《传感器技术实用教程 教学课件 ppt 作者 吕勇军 第6章磁场与成分参数测量传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器技术实用教程 教学课件 ppt 作者 吕勇军 第6章磁场与成分参数测量传感器（73页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/7/10,1,实用传感器技术教程,2,磁敏电阻传感器,1.2,第6章磁场与成分参数测量传感器,磁敏二极管和磁敏三极管,6.3,气敏传感器,集成磁场传感器,1.2,湿敏传感器,3,磁场以及成分参数的测量在日常生活以及工业中占据重要的地位。磁场的测量主要是磁场强度以及磁场方向的测量，成分参数测量主要是指气体参数与湿度参数的测量。 在本章中，磁场主要是通过磁敏电阻器、集成磁场传感器、磁敏二极管和磁敏三极管进行测量的，而气体参数和湿度参数是通过气敏传感器和湿敏传感器进行测量的。,4,6.1 磁敏电阻传感器,磁敏式传感器按其结构可分为体型和结型两大类，前者有霍尔传感器（其材料主要有InSb，I
2、nAs，Ge，Si，GaAs等）和磁敏电阻（1nSb，InAs），后者有磁敏二极管（Ge，Si）、磁敏晶体管（Si等）。 它们都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成的一种磁敏传感器。,5,6.1.1 磁敏传感器原理与结构,磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。 当长方形半导体片受到与电流方向垂直的磁场作用时，不但产生霍尔效应，而且还会出现电流密度下降、电阻率增大的现象。若适当地选几何尺寸，还会出现电阻值增大的现象。前一种现象称为物理磁阻效应，后一种现象称为几何磁阻效应。半导体磁阻器件就是综合利用这样两种效应而制成的磁敏器件。,6,6.1.1 磁敏传感器原理与结构,
3、1.磁阻效应 磁阻效应是指将一载流导体置于外磁场中，其电阻率会发生变化（增大），它是伴随霍尔效应同时发生的一种物理效应。 当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。如果器件只有在电子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为,7,6.1.1 磁敏传感器原理与结构,1.磁阻效应 当电阻率变化为 时，则电阻率的相对变化率为 半导体中仅存在一种载流子时，磁阻效应很弱。若同时存在两种载流子，则磁阻效应很强，此时,8,6.1.1 磁敏传感器原理与结构,2.磁敏电阻的结构 常见的磁敏电阻有如下三种结构，如图6-1所示。,图6-1 常见磁敏电阻结构,9,6.1.2 磁敏电阻常用型
4、号,1. FCC/MC系列磁性传感器 该传感器是一种磁电转换器件，它利用磁敏材料的固有特性，通过不同的特殊电路将磁信号转换为电信号。,表6-1 FCC/MC磁性传感器型号及参数,10,6.1.2 磁敏电阻常用型号,2. CGC系列磁传感器 该传感器可用于地磁脉动观测，它是大地磁法或电磁法勘探仪器的磁场信息接收器。,表6-2 CGC磁传感器型号及参数,11,6.1.3 磁敏电阻应用,1. InSb磁敏电阻无触点开关,图6-2 InSb磁敏电阻无触点开关电路,图6-2是利用两端型InSb磁敏电阻的无触点开关电路。将InSb电阻连接到晶体管的基极上，当永磁铁距InSb电阻远一点时，它处于无磁场状态，
5、电阻值R0很小，晶体管集电极有输出电流，处于开状态。当永磁铁距InSb电阻很近（例如间隙为0.1mm），InSb电阻值变为RB（3R0），此时基极电流很小，晶体管没有电流输出，处于关状态。由于它的输出较大，因而可直接驱动功率晶体管。,12,6.1.3 磁敏电阻应用,2. InSb磁敏无接触角度传感器,图6-3 InSb磁敏无接触角度传感器的外形结构与工作原理图,13,6.1.3 磁敏电阻应用,2. InSb磁敏无接触角度传感器,图6-4 InSb磁敏无接触角度传感器输出特性曲线,14,6.1.3 磁敏电阻应用,3. 磁敏电阻放大器,15,从集成磁场传感器输出信号的形式来划分，它分为两大类，一类
