6章磁电式传感器课件.ppt
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- 磁电 传感器 课件
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1、磁电式传感器机械能机械能电电 量量 电感电感式传感器是把被测量转换成电感量式传感器是把被测量转换成电感量(自感、互感)自感、互感)的变化的变化 磁电磁电式传感器通过检测磁场大小和变化测量被测量式传感器通过检测磁场大小和变化测量被测量.磁电式传感器机械能机械能电电 量量 霍尔传感器是一种霍尔传感器是一种磁敏元件,主要用于磁磁敏元件,主要用于磁场检测场检测;而与人们相关的磁而与人们相关的磁场范围很宽,一般的磁场范围很宽,一般的磁敏传感器检测的最低磁敏传感器检测的最低磁场只能测到场只能测到1010-6-6高斯。高斯。磁场强度与磁场源的分布磁场强度与磁场源的分布 测磁的方法:测磁的方法:利用电磁感应作
2、用的传感器(强磁场)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;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、霍尔元件测量磁场利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件测量磁场;利用超导效应传感器,利用超导效应传感器,SQVID SQVID 约瑟夫元件;约瑟夫元件;利用核磁共振的传感器,有光激型、质子型。利用核磁共振的传感器,有光激型、质子型。利用磁作用传感器,磁针、表头、继电器;利用磁作用传感器,磁针、表头、继电器;随着半导体技术的发展,磁敏传感器正向薄膜化,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。微型
3、化和集成化方向发展。磁敏传感器磁学量磁学量电信号电信号 把一个导体(半导体薄片)两端通把一个导体(半导体薄片)两端通以电流,在垂直方向施加磁感强度的以电流,在垂直方向施加磁感强度的磁场,在导体薄片的另外两侧会产生磁场,在导体薄片的另外两侧会产生一个与控制电流一个与控制电流I I和磁场强度和磁场强度B B的乘积的乘积成比例的电动势成比例的电动势U UH H,这种现象称,这种现象称霍霍尔效应尔效应。电动势为。电动势为18781878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应,因年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应,因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展,人们发现半为太弱没有得到应用。随着
4、半导体技术的发展,人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显,并且体积小有利于集成化。导体材料的霍尔效应非常明显,并且体积小有利于集成化。HUIB霍尔传感器基于霍尔传感器基于霍尔效应霍尔效应 在磁场作用下导体中的自由在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。每个电子受电子做定向运动。每个电子受洛仑兹力洛仑兹力作用作用被推向导体的另被推向导体的另一侧:一侧:LFe BHHUEb式中霍尔电场强度为式中霍尔电场强度为HHFeE 霍尔电场作用于电子的力霍尔电场作用于电子的力当两作用力相等时电荷不再向两边积累达到动态平衡:当两作用力相等时电荷不再向两边积累达到动态平衡:HLFFHeEe BIne bd u 通过
5、(半)导体薄片的通过(半)导体薄片的电流电流 I与下列因素有关:与下列因素有关:HUBb霍尔电势:霍尔电势:HHUEb n n 载流子浓度载流子浓度,v v 电子运动速度电子运动速度,b d b d 导体薄片横截面积导体薄片横截面积 ,e e 为电子电荷量。为电子电荷量。代入后:代入后:HHHIBIBUBbRK IBnedd1HRne HHRKd与薄片尺寸有关与薄片尺寸有关与材料有关与材料有关霍尔灵敏霍尔灵敏度度霍尔常数霍尔常数式中:式中:电阻率、电阻率、nn电子浓度、电子浓度、电子迁移率电子迁移率 =/E =/E 单位电场强度作用下载流子运动速度。单位电场强度作用下载流子运动速度。可见霍尔电
