第5章--磁敏传感器概要.ppt

1、第5章 磁敏传感器,1、重要概念：磁敏传感器、霍尔效应、霍尔电势、霍尔传感器、磁阻效应、磁电特性、压磁效应 2、重要计算：霍尔电势的计算公式,知识点：,3、问答题： (1)霍尔传感器工作原理; (2)主要特征参数和误差及其原因；(3)磁敏二极管的主要特性； (4)压磁传感器的安匝特性及测量精度不高的原因。,磁敏传感器,概念、特点及可测量量,分类,*霍尔传感器,磁敏电阻传感器,磁敏二极管,磁敏三极管,压磁式传感器,何谓磁学量传感器？ 指电参数按一定规律随磁性量变化的传感器。主要是半导体磁敏传感器。 分类：常用的有霍尔传感器、磁敏电阻传感器(简称磁阻传感器)、磁敏二极管、磁敏三极管等。 特点：磁敏

2、传感器是利用磁场工作的，因此可以通过非接触方式检验。非接触方式可以保证传感器寿命长、可靠性高；此外半导体磁敏传感器不存在频率相关。,磁敏传感器可测量哪些物理量？ 可测量量很多，如：位移、振动、力、转速、加速度、流量、电流、电功率等。,第一节 霍尔式传感器,一、工作原理 1. 霍尔效应 霍尔传感器是利用霍尔效应原理将被测物理量转换为电势的传感器。霍尔效应是1 8 7 9年霍尔在金属材料中发现的。,何谓霍尔效应？ 半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势的现象称为霍尔效应。,*何谓霍尔电势？如何计算？ 半导体薄片置于磁场中，当它

3、的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生的电动势称为霍尔电势。产生霍尔电动势的半导体薄片称为霍尔传感器。,式中， RH为霍尔常数； I为通过霍尔传感器的电流(A)； B为外加磁场的磁感应强度(T)； d为霍尔传感器的厚度(m)。 KH为霍尔传感器灵敏度。,(V),例5-1,已知某霍尔传感器的激励电流I= 3A，磁场的磁感应强B=510-3 T，导体薄片的厚度d=2mm，霍尔常数RH0.5，试求薄片导体产生的霍尔电势UH的大小。,何种材料适合制作霍尔传感器，为什么？ 因为霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。若要霍尔效应强, 则RH值大, 因此要

4、求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。 一般金属材料载流子迁移率很高, 但电阻率很小; 而绝缘材料电阻率极高, 但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔片。,霍尔传感器的主要特性参数有哪些？ (1)输入电阻和输出电阻 控制电极间的电阻，称为输人电阻。霍尔电极之间的电阻，称为输出电阻。 (2)额定控制电流和最大允许控制电流 当霍尔传感器有控制电流使其本身在空气中产生1 0温升时，对应的控制电流值称为额定控制电流。以元件允许的最大温升为限制所对应的控制电流值称最大允许控制电流。,(3)不等位电势和不等位电阻 当霍尔传感器的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，则它的霍尔电

5、势应该为零，实际不为零，这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。不等位电势是由霍尔电极之间的电阻决定的，此电阻称不等位电阻。,(4)寄生直流电势 当没有外加磁场，霍尔传感器用交流控制电流时，霍尔电极的输出除了交流不等位电势外，还有一个直流电势，称为寄生直流电势。,(5)霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1oC时，霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数。,霍尔元件的结构及符号是什么？,由霍尔片、四根引线和壳体组成,a, b两根引线，称为控制电流端引线,c, d两根引线，称为霍尔输出引线,霍尔元件符号如下：,霍尔传感器的基本测量电路。,RW调节控制电流的大小。 RL为负载

6、电阻，可以是放大器的输入电阻或指示器内阻。,霍尔效应建立的时间极短（10-1210-14S），I、即可以是直流，也可以是交流。,二、霍尔元件的误差及其补偿 产生误差的原因：一是半导体本身所固有的特性；二是半导体制造工艺的缺陷。其表现为零位误差和温度误差。 （1）零位电势及其补偿 霍尔传感器在不加控制电流或不加外磁场时出现的霍尔电势称为零位误差。其中不等位电势是主要的零位误差。,（二） 温度误差及补偿 霍尔元件是采用半导体材料制成的, 对温度很敏感。这是由于半导体材料的电阻率、迁移率、载流子浓度及霍尔系数都随温度变化而变化，因此会导致霍尔传感器的内阻、霍尔电势等也随温度变化而变化，从而产生温度误