6、称为线性磁场集成传感器，另一类称为磁场角度集成传感器。 线性磁场集成传感器是指传感器的输出量是模拟信号，它将电流、磁场等连续变化的模拟信号转换为模拟的霍尔电势输出。它主要包含霍尔元件、稳压电路和放大器三部分。它在工程实际中有着十分广泛的应用。例如，测量磁场强度、位移和电流等。 磁场角度集成传感器则是测量磁场角度，可以用于测量转速，方向识别，以及角度测量等。,6.2 集成磁场传感器,16,6.2.1 线性集成磁场传感器,1. 线性集成霍尔传感器-UGN-350lM,UGN-3501M型磁敏元件是一种线性集成霍尔电路，它是将单晶片磁敏单元、线性差动放大器、差动射极跟随输出级和稳压器等集成在一起的一
7、体化器件，它应用起来非常方便简单，且更为可靠灵活。,17,6.2.1 线性集成磁场传感器,2.具有温度补偿功能的线性集成霍尔传感器,AD22151是一种线性输出磁场传感器，适合用于检测磁场强度和各种特殊位置检测。AD22151的输出电压与施加在垂直器件封装顶面的磁场强度成正比。 AD22151适用于单电源，-40+150温度范围内，具有低失调误差、低增益误差、低线性误差和宽失调调节范围。失调电压（磁场零点）为Vcc/2，输入范围为Vcc/2土0.5V，输出灵敏度（外部可调，A= 1）为0.4mV/G，输出信号刷新频率为50 kHz，输出电压动态范围接近电源电压，对大容性负载驱动能力为1mA。,
8、18,KMZ52是Philips公司生产的一种磁阻传感器，是利用坡莫合金薄片的磁阻效应测量磁场的高灵敏度磁阻传感器。该磁阻传感器内置两个正交磁敏电阻桥、完整的补偿线圈和设置/复位线圈。,6.2.2 磁场角度集成传感器,表6-3 KMZ52引脚说明,19,6.2.3 集成磁场传感器的应用,1. UGN-350lM构成的高斯计,典型的UGN-3501M在磁场1000高斯时有1400mV的灵敏度，线性范围为1000高斯，若在第5脚与第6脚之间各加接一只47士5%电阻，则线性范围可扩展到3000高斯。这可以用来测量磁场的强度和判断磁场的极性。,6.2.3 集成磁场传感器的应用,2. AD22151构成
9、单极性模式下的温度补偿电路,20,图6-9 AD22151构成单极性模式下的温度补偿电路,图6-10 温度补偿电路中R1电阻值与温度补偿系数的关系曲线,6.2.3 集成磁场传感器的应用,3. 可识别转速方向的KM110BH/32应用电路,KM110BH/32型是有方向识别功能的转速传感器集成电路，用于转速测量和方向识别等领域。它由磁阻传感元件KMZ10B和一个信号调理电路和一块永久磁铁构成，产生数字电流信号输出，电路具有短路保护功能。,21,6.2.3 集成磁场传感器的应用,3. 可识别转速方向的KM110BH/32应用电路,22,6.3 磁敏二极管和磁敏三极管,6.3.1 磁敏二极管的工作原
10、理和主要特性 1. 磁敏二极管的结构与工作原理 （1）磁敏二极管的结构,23,（a）结构,（b）符号,图6-12 磁敏二极管结构示意图,6.3.1 磁敏二极管的工作原理和主要特性,1. 磁敏二极管的结构与工作原理 （2）磁敏二极管的工作原理,24,（a）无外界磁场作用时 （b）外界磁场H+（正向磁场）作用时 （c）外界磁场H-（反向磁场）作用时 图6-13 磁敏二极管工作原理示意图,（2）磁敏二极管的工作原理,1）磁电特性 在给定的条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场间的变化关系称为磁敏二极管的磁电特性。,25,图6-14给出了磁敏二极管单只使用和互补使用时的磁电特性曲线。由图上可以看
11、出，单只使用时，磁敏二极管的正向磁灵敏度大于反向；互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。,图6-14 磁敏二极管的磁电特性曲线,（2）磁敏二极管的工作原理,2）伏安特性 在给定磁场的情况下，磁敏二极管两端正向偏压和通过它的电流的关系曲线称为磁敏二极管的伏安特性。,26,图6-15 锗磁敏二极管的伏安特性曲线,（2）磁敏二极管的工作原理,2）伏安特性 一种如图6-16（a）所示，开始在较大偏压范围内，电流变化比较平坦，随外加偏压的增加，电流逐渐增加。此后，伏安特性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。另种如图6-16（b）所示，硅磁敏二极管的伏安特性曲线上有负阻现象，即
