磁敏式传感器ppt课件

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1、现代检测技术 磁敏式传感器,精勤求学 敦笃励志 果毅力行 忠恕任事,固态传感器,以半导体、电介质、铁电体等为敏感材料，在力、磁、热、光、射线、气体、湿度等因素作用下引起材料物理特性变化，通过检测其物理特性变化即可反映被测参数值。 优点： 结构简单、小型轻量； 动态响应好，输出为电量； 易实现集成化、多功能化、图像化、智能化； 功耗低，安全可靠。 缺点：线性范围窄、易受温度影响、参数离散性大。 代表传感器的重要发展方向（磁敏、光敏、气敏、湿敏）,Xian Jiaotong University,磁敏式传感器,磁电式传感器,霍尔传感器,磁敏电阻,磁敏二极管、磁敏晶体管,Xian Jiaotong

2、University,种类：变气隙（磁通）式（变磁阻式），由被测物体运动改变磁阻，线圈与磁铁之间没有相对运动； 恒磁通式（动圈式和动铁式），线圈与磁铁之间存在相对运动。,原理：根据电磁感应定律，在任何电路或与磁通交链的w匝线圈中，当随时间变化时，将感应出与磁通变化速率成正比的电压或电势：,磁电式传感器,Xian Jiaotong University,例1：闭磁路变磁通式 由被测物体运动引起磁阻变化，在线圈中产生感应电势。,频数,转速,偏心量,振动量,磁电式传感器,Xian Jiaotong University,例2：动圈式和动铁式，线圈和磁铁间存在相对运动。,B0 工作气隙磁感应强度； L

3、 每匝线圈平均长度； W 线圈匝数； v 相对运动速度 构成线速度传感器,磁电式传感器,Xian Jiaotong University,磁电式传感器,应用 测振式传感器 航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、高层建筑等的振动监测与研究。 质量为m、弹簧刚度为k，阻尼系数为b的单自由度机械振动系统，要求选择较大的质量块m和较小的弹簧常数k。 磁电式力发生器与激振器 磁电式传感器具有双向转换特性，如果给速度传感器的线圈输入电量，那么其输出量即为机械量。 扭矩测量、流量测量,Xian Jiaotong University,磁电式传感器,扭矩

4、测量 当被测轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位差为零；当被测轴感受扭矩时，轴的两端产生扭转角，因此传感器输出的两个感生电势将因扭矩而有附加相位差。,Xian Jiaotong University,液体流动方向由外到内,磁电式传感器,电磁流量计在导电的、非磁性液体外部建立激励磁场，将产生与磁场和流动方向垂直的电动势。,Xian Jiaotong University,Xian Jiaotong University,磁电式传感器,此方法适用于导电、非磁性液体，输出与液体密度、温度、粘滞度等无关，可用于血液流量测量。,置于磁场中的载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行电流

5、和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应。,霍尔式传感器,Xian Jiaotong University,Xian Jiaotong University,霍尔式传感器基本原理,载流子在磁场中受到洛伦兹力的作用而发生偏转，从而形成电场E，当载流子受到的电场力与洛伦兹力达到动态平衡时，累积电荷形成稳定的电势UH 。,其中 霍尔常数 磁场与元件平面法线方向的夹角 d 与磁场方向一致的霍尔元件厚度,由 得知，d 越小， 越大，则感生电动 势越大，故一般霍尔元件是由霍尔系数很大的N型半 导体材料制作的薄片，厚度微米级。,霍尔式传感器的结构,a、a激励电极、控制电极， b、b霍尔电极,

6、Xian Jiaotong University,Xian Jiaotong University,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。,霍尔元件多采用N型半导体材料（高的电阻率和载流子的迁移率）。目前最常用的霍尔元件材料有N型锗(Ge)、N型硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。 封装非磁性金属、陶瓷、环氧树脂。,霍尔式传感器的材料,霍尔式传感器的测量电路,R调节电阻 RL负载电阻 在实际使用中，可以把激励电流I或外磁场感应强度B作为输入信号，而输出信号正比于I或B，或两者的乘积。,基本电路,Xian Jiaotong University,霍尔式传感器的测量电路

7、,电磁特性UH I 特性,直线斜率称为控制电流灵敏度： 控制电流为交流时频率可达几千兆赫兹，且元件噪音很小。,图中HZ表示锗霍尔元件,Xian Jiaotong University,霍尔式传感器的测量电路,电磁特性UH B特性,当控制电流不变时，元件开路霍尔电势随磁场的增加不完全呈线性关系，通常在0.5T以下时线性度较好。,Xian Jiaotong University,霍尔元件的转换效率较低，可将几个霍尔元件的输出串联或采用运算放大器放大，以获得较大的UH。,将霍尔元件与放大、整形等电路集成在同一芯片上，具有体积小、灵敏度高、价格便宜、性能稳定等优点。,霍尔式传感器的测量电路,Xian

8、Jiaotong University,霍尔集成传感器有线性型和开关型两种。 线性型霍尔集成传感器将霍尔元件、恒流源和线性放大器等集成在一块芯片上，输出电压较高（伏级），使用方便。,线性型霍尔式传感器,Xian Jiaotong University,开关型霍尔集成传感器将霍尔元件、稳压器、差分放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在一块芯片上。当外加磁场强度达到或超过工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出变为高电平。,开关型霍尔式传感器,Xian Jiaotong University,误差分析及其补偿,不