6、势与电流和磁场强度的乘积成正比可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比Ine bd 讨论: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;金属材料金属材料因电子浓度因电子浓度n n很高,很高,R RH H很小,很小,U UH H很小很小;绝缘材料绝缘材料电阻率电阻率很大,但电子迁移率很大,但电子迁移率很小,不适用;很小,不适用;半导体材料半导体材料电阻率电阻率较大,电子迁移率较大,电子迁移率适中,非常适于做霍尔元件;适中,非常适于做霍尔元件;半导体中半导体中电子电子迁移率一般大于迁移率一般大于空穴空穴的迁移率,
7、所以霍尔元件多采用的迁移率,所以霍尔元件多采用N N型型 半导体(多电子)半导体(多电子);由霍尔灵敏度可见,由霍尔灵敏度可见,厚度厚度d d 越小霍尔灵敏度越小霍尔灵敏度K KH H越大,所以霍尔元件通常越大,所以霍尔元件通常 做的较薄,近似做的较薄,近似1 1微米微米(d1m)(d1m),工作电压很低工作电压很低。HHRKd1HRne HHUK IB霍尔元件外形和符号霍尔元件外形和符号 霍尔晶体的外形为矩形薄片霍尔晶体的外形为矩形薄片,有四根引线,有四根引线,两端加激励,两端为输出,两端加激励,两端为输出,R RL L为负载电阻为负载电阻 ;电源电源E E通过通过R R控制激励电流控制激励
8、电流 I I;B B 磁场与元件面垂直(向里)磁场与元件面垂直(向里)实测中可把实测中可把 I IB B 作输入,作输入,也可把也可把 I I 或或 B B单独做输入;单独做输入;通过霍尔电势输出测量结果。通过霍尔电势输出测量结果。输出输出U UH H与与I I或或B B成正比关系,成正比关系,或与或与 I IB B 成正比关系。成正比关系。当霍尔元件通以激励电流当霍尔元件通以激励电流I I时,若磁场时,若磁场 B=0B=0,理论上理论上霍尔电势霍尔电势 U UH H=0=0,但实际但实际 U UH H00,这时测得的空载电势称这时测得的空载电势称不等位电势不等位电势 U U0 0 。产生的原
9、因:产生的原因:霍尔引出电极安装不对称不在霍尔引出电极安装不对称不在同一等位面上,或激励电极接同一等位面上,或激励电极接触不良。触不良。半导体材料不均匀,几何尺半导体材料不均匀,几何尺寸不均匀,造成电阻率不均寸不均匀,造成电阻率不均匀。匀。HHUKIB(1)(1)不等位电势不等位电势 不等位电势的补偿不等位电势的补偿 分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥不等位电压相当于桥路不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出,初始有不平衡输出,U U0 000,可在电阻大的,可在电阻大的桥臂上并联电阻。桥臂上并联电阻。不等位电势可表示为不等位电势可表示为 U U
10、0 0=r=r0 0 I IH H r r0 0为不等位电阻为不等位电阻霍尔元件是半导体元件,它的许多参数与温度有关。霍尔元件是半导体元件,它的许多参数与温度有关。当温度变化时,载流子浓度当温度变化时,载流子浓度n n、迁移率迁移率、电阻率电阻率,霍尔系数霍尔系数R RH H都会变化。都会变化。0001()1HtHHKKttKT(2)(2)温度误差及补偿温度误差及补偿多数霍尔器件是多数霍尔器件是正温度系数正温度系数,T KT KH H ,可通过减小,可通过减小 I I 保持保持 K KH HI I 不变,抵消温度造成不变,抵消温度造成K KH H增加的影响。增加的影响。灵敏度与温度系数关系灵敏