7、差。,三、 霍尔式传感器的应用,（一） 霍尔式位移传感器,霍尔元件处于中间位置位移x=0时，由于B=0，所以UH=0,霍尔元件右移, x0，合成磁感应强度B向左,B0， UH0,霍尔元件左移，x0，合成磁感应强度B向右,B0，UH0。,(二)霍尔式压力传感器,第二节 磁阻传感器 磁阻传感器是基于磁阻效应的磁敏元件。它的应用范围较广，可以利用它制作成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。 基本原理:在两端设置电流电极的元件中，由于存在的外界磁场改变了电流的分布使电流所流经的途径变长，导致电极间的电阻值增加的现象称为磁阻效应。,磁阻传感器主要有长方形磁阻元件、栅格型磁阻元件、科

8、宾诺元件以及InSbNisb共晶磁阳元件。 磁阻传感器的应用举例 位移测量:磁敏电阻与被测物体连接在一起，当待测物体移动时，将带动磁敏电阻在磁场中移动。由于磁阻效应，磁敏电阻的阻值将发生变化，据此可以求得待测物体的位移大小。 磁阻式无触点开关:当磁阻元件接近永久磁铁时，会使元件的阻值增大，由于磁阻元件的输出信号大，无需再将信号放大就可以直接驱动功率三极管，实现无触点开关的功能。,第三节 磁敏二极管,它是一种电阻随磁场大小和方向均改变的结型二端器件，是利用磁阻效应进行磁电转换的。 工作原理: 在正向电压下，加正向磁场和反向磁场时，PIN管的正向电流发生了很大的变化，而且磁场的大小不同，电流变化也

9、不同。,主要特性: 磁电特性:在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为磁敏二极管的磁电特性。 伏安特性:磁敏二极管正向偏压和通过其上电流的关系称为磁敏二极管的伏安特性。磁敏二极管在不同磁场强度H作用下，其伏安特性不同。,温度特性: 温度特性是指在标准测试条件下，输出电压变化量y随温度变化的规律.磁敏二极管受温度影响较大。 温度补偿电路:在实际使用中，必须对磁敏二极管进行温度补偿。常用的温度补偿电路有互补式(可以提高磁灵敏度)、差分式(以很好地实现温度补偿，提高灵敏度,还可对具有负阻现象的磁敏二极管温度补偿 )、全桥式(不能使用有负阻特性的磁敏二极管 )和热敏电阻式(成本低，是

10、常用的温度补偿电路 )四种补偿电路。,应用：磁敏二极管主要在磁场测量、大电流测量、直流无刷马达、磁力探伤、接近开关、程序控制、位置控制、转速测量、速度测量和各种工业过程自动控制等技术领域中应用。,第四节 磁敏三极管,工作原理：当磁敏三极管不受磁场作用时，由于基区宽度大于载流子的有效扩散长度，因此发射区注入的载流子除少数输人集电极c外，大部分通过e-p b形成基极电流，形成了基极电流大于集电极电流的情况，使电流放大倍数p1。当受到正向磁场B+的作用时，载流子受洛仑兹力的作用向发射区一侧偏转，从而使集电极电流，c明显下降，同时，基区复合增大，B增加量较小，放大倍数减小。当受反向磁场B一作用时，载流

11、子受洛仑兹力的作用向集电极区一侧偏转，从而使集电极电流，c增大，基区复合减小，放大倍数增加，B几乎不变。,磁电特性：三极管的磁电特性是在给定条件下，集电极电流的变化Ic与外加磁场B的关系。 伏安特性：磁敏三极管的伏安特性与普通晶体管的伏安特性曲线类似。 温度特性及温度补偿：磁敏三极管对温度比较敏感，使用时必须进行温度补偿。对于硅磁敏三极管可用正温度系数的普通三极管来补偿因温度而产生的集电极电流的漂移。,磁敏三极管的应用：将磁敏三极管置于磁场作用下，改变磁敏三极管基极电流，该电路的输出电压在O71 5V内连续变化，这样就等效于一个电位器，且无触点，因而该电位器可用于变化频繁、调节迅速、噪声要求低

