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1、http:/http:/传感器原理及应用传感器原理及应用大庆石油学院传感器原理及应用传感器原理及应用主讲人：康朝海http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用主要内容：主要内容：4.1 4.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器4.2 4.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 4.3 4.3 磁敏传感器磁敏传感器 传感器基础传感器基础第4章磁电式传感器http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用概述 磁电式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动
2、势输出。工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。是典型的有源传感器。 特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低。通常在10100HZ适合作机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。磁电式传感器机机械械能能电电 量量http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用概述 霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。 特点：结构简
3、单、体积小、动态特性好、寿命长。磁敏传感器磁磁学学量量电电信信号号http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用霍尔传感器测转速霍尔传感器测转速磁电传感器磁电传感器概述http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1 磁电感应式传感器（电动式） v 根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e。e的大小与穿过线圈的磁通变化率有关。 4.1.1 工作原理http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应
4、用传感器原理及应用4.1.14.1.1 工作原理工作原理根据以上原理有两种磁电感应式传感器：恒磁通式：磁路系统恒定磁场运动部件 可以是线圈也可以是磁铁。变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 转动物体引起磁阻、磁通变化。 恒磁通式恒磁通式http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1.24.1.2 基本特性基本特性电压灵敏度：电压灵敏度： 由由 可得；可得；传感器灵敏度：传感器灵敏度： ( (常数常数) )电流灵敏度电流灵敏度:http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用
5、4.1.3 磁电感应式传感器的应用 电磁式传感器通常用来做机械振动测量。 振动传感器结构大体分两种： 动钢型（线圈与壳体固定） 动圈型（永久磁铁与壳固定） 磁铁与线圈之间相对运动运动速度接近振动速度， 磁路空气隙中的线圈切割磁力线， 产生于正比振动速度的感应电动势 。http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1.3 磁电感应式传感器的应用 动钢型动钢型动圈型动圈型http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1.3 磁电感应式传感器的应用 磁电式振动传感器的特
6、性：磁电式振动传感器的特性： 磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要 静止的基准参考，可直接装在被测体上。 传感器是发电型传感器，工作时可不加电压， 直接将机械能转化为电能输出。 速度传感器的输出电压正比于速度信号 ， 便于直接放大。 输出阻抗低，对后置电路要求低，干扰小。http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1.3 磁电感应式传感器的应用http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1.3 磁电感应式传感器的应用 http:/http:/集散控制系统应用
7、集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1.3 磁电感应式传感器的应用 n 信号输出送测量电路信号输出送测量电路 接入积分电路测量位移；接入积分电路测量位移； 接入微分电路测量加速度。接入微分电路测量加速度。 http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1.3 磁电感应式传感器的应用积分电路输出积分电路输出微分电路输出微分电路输出 http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2 霍尔式传感器 实际应用中磁敏元件主要用于检测磁场，
8、而与人们相关的磁场范围很宽，一般的磁敏传感器检测的最低磁场只能到 高斯。 磁场强度与磁场源的分布磁场强度与磁场源的分布http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2 霍尔式传感器测磁的方法：利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如： 磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器；利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件；利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器；利用超导效应传感器，SQVID约瑟夫元件；利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化， 微型化和集成化方向发展。http:/http:/集散控