12、电流急增的同时，有偏压突然跌落的现象。,27,（a）形式一 （b）形式二 图6-16 硅磁敏二极管的伏安特性曲线,（2）磁敏二极管的工作原理,3）温度特性及补偿 温度特性是指在标准测试条件下，磁敏二极管输出电压变化量U（或在无磁场作用时中点电压Um）随温度变化的规律。一般情况下，磁敏二极管受温度的影响较大，如图6-17所示。,28,（2）磁敏二极管的工作原理,3）温度特性及补偿 磁敏二极管的温度特性较差，因此在使用时，需对其进行补偿。图6-18为几种常见的补偿电路。,29,图6-18 温度补偿电路,6.3.1 磁敏二极管的工作原理和主要特性,2.磁敏二极管的检测 用万用表检测磁敏二极管的电阻，
13、当周围无磁场时表针应在某一位置不动。这时拿一磁铁靠近磁敏二极管，观察表针，应该向某一个方向偏转，离得越近偏转越大。调换一下磁铁的极性，再次重复以上的过程，表针应该向另一个方向发生偏转。如果在整个过程中，万用表的表针根本不动或只向一个方向发生偏转，说明磁敏二极管已经损坏。,30,6.3.2 磁敏三极管的工作原理和主要特性,1. 磁敏三极管的结构与工作原理 NPN型磁敏三极管是在弱P型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成一个结（即发射结、基极结、集电结）所形成的半导体元件，如图6-20所示。NPN型磁敏三极管的基区较长，基区的结构类似磁敏二极管，也有本征I区和一个高复合r区。长基区分为输运基区和复
14、合基区两部分。,31,图6-20 磁敏三极管的结构和符号,6.3.2 磁敏三极管的工作原理和主要特性,1. 磁敏三极管的结构与工作原理 当磁敏三极管不受磁场作用时，如图6-21（a）所示。由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度，从而注入的载流子除少部分输入到集电极c外，大部分通过eIh而形成基极电流，因而形成了基极电流大于集电极电流的情况。所以，电流放大系数 。 当磁敏三极管受到正向磁场（H+）作用时，如图6-21（b）所示，洛伦兹力使载流子向发射结一侧偏转，导致集电极电流明显下降。 当磁敏三极管受到反向磁场（H-）作用时，如图6-21（c）所示，载流子在洛仑兹力作用下。向集电结一侧偏
15、转，使集电极电流增大。,32,图6-21 磁敏三极管工作原理,6.3.2 磁敏三极管的工作原理和主要特性,2. 磁敏三极管的主要特性 （1）伏安特性 磁敏三极管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线，图6-22（a）为不受磁场作用时磁敏三极管的伏安特性曲线；图6-22（b）是磁敏三极管在基极恒流条件下（Ib3mA），磁场为 1kGs时的集电极电流的变化。由图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于1。,33,图6-22 磁敏三极管伏安特性曲线,6.3.2 磁敏三极管的工作原理和主要特性,2. 磁敏三极管的主要特性 （2）磁电特性 磁电特性是磁敏三极管最重要的工作特性，是应用磁敏三极管的基础。国产NP
16、N型3BCM（锗）磁敏三极管的磁电特性曲线如图6-23所示。由图可见，在弱磁场作用时，曲线近似于一条直线。,34,图6-23 3BCM磁敏三极管的磁电特性,6.3.2 磁敏三极管的工作原理和主要特性,2. 磁敏三极管的主要特性 （3）温度特性 磁敏三极管对温度比较敏感，锗磁敏三极管（如3ACM、3BCM）的磁灵敏度的温度系数为0.8/；硅磁敏三极管（如3CCM）的磁灵敏度温度系数为-0.6/，因此，实际使用时必须对磁敏三极管进行温度补偿。 补偿电路如图6-24（a）所示，当温度升高时，普通硅三极管VT的集电极电流Ic增加，导致硅磁敏三极管VTm的集电极电流也增加，从而补偿了硅磁敏三极管因温度升高而导致的集电极电流下降。其中反馈电阻Re一般取400800 。 图6-24（b）所示电路利用锗磁敏二极管的电流随温度升高而增加的特性使其作为硅磁敏