12、的场合。,第五节 压磁式传感器,也称磁弹性传感器，是利用铁磁材料的压磁效应制成的传感器。 压磁效应是指一些铁磁材料在受到外力作用后，其内部产生应力，因此引起铁磁材料磁导率变化的物理现象。 具有压磁效应的磁弹性体叫做压磁元件。受到力的作用后，磁弹性体,的磁阻或者磁导率的变化量与作用力成正比，通过特定的测量电路测出磁阻的变化量即可测出作用力的大小。 压磁式力传感器可以实现力-电磁的变换，具有输出信号大、抗干扰性好、过载能力强、结构简单、经济实用、可在恶劣环境下工作等优点，可以进行大力值测量及大吨位称重，广泛用于重工业、矿山、化工部门；,其缺点是反应速度较低，测量准确度不够高。 压磁式传感器的结构按

13、照其工作的电磁原理可以分为阻流圈式、变压器式、桥式、应变式等。其中阻流圈式、变压器式及桥式使用较多。,基本原理：初始时，在他中通过一定的交变电流，铁芯中就会产生磁场H，方向如图5-35(b)所示。如果把孔间分成A、B、C、D四个区域，在无压力情况下，A、B、C、D四个区域的导磁系数相同，磁力线对称分布，合成磁场H与测量线圈N34的平面平行；磁力线不与测量线圈3。交链，故线圈34不产生感应电动式，输出电压UO。工作时，如果对压磁元件施加压力F，A、B区域将产生很大的应力万，C、D趋于基本不变：于是A、B区域磁导率下降，磁阻增大；而C、D区域的磁导率基本不变。这样励磁线圈产生的磁力线有部分经过C、

14、D区域闭合，而与34线圈交链产生感应电动势g，如图5-3 5(c)所示。F越大，与34线圈交链的磁通量越多，P值越大。通过测量电路可以用电流表或电压表测出力F的大小。,激磁绕组的安匝特性： 压磁传感器输出电压的灵敏度和线性度很大程度上取决于铁磁材料的磁场强度，而磁场强度又取决于激磁的安匝数。激磁过大或过小都会产生严重的非线性和灵敏度降低，这是因为在压磁式传感器中，铁磁材料的磁化现象不仅与外磁场的作用有关，还与各个磁畴内部磁矩的总和以及外作用力在材料内部引起的应力有关。最佳条件是外加作用力所,产生的磁能与外磁场及磁畴磁能之和接近相等，而且工作在磁化曲线的线性段，这样可获较好的灵敏度和线性度。,注

15、： 安匝数即为激磁绕组的匝数与激磁电流的乘积数值。,输出特性：压磁传感器的输出电压与作用力之间的关系。 压磁传感器的测量误差 压磁传感器的测量精度不高是由下列误差所致： (a)温度误差：主要误差，是由压磁材料的磁化性能受温度影响较大造成的。,(b)磁弹性滞环：是由压磁材料的磁弹性后效和磁滞作用引起的。 (c)电源影响：激励电源的电压幅值、频率波形及电源的内阻都能直接影响磁化特性，因而影响传感器的精度。 压磁传感器的特点： 具有输出功率大、抗干扰能力强、寿命长、维护方便，适应恶劣环境等有点。,常用磁敏传感器的比较(提示) 相同点：都由磁敏元件构成，都是利用磁场工作的，都可实现非接触测量等； 不同

