度信號傳送到微電腦里，微電腦根據(jù)輸入車輪速度，通過重復(fù)地減少或增加在輪子上的制動壓力來控制車輪的打滑率，保持車輪轉(zhuǎn)動，確保輪胎的最大制動力以及制動過程中的轉(zhuǎn)向能力，使車輛在緊急制動時也具有躲避障礙的能力。4.霍爾式傳感器的應(yīng)用一位白人到黑人區(qū)發(fā)表競選演說，為了贏得黑人選民的支持，演說中他竟脫口而出：“雖然我的皮膚是白的，但心卻和你們一樣黑?！?/p>

51休息一下525.霍爾式無觸點汽車電子點火裝置

采用霍爾式無觸點電子點火裝置能較好地克服汽車合金觸點點火時間不準確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。

汽車點火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭4.霍爾式傳感器的應(yīng)用53汽車電子點火裝置使用的----點火控制器、霍爾傳感器及點火總成磁鐵點火模塊4.霍爾式傳感器的應(yīng)用546.霍爾式無刷電動機

霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉(zhuǎn)。由于無刷電動機不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機、CD唱機、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。普通直流電動機使用的電刷和換向器4.霍爾式傳感器的應(yīng)用554.霍爾式傳感器的應(yīng)用56無刷電動機在電動自行車上的應(yīng)用電動自行車可充電電池組無刷電動機4.霍爾式傳感器的應(yīng)用57

無刷直流電動機的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個狀態(tài)編碼信號，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無火花、可靠性強等特點。4.霍爾式傳感器的應(yīng)用58光驅(qū)用的無刷電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.霍爾式傳感器的應(yīng)用597.霍爾式接近開關(guān)

當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。4.霍爾式傳感器的應(yīng)用60

用霍爾IC也能完成接近開關(guān)的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強的閉合磁場。

在右圖中，當磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動電路使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。

4.霍爾式傳感器的應(yīng)用61霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICTn=60f4(r/min)4.霍爾式傳感器的應(yīng)用628.霍爾電流傳感器

將被測電流的導(dǎo)線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當有電流通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。4.霍爾式傳感器的應(yīng)用63霍爾鉗形電流表

（交直流兩用）壓舌豁口4.霍爾式傳感器的應(yīng)用64霍爾鉗形電流表的使用被測電流的導(dǎo)線從此處穿入鉗形表的環(huán)形鐵心手指按下此處，將鉗形表的鐵心張開將被測電流導(dǎo)線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中

將空調(diào)電源的“三芯護套線”夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中，鉗形表的示值為多少？為什么？4.霍爾式傳感器的應(yīng)用65霍爾鉗形電流表的使用（續(xù)）

叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便

用鉗形表測量電動機的相電流4.霍爾式傳感器的應(yīng)用9.霍爾計數(shù)裝置當鋼球滾過霍爾傳感器位置時，傳感器輸出一個峰值為20mV的脈沖，此脈沖信號經(jīng)μA741運放放大后驅(qū)動2N5812三極管，使之完成導(dǎo)通、截止過程。把計數(shù)器接于三極管2N5812輸出端即可構(gòu)成計數(shù)器。664.霍爾式傳感器的應(yīng)用67休息一下有兩條蛇遇到了一起。

其中有一條蛇問:“大哥，我們有毒嗎?"

另一條蛇問:"你說這干啥."

那條蛇說:"我咬到了自己的舌頭"一、磁敏電阻二、磁敏二極管三、磁敏傳感器的應(yīng)用685.磁敏傳感器磁敏測速傳感器磁敏角度傳感器69第3章半導(dǎo)體傳感器

早在1856年和1879年，人們就發(fā)現(xiàn)了磁阻效應(yīng)和霍爾效應(yīng)，但作為實用的磁敏傳感器則產(chǎn)生于半導(dǎo)體材料發(fā)現(xiàn)之后。20世紀60年代初，西門子公司研制出了第一個實用的磁敏元件；1968年索尼公司研制出性能優(yōu)良、靈敏度高的磁敏二極管；1974年美國韋岡德發(fā)明了雙穩(wěn)態(tài)磁性元件。

3.1磁敏式傳感器5.磁敏傳感器

磁敏傳感器是基于磁電轉(zhuǎn)換原理的傳感器，按其結(jié)構(gòu)可分為體型和結(jié)型兩大類，體型磁敏傳感器包括霍爾傳感器（材料主要有InSb，InAs，GaAs等）和磁敏電阻(材料主要有InSb，InAs)；結(jié)型磁敏傳感器有磁敏二極管(Ge,Si)、磁敏晶體管(Si)。本節(jié)主要介紹磁敏電阻和磁敏二極管。705.磁敏傳感器71一、磁敏電阻（一）磁阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料的電阻率隨磁場強度的增強而變大，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，利用磁阻效應(yīng)制成的元件稱為磁敏電阻。

5.磁敏傳感器

當溫度恒定時，在磁場中，磁阻與磁感應(yīng)強度B的平方成正比。如果器件只有在電子參與導(dǎo)電的情況下，理論推導(dǎo)出來的磁阻效應(yīng)方程為：電阻率的相對變化：為電子遷移率，指載流子(電子和空穴)在單位電場作用下的平均漂移速度725.磁敏傳感器73

可以看出，在磁感應(yīng)強度Ｂ一定時，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為電流的流動路徑因磁場的作用而加長所致。5.磁敏傳感器74（二）磁敏電阻的結(jié)構(gòu)磁阻效應(yīng)除了與材料有關(guān)外，還與磁敏電阻的形狀有關(guān)。在恒定磁感應(yīng)強度下，磁敏電阻的長度與寬度的比越小，電阻率的相對變化越大。5.磁敏傳感器75

長方形磁阻器件只有在l<b的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。在實際制作磁阻器件時，需在l>b的長方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬條（短路柵格），以短路霍爾電勢。圖14長方形磁阻器件5.磁敏傳感器76圖15圓盤形磁阻器件圓盤形的磁阻最大，常見的磁敏電阻是圓盤形的，中心和邊緣處為兩電極。這種圓盤形磁阻器叫科爾比諾圓盤。其磁阻效應(yīng)叫科爾比諾效應(yīng)。5.磁敏傳感器77（三）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。在運算時常用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)強度時磁阻元件的電阻值。

5.磁敏傳感器78(b)電阻變化率特性RB/R015105溫度(25℃)弱磁場下呈平方特性變化強場下呈直線特性變化00.20.40.60.81.01.21.4B/T(a)S、N級之間電阻特性S級N級0.30.20.100.10.20.3R/Ω1000500B/T圖16靈敏度特性5.磁敏傳感器792.電阻—溫度特性半導(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)減小的很快。因此，在應(yīng)用時，一般都要設(shè)計溫度補償電路。溫度（℃）020150504080100電阻（Ω）100605.磁敏傳感器80二、磁敏二極管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的一面磨成光滑的無復(fù)合表面（為I區(qū)），另一面打毛，設(shè)成高復(fù)合區(qū)（為r區(qū)），因為電子—空穴對易于在粗糙表面復(fù)合而消失。圖17磁敏二極管結(jié)構(gòu)示意圖5.磁敏傳感器812.磁敏二極管的工作原理當磁敏二極管末受到外界磁場作用時，外加正