9、制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.1 霍尔效应 霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流I，在薄片垂直方向施加磁感强度B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势 。 通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I与磁场B方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.1 霍尔效应 在磁场中导体自由电子在磁场的作用下做定向运动。 每个电子受洛仑兹力作用被推向导
10、体的另一侧： 霍尔电场霍尔电场霍尔电场作用于电子的力霍尔电场作用于电子的力http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.1 霍尔效应 当两作用力相等时电荷不再向两边积累， 达到动态平衡：通过（半）导体薄片的电流通过（半）导体薄片的电流I与载流子浓度与载流子浓度n，电子运动速度电子运动速度v，薄片横截面积，薄片横截面积 b*d 有关：有关： 霍尔电势：霍尔电势：http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.1 霍尔效应代入后：代入后：霍尔常数霍尔常数 与材料
11、有关与材料有关霍尔灵敏度霍尔灵敏度 与薄片尺寸有关与薄片尺寸有关http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.1 霍尔效应讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不 是都可以制造霍尔元件。 绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用； 金属材料电子浓度很高，RH很小，UH很小。 半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以 霍尔元件多采用N型半导体（多电子）。v由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度 KH 越大， 所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米。http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术
12、学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.2 霍尔传感器基本电路 霍尔晶体外形矩形薄片有四根引线，两端加激励两端为输出； 电源E，控制电流I； 负载RL，R可调保证控制电流， B磁场与元件面垂直（向里）。 实测中可把I*B作输入， 也可把I或B单独做输入。 通过霍尔电势输出测量结果。 输出Uo与I或B成正比关系。http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.3 霍尔传感器的误差及补偿 ( (1)1)不等位电势不等位电势 当霍尔元件通以激励电流I时，若磁场B=0，理论上霍尔电势UH=0,但实际UH不等于0，这时测得的空载电势
13、称不等位电势U0。产生的原因：霍尔引出电极安装不对称霍尔引出电极安装不对称半导体材料不均匀半导体材料不均匀http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用u不等位电势的补偿不等位电势的补偿 4.2.3 霍尔传感器的误差及补偿 (1)不等位电势 http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.3 霍尔传感器的误差及补偿 ( (2)温度误差及补偿霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温度T变化时，载流子浓度n、迁移率、电阻率，霍尔系数RH 都会变化。以下是几种补
14、偿方法：恒流源补偿： 由 UH=KHIB 可见恒流源供电可使UH稳定但灵敏度系数 KH = RH/d = /d也是温度的函数：http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用u具体补偿方法:在霍尔元件上并联一Rp分流，当T增大时Ri增大UH 增大IH 减小Ip增大UH 下降，Rp 自动加强分流，使Ip 增大IH 下降UH下降,补偿电阻Rp可选择负温度系数.4.2.3 霍尔传感器的误差及补偿 ( (2)温度误差及补偿http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.4 霍
15、尔传感器的应用霍尔元件符号霍尔元件符号 http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.4 霍尔传感器的应用(1)位移测量(2)测转速(3)计数装置(导磁产品)检缺口、检齿检缺口、检齿磁磁场场测测量量转转速速测测量量http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.4 霍尔传感器的应用霍霍尔尔传传感感器器位位移移测量原理测量原理 http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.4 霍尔传感器的应
16、用霍尔压力传感器结构原理霍尔压力传感器结构原理 http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.4 霍尔传感器的应用霍霍霍霍尔尔尔尔元元元元件件件件和和和和磁磁磁磁体体体体运运运运动动动动方方方方式式式式http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.4 霍尔传感器的应用霍尔元件测位置霍尔元件测位置霍尔元件测位置霍尔元件测位置霍霍霍霍尔尔尔尔元元元元件件件件测测测测角角角角度度度度http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感
17、器原理及应用传感器原理及应用4.2.5 霍尔集成传感器1 1 集成霍尔元件集成霍尔元件http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.5 霍尔集成传感器 线线性性集集成成电电路路( (测测位位移移、测测振振动动) ) http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.5 霍尔集成传感器 开关集成器件(测转速、开关控制、判断N S极性) B、B形成切换回差,这是位置式作用传感器的特点, 作无触点开关时可防止干扰引起的误动作 。形形成成切切换换回回差差 http:/
