《传感器及其信号调理技术 教学课件 ppt 作者 徐湘元 第6章（2）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器及其信号调理技术 教学课件 ppt 作者 徐湘元 第6章（2）（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、磁敏电阻的基本特性,（1）B-R 特性 该特性一般由无磁场时的电阻 和磁感强度为B时的电阻 来描述。通常情况是： 随元件形状不同而异，约为几十欧姆至几千欧姆，而 随 B 的变化而不同。图6-19 (a) 和6-19 (b) 分别为锑化铟（InSb）磁敏电阻和锑化铟-锑化镍（InSb-NiSb）磁敏电阻元件的 B-R 特性曲线。,(2) 灵敏度 磁敏电阻的灵敏度可用下式表述,(a) InSb的B-R特性曲线,(b) InSb-NiSb的B-R特性曲线,图6-19 磁阻元件的B-R特性图,其中， 为磁感应强度为0.3T时的 值， 为无磁场时的电阻。一般有：,（3）电阻温度特性 半导体磁阻元件的温度
2、特性不好，所以应用时一般需设计温度补偿电路。强磁磁阻元件常用恒压方式，以获得较好的温度性能。,6.2.2 磁敏电阻的应用,1 磁敏电阻元件,制作磁敏电阻时，通常是在一块衬底上做两个相互串联的磁敏电阻，或者四个磁敏电阻组成电桥形式，其线路如图6-20所示。磁敏电阻的阻值通常在几百欧姆至几千欧姆之间，工作电压不超过12V，频率可达MHZ，动态范围宽，信噪比高。,图6-20 磁敏电阻线路结构,下面几种磁敏电阻产品来自日本，并被广泛采用。 MR214A/223A：用强磁性金属薄膜组成，工作在磁性饱和区，常用于检测角位移和线位移。 DM106B：在硅基板上附加强磁体，在8000A/m磁场强度下工作，多用
3、于旋转磁场,，输出电压可达80mV。, FPC/FPA系列：内置有放大器、整形电路等，具有信噪比高、频率特性好等优点，常用来检测位置（含接近开关）和转速等。 M413A/414A：4个磁敏电阻接成电桥形式，可测旋转方向、角度等量。 BS系列（图像识别）：可用来识别纸币及磁性墨水印刷品，也可用于磁性物体的位置及角度的测量。,2. 应用,图6-21磁敏电阻位移测量,磁敏电阻的应用主要利用它随磁场的变化，其磁阻也发生变化的特点来进行，其阻值范围一般在几百欧至几千欧之间变动。它可制成无触点开关、压力开关、位移传感器、安培计、交流放大器和振荡器等。下面看一个基于磁阻效应的位移测量例子。 磁阻效应位移测量
4、：如图 6-21 有两块磁阻元件 和 置于磁场中，它们相对磁场产生位,移，于是磁阻元件的阻值发生变化，假如 变小， 变大，由于它们连接在电桥中，于是导致电桥的输出电压与电阻的变化成比例。,6.3 磁敏半导体传感器,6.3.1 磁敏二极管及其应用,1结构与工作原理,磁敏二极管（magneto crystal diode）由锗或硅半导体材料制成，其结构和符号如图6-22 (a) 所示。在高阻半导体芯片（本征型 I）两端，分别制作P、N两极，且使P和N极均为重掺杂区，两区的长度大大小于本征区 I，从而使整个半导体材料形成 P-I-N 结构。与此同时，对 I 区的两侧进行不同处理：前侧打毛，粗糙的表面
5、易于电子和空穴复合，称此面为 r 面（recombination surface），另一侧磨光为光滑面。于是，构成了磁敏二极管。,r 面（复合区）,（a）结构与符号,（b）无磁场时的情况,（c）磁场从外向内的情况 （d）磁场从内向外的情况,图6-22 磁敏二极管结构与工作示意图,在磁敏二极管外加正偏压，即P区接正极，N 区接负极，于是大量空穴从 P 区进入I区，同时大量的电子从N区注入 I 区，假如此时未加磁场，则情况如图6-22 (b) 所示；若加入磁场，方向为从外向里，则注入的空穴和电子均受到洛伦兹力作用，而偏向r面，并进行复合而消失，因而电流较小，如图6-22 ( c ) 所示；当磁场方