11、度与温度系数关系 恒流源补偿:恒流源补偿:由由 U UH H=K=KH H I B I B 可见,恒流源可见,恒流源 I I 供电可使供电可使U UH H稳定,稳定,但灵敏度系数但灵敏度系数 K KH H=R=RH H/d=/d=/d/d 也是温度的函数,也是温度的函数,温度温度T T变化时,灵敏度变化时,灵敏度K KH H也变化。也变化。具体补偿方法具体补偿方法:在霍尔元件上并联一分流电阻在霍尔元件上并联一分流电阻R Rp pI IH HR RININ当当T TI IP PU UH H由于恒流源电流由于恒流源电流I I不变,不变,R Rp p自动增加分流,使自动增加分流,使I Ip p增大,
12、增大,I IH H 下降,下降,U UH H下降;补偿电阻下降;补偿电阻R Rp p可选择负温度系数可选择负温度系数.I IH HR RP PT TI IP PU UH H 位移测量位移测量 测转速测转速 测磁场测磁场 计数装置计数装置(导磁产品导磁产品)检缺口检缺口 检齿检齿磁磁场场测测量量1.1.霍尔传感器位移测量原理霍尔传感器位移测量原理 2.2.霍尔压力传感器结构原理霍尔压力传感器结构原理 3.3.交直流钳形数字电流表交直流钳形数字电流表 霍尔元件的磁感应强度与导线电流霍尔元件的磁感应强度与导线电流 成正比,成正比,B IB IX X,可求出测量电路的霍尔可求出测量电路的霍尔输出电势,
13、输出电势与导线电流成正比。输出电势,输出电势与导线电流成正比。H H=K=KH HC C B=K B=KH HC CK KB BI IX X 霍尔元件灵敏度;霍尔元件灵敏度;C C 控制电流控制电流,X X为导线电流;为导线电流;K KB B 为比例系数;为比例系数;K KH Hc Kc KB B 为一定值;为一定值;环形环形磁集束器磁集束器作用是将载流导体中被作用是将载流导体中被测电流产生的磁场集中到霍尔元件上,测电流产生的磁场集中到霍尔元件上,以提高灵敏度。以提高灵敏度。霍尔元件霍尔元件磁集束器磁集束器导线电流导线电流 IX钳口钳口1.1.线性霍尔集成电路线性霍尔集成电路(测位移、测振动测
14、位移、测振动)输出电压在一定范围与磁感应强度输出电压在一定范围与磁感应强度B B成线性关系,四端输出成线性关系,四端输出2.2.开关型集成器件开关型集成器件(测转速、开关控制、判断测转速、开关控制、判断N SN S极性极性)输出两种状态输出两种状态H H、L L,高低电平转换的磁场强度高低电平转换的磁场强度B B不同不同 BB、BB形成形成切换回差切换回差,这是位置式作用传感器的特点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作无触点开关时可防止干扰引起的误动作 。开关型有开关型有常开常开、常闭常闭型两种型两种霍尔开关元件性能演示霍尔开关元件性能演示 TTL COMS LE
15、D TTL COMS LED集成霍尔元件及接口电路集成霍尔元件及接口电路3.3.应用应用 霍尔元件作无触点开关霍尔元件作无触点开关应用应用应用:应用:汽汽车车转转速速测测量量?实典型信号的相关分析典型信号的相关分析应用:计数电路应用:计数电路利用霍尔元件实现的编码计利用霍尔元件实现的编码计数典型电路。(晶体管、集成数典型电路。(晶体管、集成电路)。电路)。随磁鼓上永久磁体的极性随磁鼓上永久磁体的极性(N N、S S)变化,霍尔元件)变化,霍尔元件c c、d d端输出电压的极性(正、负)端输出电压的极性(正、负)也发生变化,通过整形输出,也发生变化,通过整形输出,获得近似矩形的脉冲信号。获得近似
16、矩形的脉冲信号。根据磁鼓上永久磁体数量多根据磁鼓上永久磁体数量多少,可获得磁鼓旋转一周的脉少,可获得磁鼓旋转一周的脉冲数目,从而进行与旋转有关冲数目,从而进行与旋转有关的参数测量和控制。的参数测量和控制。应用应用 :天然气点火电路(无触点开关)天然气点火电路(无触点开关)磁钢远离霍尔元件时磁钢远离霍尔元件时VT1导通,高压无输出导通,高压无输出应用应用 :霍尔计数装置:霍尔计数装置 传感器可输出峰值传感器可输出峰值20mV20mV脉冲电压脉冲电压NS霍尔元件霍尔元件钢珠钢珠绝缘传送带绝缘传送带磁钢磁钢信号输出信号输出S N计数器计数器LM741SL3051应用应用工位定位:工位定位:使用霍尔传