9、等位电势误差及其补偿,B=0，当霍尔电极2、2不在同一等位面上时，输出电压将不为零，补偿的目的是使电桥恢复平衡，常用的方法是采用补偿网络。,Xian Jiaotong University,误差分析及其补偿,不等位电势误差补偿线路,Xian Jiaotong University,误差分析及其补偿,温度误差及其补偿,霍尔元件对温度变化十分敏感，设基准温度为T0：,温度为T时，令t=T-T0：,Xian Jiaotong University,Xian Jiaotong University,误差分析及其补偿,由于霍尔元件灵敏度温度系数和补偿电阻温度系数远远小于霍尔元件内阻温度系数，即： ，当元

10、件确定后，可根据下式确定补偿电阻值。,应用：磁场强度传感器（高斯计）；电流、电压传感器；位移、压力、加速度传感器等。,特点：结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等。,霍尔式转速测量传感器 根据霍尔传感器的输出脉冲数可计算出车轮转速,霍尔式传感器的应用,Xian Jiaotong University,霍尔器件在x方向上长度为b，x0 是位于气隙下的初始长度。此传感器常采用差动结构。,霍尔式位移传感器,Xian Jiaotong University,计数传感器,霍尔式计数传感器,Xian Jiaotong University,Xian

11、Jiaotong University,霍尔式传感器的应用,霍尔电流传感器,霍尔电压传感器,目前汽车中大部分使用的还是接触型的传感器，非接触型传感器的价格不占优势，但它却具有环保、耐用、抗震、易安装等接触型传感器无法匹敌的优点，向非接触传感方向发展将是大势所趋。在非接触型传感器中，凭借着高可靠性等优势，霍尔效应传感器(Hall Effect Sensor)在汽车领域赢得广泛的应用空间。如检测齿轮齿速、油门位置、尾气再循环阀位置、马达与传动的速度和位置、用于防锁闸和牵引系统的车轮速度传感器、脚踏板、座椅安全带、刹车与离合器的位置、车锁、车窗及油耗等诸多方面。,当一载流半导体置于磁场中，其电阻值会

12、随磁场而变化的这种现象称为磁阻效应。在磁场作用下，半导体片内电流分布是不均匀的，改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，故表现为半导体片的电阻变化。,式中：0零磁场时的电阻率； 磁感应强度为B时电阻率的变化量； K比例因子； 电子迁移率； B磁感应强度； L，b分别为磁敏电阻的长（沿电流方向）和宽； f(L/b)形状效应系数。,磁敏电阻,Xian Jiaotong University,磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。,与霍尔效应的区别：霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。,磁阻效应,Xi

13、an Jiaotong University,磁敏电阻常选用锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）和锑化铌 （ NiSb ）等半导体材料，在绝缘基片上蒸镀薄的半导体材料，也可在半导体薄片上光刻或腐蚀成型（栅状结构）。,磁敏电阻的结构和特性,Xian Jiaotong University,主要特性： 磁电特性：当B0.3T时，成线性关系。与磁场的正负无关； 温度特性：温度系数影响大； 频率特性：工作频率范围大，一般为110MHz；磁感应的范围比霍尔元件大。,磁敏电阻的结构和特性,Xian Jiaotong University,接近开关和无触点开关、计数器；无接触线位移传感器；力、加速度等参数

14、的测量；精密倾斜角测量等。,R1、R2,磁敏电阻位移传感器,磁敏电阻的应用,线性、角度、旋转位移传感器，可以测量磁场强度。,Xian Jiaotong University,磁敏二极管、三极管,P型和N型电极由高阻材料制成，I为本征区。I区的r面粗糙，设置成高复合区（r区），目的是使电子空穴对易于在粗糙表面复合而消失；另一面比较光滑。,磁敏二极管,Xian Jiaotong University,磁场强度的改变引起电流发生变化，实现磁电转换。,当磁敏二极管受到外界磁场H+作用时，电子和空穴受到洛仑兹力的作用向r区偏转，电子和空穴复合速度加快，所形成的电流减小； 当磁敏二极管受到外界磁场H作用时

15、，电子和空穴受到洛仑兹力的作用向I区偏转，电子和空穴复合速度减慢，所形成的电流增大。,磁敏二极管工作原理,Xian Jiaotong University,如果外加正向偏压，即P区接正，N区接负，那么将会有大量空穴从P区注入到I区，同时也有大量电子从N区注入到I区，如将这样的磁敏三极管置于磁场中，则注入的电子和空穴都要受到洛仑兹力的作用而向一个方向偏转，当磁场方向使电子和空穴向r面偏转时，它们将因复合而消失，因而电流很小；当磁场方向使电子和空穴向光滑面偏转时它们的复合率变小，电流就大。,磁敏三极管工作原理,Xian Jiaotong University,由此可见，高复合面与光滑面的复合率差别

16、愈大，磁敏三极管的灵敏度也就愈高。磁敏三极管在不同的磁场强度和方向下的伏安特性曲线不同。利用这些特性曲线就能根据某一偏压下的电流值来确定磁场的大小和方向。,在正反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。当受到正向磁场(H+) 作用时，载流子向发射极一侧偏转，使集电极电流减小。当受到负向磁场(H-)作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。,Xian Jiaotong University,(1) 灵敏度高，磁敏三极管的灵敏度比霍尔元件高几百甚至上千倍，而且线路简单，成本低廉，更适合于测量弱磁场。 (2) 具有正反磁灵敏度，这一点是磁阻器件所欠缺的。 (3) 灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄。这一点不如霍尔元件。磁敏三极管可用来检测交、直流磁场，特别适合于测量弱磁场；可制作箝位电流计，对高压线进行不断线、无接触电流测量；还可作无触点开关，无接触电位计等。,磁敏三极管的特点,Xian Jiaotong University,1待测物，2激励线圈，