18、http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.5 霍尔集成传感器霍尔开关元件性能演示霍尔开关元件性能演示动画动画http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.5 霍尔集成传感器2 2 应用应用 ：无触点开关：无触点开关http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.5 霍尔集成传感器2 2 应用应用 ：天然气点火电路：天然气点火电路http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技
19、术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.5 霍尔集成传感器2 2 应用应用 ：接口电路：接口电路http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.3 磁敏传感器n 磁敏元件也是基于磁电转换原理,60年代西门子公司研制了第一个磁敏元件,68年索尼公司研制成磁敏二极管,目前磁敏元件应用广泛。磁敏元件磁敏传感器主要有：磁敏传感器主要有：磁敏电阻；磁敏电阻；磁敏二极管；磁敏二极管；磁敏三极管；磁敏三极管；霍尔式磁敏传感器。霍尔式磁敏传感器。http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感
20、器原理及应用4.3.1 磁敏电阻器 磁阻效应：载载流流导导体体置置于于磁磁场场中中, ,除除了了产产生生霍霍尔尔效效应应外外, ,导导体体中中载载流流子子因因受受洛洛仑仑兹兹力力作作用用要要发发生生偏偏转转, ,载载流流子子运运动动方方向向偏偏转转使使电电流流路路径径变变化化, ,起起到到了了加加大大电电阻的作用阻的作用, ,磁场越强增大电阻的作用越强。磁场越强增大电阻的作用越强。v 外加磁场使导体外加磁场使导体( (半导体半导体) )电阻随磁场增加而增大电阻随磁场增加而增大 的现象称的现象称磁阻效应磁阻效应。磁阻效应表达式：磁阻效应表达式：磁阻效应表达式：磁阻效应表达式：http:/http
21、:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.3.1 磁敏电阻器 由于霍尔电场作用会抵消洛伦兹力,磁阻效应被大大减弱,但仍然存在。磁阻元件的电阻与形状有关：长方形样品长方形样品 扁条状长形扁条状长形 圆盘样品圆盘样品http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.3.1 磁敏电阻器长方形样品：霍尔电场作用FH,电阻变化很小。扁条状长形：霍尔电势EH很小,电流磁场作用偏转 厉害，效应明显。圆盘样品：外加磁场时，电流以螺旋形路径指向外电 极，路径增大电阻增加。在圆盘中任何地 方都不会积累电
22、荷也不会产生霍尔电场。u 为了消除霍尔电场影响获得大的磁阻效应, 一般将磁敏电阻制成圆形或长方形。 http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.3.1 磁敏电阻器v 磁敏电阻与霍尔元件属同一类,都是磁电转换元件,本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力,只有与辅助材料(磁铁)并用才具有识别磁极的能力. 磁敏电阻的输出特性磁敏电阻的输出特性http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.3.1 磁敏电阻器 无偏置磁场时,检测磁场不能判别磁性； 外加偏置磁场时，相当在检测
23、磁场外加了偏置磁场，工作点移到线性区，磁极性也作为电阻值变化表现出来。 http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.3.1 磁敏电阻器 磁磁图图形形识识别别传传感感器器BS05A1HFAA,BS05A1HFAA,检检测测电电路路，工工作作电电压压5V5V，输输出出0.30.30.8v0.8v，被被测测物物体体3mm3mm，可可测测磁磁性性齿齿轮轮，磁磁性性墨墨水水，磁磁性性条条形形码码，磁磁带带，识识别别有有机机磁磁性（自动售货机）。性（自动售货机）。 磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用http:/http:/集散控制系统应用集散控
24、制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.3.2 磁敏晶体管 （1 1）磁敏二极管（）磁敏二极管（锗管锗管2ACM,硅管硅管2DCM） 特点：特点：长“基区”PiN型二极管，PI为掺杂区， 本征区I长度较长，构成高阻半导体； 工作过程：工作过程： 磁敏二极管在长“基区”的一侧面设置了复合区r， r面是个粗糙面截流子复合速度非常高，r区对面 是复合率很小的光滑面。http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.3.1 磁敏晶体管 （2）磁敏三极管以锗管NPN型为例：磁敏三极管也是以长基区为特征，有两个PN结，
25、发射极与基极之间的PN 结由长基区二极管构成，有一个高复合区，集电极电流大小与磁场有关。 http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用传感器基础传感器基础第4章磁电式传感器本章要点：本章要点：n n磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 工作原理、工作原理、工作原理、工作原理、 基本特基本特基本特基本特性和应用；性和应用；性和应用；性和应用；n n霍尔式传感器原理、霍尔传感器的应用、霍尔式传感器原理、霍尔传感器的应用、霍尔式传感器原理、霍尔传感器的应用、霍尔式传感器原理、霍尔传感器的应用、 霍尔集成传感器；霍尔集成传感器；霍尔集成传感器；霍尔集成传感器；n n磁敏传感器，磁敏传感器，磁敏传感器，磁敏传感器，磁敏电阻器、磁敏二极管、磁敏电阻器、磁敏二极管、磁敏电阻器、磁敏二极管、磁敏电阻器、磁敏二极管、 磁敏三极管。磁敏三极管。磁敏三极管。磁敏三极管。