16、点： (1)工作原理不同 (2)主要特性不同 (3)主要特点不同,课堂训练,1、在磁敏传感器中，霍尔传感器是利用何种原理将被测物理量转换为电势的传感器（ ） A压电效应力学效应光电效应 霍尔效应 2、 磁敏二极管和光敏二极管不同，因为它属于何种传感器（ ） A力学传感器力敏传感器磁敏传感器 光敏传感器,3、在磁敏传感器中，压磁式传感器是利用铁磁材料的何种效应制成的（ ） A压电效应压磁效应光电效应 霍尔效应 4、压磁式传感器是利用何种物质的压磁效应制成的传感器（ ） A金属 陶瓷 铁磁材料 高分子,5、利用霍尔效应制成的传感器是指下列哪一种（ ） A磁敏传感器 温度传感器 霍尔传感器气敏传感器

17、 6、磁敏传感器主要采用何种材料制成（ ） A半导体 金属 绝缘材料 无机材料,7、在一定磁感应强度和控制电流下，温度变化1时，霍尔电势的变化百分率称为霍尔电势的何种参数（ ） A温度效应 温度系数 温差 零度误差 8、压磁式传感器是利用铁磁材料的何种效应制成的传感器（ ） A湿度效应 温度效应 压磁效应 压电效应,9、不等位电势是描述何种传感器的一种重要性能参数（ ） A差动变压器湿度传感器温度传感器 霍尔传感器 判断对错，对打“”，错打“”。 10、磁敏传感器可以进行无接触测量。 11、磁敏二极管是根据光生伏打效应制成的。,12、霍尔传感器是根据霍尔效应制成的传感器。 13、压磁式传感器和

18、磁阻式传感器都属于磁敏传感器。 填空题 14、霍尔传感器是利用 原理将被测物理量转化为 的传感器。,18、霍尔传感器是利用 原理将被测量转换为电势的传感器，此效应是1879年 在金属材料中发现的。 19、磁阻传感器是基于 效应的磁敏元件，此效应导致电极间 增加。 20、压磁传感器的 和 特性很大程度上取决于铁磁材料的磁场强度，而磁场强度又取决于激磁的安匝数。,21、霍尔传感器主要特性参数有那些？,输入电阻和输出电阻，额定控制电流和最大允许电流，不等位电势和不等位电阻，寄生直流电势，霍尔电势温度系数，其为在一定磁感应强度和控制电流下，温度没变化1度时，霍尔电势变化的百分率.,22、什么是霍尔效应

19、？,当置于磁场中的半导体薄片的电流方向与磁场方向不一致时，在半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势的现象.,23、什么是磁阻效应 ？,在两端设置电流电极的元件中，由于外界磁场改变电流分布造成电极间电阻值增加的现象.,24、什么是压磁效应 ？,压磁效应是指一些铁磁材料在受到外力作用后，其内部产生应力导致铁磁材料磁导率发生变化的物理现象.,25、什么是霍尔电势？,半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生的电动势.,26、简述霍尔传感器需要进行温度补偿的原因。,霍尔传感器对温度的变化很敏感，这是因为半导体材料的电阻率、迁

20、移率和载流子浓度等都随温度变化而变化，因此会导致霍尔传感器的内阻、霍尔电势等也随着温度的变化而变化，从而使霍尔传感器产生温度误差，必须用适当的电路进行补偿.,27、影响压磁传感器测量精度的因素有哪些？,主要由以下测量误差影响所致：（1）温度误差 为压磁传感器的一项主要误差，主要原因是压磁材料的磁化特性受温度影响较大；（2）磁弹性滞环 是由压磁材料的磁弹性后效和磁滞作用引起的；（3）电源影响 激励电源的电压幅值、频率波形及电源的内阻均是影响磁化特性的因素，因而对传感器的精度亦有影响.,28、简述霍尔电势的产生原理。,一块半导体薄片置于磁场中(磁场方向垂直于薄片)，当有电流流过时，电子受到洛仑兹力作用而发生偏转。结果在半导体的后端面上电子有所积累，而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，在前后端面形成电场，该电场产生的力阻止电子继续偏转；当两力相平衡时，电子积累也平衡，这时在垂直于电流和磁场的方向上将产生电场，相应的电势称为霍尔电势.,29、已知某霍尔传感器的激励电流I= 3A，磁场的磁感应强度B=510-3 T，导体薄片的厚度d=2mm，霍尔常数RH0.5，试求薄片导体产生的霍尔电势UH的大小。,30、已知某霍尔传感器的激励电