6、向由里向外时，大量的空穴和电子转向光滑面，因复合率变小而使电流变大，如图6-22 (d) 所示。由此可见，r 面和光滑面的复合率相差越大，磁敏二极管灵敏度越高。,2磁敏二极管的主要特性, 伏安特性：硅磁敏二极管的伏安特性如图6-23所示，当保持电压恒定条件下，随着外加磁场由负转正，电流逐渐变小，并且曲线形状由弯曲向直线演变。, 电压相对灵敏度：在恒流源偏置下，硅磁敏二极管输出电压 随磁感强度 B 改变的相对变化量，如图 6-24。正向灵敏度大于反向灵敏度。当 B 在00.1T时，输出电压与磁感强度呈线性关系，当磁场强度再增加时，输出电压饱和（图中未表示出）。, 温度特性：磁感强度不变时，硅磁敏
7、二极管输出电压随温度的变化特性，见图6-25，它具有正温度系数。,常用的国产磁敏二极管主要有硅材料做成的2DCM系列和由锗材料制成的2ACM系列，其参数如表 6-5。,图6-23 伏安特性,图6-24 电压相对灵敏度,图6-25 温度特性,3. 磁敏二极管的温度补偿电路,磁敏二极管受温度影响比较大，为避免使用中产生较大误差，应进行温度补偿，补偿一般有下列三种形式。 （1）互补式：选用特性相近的两只磁敏二极管，按磁极相反的方向组合，将两管串接在电路中，如图 6-26（a）所示。无磁场作用时的输出电压 取决于两管的电阻分压比，当温度变化时，两管的等效电阻均改变，若其特性相同，则分压比关系不变，所以
8、输出电压 不随温度变。 （2）差分式：按如图 6-26（b）所示接法，则有 ，若输出电压不对称，可通过调节电阻 和 ，使输出得以改善。 （3）全桥式：按如图 6-26 (c) 所示接法，输出电压为,表6-5 2DCM、2ACM系列磁敏二极管的主要参数,该电路有较高的磁灵敏度，它对器件选择要求高，四个磁敏二极管特性越接近越好。它适用于对磁灵敏度要求较高的场合。,（a）互补式,（b） 差分式,（c）全桥式,图6-26 温度补偿电路,4应用,磁敏二极管可用来检测交流和直流磁场，尤其是比较弱的磁场，可制作箝位电流计，也可用作无触点开关、无接触电位计、漏磁探伤仪等。, 无触点开关,图 6-27是一个无触
9、点开关电路，具体由四个磁敏二极管组成桥式检测电路、两个整流稳压电路、继电器、晶闸管VT2、三极管VT1和被控制电路等组成。当无磁场时，磁敏,二级管组成的电桥平衡，无信号输出；当磁铁运行到磁敏二极管附近时，平衡被打破，磁,图6-27 磁敏二极管作为无触点开关的应用,敏二极管组成的电桥有信号加在VT1的基极和发射极之间，并使其导通。由于R1 上的压降升高，导致晶闸管VT2导通，从而继电器线圈k得电，并使常开触头K-1和K-2闭合，指示灯亮，控制电路接通，开始工作。, 漏磁探伤仪,1被探钢棍 2励磁线圈 3铁芯,4放大电路 5探头 6缺陷,图6-28 漏磁探伤仪截面图,利用磁敏二极管可检测弱磁场变化
10、，可制成漏磁探伤仪，其原理见图6-28。设被测件为钢棍，它被磁化的部分与铁芯构成闭合磁路，由激磁线圈产生的磁通通过钢棍局部表面。如果钢棍无缺陷，探头附近无泄露磁通，探头没有电信号输出；如果钢棍局部有缺陷，缺陷处的漏磁通作用于探头上，探头产生输出信号，然后经放大等信号处理，送给监视器或记录仪。探伤过程中，钢棍需不断转动，同时探头和带铁芯的激磁线圈沿钢棍轴向运动，快速检测钢棍的全部表面。,当然，在这个漏磁探伤仪中，其探头和放大部,分还有一些具体的设计与考量，限于篇幅，不能一一细叙。,6.3.2 磁敏三极管及应用,1磁敏三极管的结构与工作原理,磁敏三极管（magneto sensitivity tr