17、感器进行定位,霍尔传感器在检测到磁钢经使用霍尔传感器进行定位,霍尔传感器在检测到磁钢经过传感器探头时,磁场的变化会使传感器输出脉冲信号。过传感器探头时,磁场的变化会使传感器输出脉冲信号。利用霍尔传感器的这一特性,我们将磁钢安装在自动化利用霍尔传感器的这一特性,我们将磁钢安装在自动化生产流水线某几个特定的链板上,这样,当这些安装有磁生产流水线某几个特定的链板上,这样,当这些安装有磁钢的链板经过传感器探头时,传感器就会钢的链板经过传感器探头时,传感器就会“认出认出”这些链这些链板。板。n 磁敏元件也是基于磁电转换原理磁敏元件也是基于磁电转换原理,60,60年代西门子公司年代西门子公司研制了第一个磁
18、敏元件研制了第一个磁敏元件,68,68年索尼公司研制成磁敏二极管年索尼公司研制成磁敏二极管,目前磁敏元件应用广泛。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。磁阻效应:磁阻效应:220(1 0.273)BB 而霍尔电场作用会抵消洛伦兹力而霍尔电场作用会抵消洛伦兹力,磁阻效应被大大减弱磁阻效应被大大减弱,但仍但仍然存在。由于霍尔电场强度与导体薄片的宽度然存在。由于霍尔电场强度与导体薄片的宽度b b成反比关系,成反比关系,所以所以磁阻元件的电阻率与几何尺寸有关磁阻元件的电阻
19、率与几何尺寸有关:长方形样品长方形样品 扁条状长形扁条状长形 圆盘样品圆盘样品电阻变化很小电阻变化很小 磁阻变化明显磁阻变化明显 不产生霍尔电场不产生霍尔电场HHUEb长方形HHUEb 磁敏电阻磁敏电阻与与霍尔元件霍尔元件属同一类属同一类,都是磁电转换元件都是磁电转换元件,本质本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力不同是磁敏电阻没有判断极性的能力,只有与辅助材料只有与辅助材料(磁铁磁铁)并用才具有识别磁极的能力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例:例:磁阻图形识别传感器磁阻图形识别传感器BS05A1HFAABS05A1HFAA检检测电路,工作电压测电路,工作电压5V5
20、V,输出,输出0.30.30.8v0.8v,被测物体被测物体3mm3mm,可测磁性齿轮,磁性墨水,可测磁性齿轮,磁性墨水,磁性条形码,磁带,识别有机磁性(自磁性条形码,磁带,识别有机磁性(自动售货机)。动售货机)。磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用 无偏置磁场时无偏置磁场时,检测磁场不能判检测磁场不能判别磁性;输出弱磁场时磁阻与磁别磁性;输出弱磁场时磁阻与磁场关系为:场关系为:R=RR=R0 0(1+MB1+MB2 2)R R0 0为零磁场内阻;为零磁场内阻;MM为零磁场系数;为零磁场系数;外加偏置磁场时磁阻具有极性,外加偏置磁场时磁阻具有极性,相当在检测磁场外加了偏置磁场,相当在检测磁场外加了偏置
21、磁场,工作点移到线性区,磁极性也作工作点移到线性区,磁极性也作为电阻值变化表现出来,这时电为电阻值变化表现出来,这时电阻值的变化为:阻值的变化为:R=RR=RB B(1+MB1+MB)R RB B为为加偏置磁场电阻加偏置磁场电阻偏置磁铁偏置磁铁R RM M 在自动测量技术中有许多微小磁信号需要检测,如录音机、在自动测量技术中有许多微小磁信号需要检测,如录音机、录像机的磁带,防伪纸币、票据、信用(磁)卡上用的磁性录像机的磁带,防伪纸币、票据、信用(磁)卡上用的磁性油墨等。油墨等。利用三端差分型磁敏电阻做成磁头检测微弱信号,又称为利用三端差分型磁敏电阻做成磁头检测微弱信号,又称为图形识别器。图形识
22、别器。MS-F-06MS-F-06型磁敏传感器为日本产型磁敏传感器为日本产InSbInSb(锑化铟)(锑化铟)图形识别传感器的等效电路与外部结构及传感器的电阻值与图形识别传感器的等效电路与外部结构及传感器的电阻值与磁感应强度关系曲线;磁感应强度关系曲线;由特性曲线图中可见,由特性曲线图中可见,R=0R=0时为时为0.8k0.8k,当磁感应强度,当磁感应强度B B为为0.3T0.3T时,电阻时,电阻R RB B约为约为2.4 2.4 kk,有较好的磁灵敏度。,有较好的磁灵敏度。这种传感器主要用于识别磁性墨水的图形和文字,磁迹信这种传感器主要用于识别磁性墨水的图形和文字,磁迹信号阅读电路原理示意图
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