11、ansistor）由锗材料或者硅材料制成，一般是在一块高阻半导体材料 I 上制成 结构，并在发射区一侧用喷砂的方法破坏一层晶格，形成载流子高复合区r，整个元件采用平板结构，发射区和集电区设在上下表层边角,处。磁敏三极管结构和符号如图 6-29 所示。,图6-29 磁敏三极管结构与符号,磁敏三极管的工作原理如图6-30所示。这里分三种情况考虑：一是无外磁场作用时，在横向电场作用下，发射极电流大部分流向基极，小部分形成集电极电流，从而电流放大倍数 ，如图6-30（a）所示；二是受正向磁场的作用（方向向内），如图6-30（b）所示，洛伦兹力使载流子向基极偏转，集电极电流 减小，基极电流 增加。流向基
12、区的电子经过复合区 r 时，被大量复合，使I区载流子浓度大为减少，成为高阻区。高阻区又使发射结上的电压减小，注入 I 区的电子数随之减少，使集电极电流进一步减小，同时流向基区的电子数也减少；三是受反相磁场的作用（方向向外），如图 6-30（c）所示，集电极电流增加，基极电流减小。由此可见，可用磁场方向控制集电极电流的增减，用磁场强弱控制集电极电流的大小变化。,（c）反向磁场下,图6-30 磁敏三极管工作示意图,（a）无外磁场,（b）正向磁场下,磁敏三极管技术特性主要有磁灵敏度和输出特性。磁灵敏度用 表示，它是指当基极电流恒定，无外加磁场的集电极电流 与外加磁场强度是 时集电极电流 相对变化值：
13、输出特性是基极电流恒定时，集电极电流与外加磁场的关系特性。,2磁敏三极管的应用,磁敏的三极管的灵敏度比霍尔元件高得多（12数量级），同时具有响应速度快、无触点、输出功率大、成本低等特点，在生产和实验中得到了广泛的应用。例如，磁力检测、位移测量、转速测量和无损探伤等。磁敏三极管具有广泛的发展前景。, 作电位器使用,图 6-31 是磁敏三极管作为电位器使用的例子。将磁敏三极管置于0.1T的磁场中，通过 改变磁敏三极管的基极电流，电路的输出电压在0.7-15V间连续变化。这相当于一,个电位器，并且无触点，因此可用于变化频繁、调节迅速、噪声要求较低的场合。其中2ACM 是一个磁敏二极管，BGm为磁敏三
14、极管。,图6-31 无触点电位器,图6-32 有源负载接口电路, 有源负载接口电路,图 6-32 是由磁敏三极管构成的有源负载接口电路，可用来检测磁场强度、电流、流量、液位等物理量，还可作为接近开关、限位开关等使用。,图中采用了温度特性较好的4CCM型磁敏三极管组成的有源负载接口电路。其中，VT3、VT4、 和 组成了VT1和VT2的集电极恒流源负载。由于采用了恒流措施，磁敏三极管检测到的由磁场变化引起的集电极电流的变化，将在负载上产生较大的电压输出。,本章小结,霍尔传感器 工作原理：霍尔效应,转换公式：,磁场范围：,主要用途：磁场测量，电流、电压、位置、速度等传感，以及功率、开放、平方等 运算等,磁敏电阻,工作原理：磁阻效应,磁场范围：,主要用途：无触点开关、压力开关、位移传感器、安培计、交流放大器和振荡器等,磁敏半导体传感器,1. 磁敏二极管,工作原理：复合电流的磁场调制,磁场范围：,应用与产品：磁场检测，位置、速度、电流和电压测量等。产品有无触点开关、无 接触电位计、漏磁探伤仪等,2. 磁敏三极管,工作原理：集电极电流或者漏极电流的磁场调制,磁场范围：,应用：磁场检测、位移测量、转速测量和无损探伤等,思考题与习（略）,参考文献（略）,
