磁敏式传感器-课件.ppt

1、传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器第二篇第二篇 常用传感器的原理及应用常用传感器的原理及应用1.1.掌握传感器工作原理及特性掌握传感器工作原理及特性 2.2.掌握测量误差及补偿（掌握测量误差及补偿（霍尔元件霍尔元件）3.3.了解传感器的应用了解传感器的应用 第第9章章 磁敏式传感器磁敏式传感器传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器半导体磁敏式传感器半导体磁敏式传感器霍尔元件霍尔元件磁敏电阻磁敏电阻磁敏二极管磁敏二极管磁敏晶体管磁敏晶体管传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器9.1 霍尔传感器霍尔传感器 1 1、霍尔效应与霍尔元件、霍尔效应与霍尔元件霍尔效应：霍尔效应：置于

2、磁场中的通电半导体，在垂直于置于磁场中的通电半导体，在垂直于电场和磁场的方向产生电动势的现象称为电场和磁场的方向产生电动势的现象称为霍尔效应霍尔效应。传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器 霍尔效应的产生是运动电荷受磁场中洛仑磁力作霍尔效应的产生是运动电荷受磁场中洛仑磁力作用的结果用的结果霍尔电场。霍尔电场。其中，其中，k kH H：霍尔常数（灵敏度），取决于材质、温霍尔常数（灵敏度），取决于材质、温 度、元件尺寸（厚度）度、元件尺寸（厚度）：磁场与元件法线方向的夹角。：磁场与元件法线方向的夹角。霍尔电势霍尔电势（U UH H）为：为：显然，改变显然，改变I I或或B B，即可改变即可改

3、变U UH H。U UH H=k=kH HIBcosIBcos 传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器霍尔元件越薄霍尔元件越薄(d越小越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚就越大，薄膜霍尔元件厚度只有度只有1m左右。左右。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。4 42 20.1mm0.1mm3 3 激励电极激励电极霍尔电极霍尔电极传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器霍耳输出端的端子霍耳输出端的端子C、D相应地称为相应地称为霍耳端霍耳端或输出端。或输出端。若霍耳端子间连接负载若霍耳端子间连接负载,称为霍耳称为霍耳负载电阻负载电阻或霍耳负载。或霍耳负

4、载。电流电极间的电阻，称为电流电极间的电阻，称为输入电阻输入电阻，或者控制内阻。，或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为霍耳端子间的电阻，称为输出电阻输出电阻或霍耳侧内部电阻。或霍耳侧内部电阻。器件电流器件电流(控制电流控制电流或输入电流或输入电流):流入到器件内的电流。流入到器件内的电流。电流端子电流端子A、B相应地称为器件相应地称为器件电流端电流端、控制电流端或输、控制电流端或输入电流端。入电流端。HAAABBBCCCDDD 2、霍耳磁敏传感器的符号与基本电路、霍耳磁敏传感器的符号与基本电路 传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器控制电流控制电流I；霍耳电势霍耳电势UH；控制电压控制电

5、压E；输出电阻输出电阻R2；输入电阻输入电阻R1；霍耳负载电阻霍耳负载电阻R3；霍耳电流霍耳电流IH。图中控制电流图中控制电流I由电源由电源E供给供给,RW为调节电阻为调节电阻,保证器件内所保证器件内所需控制电流需控制电流I。霍耳输出端接负载。霍耳输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳器垂直通过霍耳器件件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本电路霍耳器件的基本电路R实际使用时实际使用时,器件输入信号可以是器件输入信号

6、可以是I或或B，或者，或者IB,而输出可而输出可以正比于以正比于I或或B,或者正比于其乘积或者正比于其乘积IB。R3RW传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，可将几个霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，可将几个霍尔元件的输出串联或采用运算放大器放大，以获霍尔元件的输出串联或采用运算放大器放大，以获得较大的得较大的U UH H。霍尔元件的连接电路霍尔元件的连接电路传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器2 2、霍尔元件的材料及主要特性参数、霍尔元件的材料及主要特性参数霍尔元件多采用霍尔元件多采用N N型半导体材料型半导体材料（高的电阻率和载（高的电阻

7、率和载流子的迁移率）。目前最常用的霍尔元件材料有锗流子的迁移率）。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、锑化铟、锑化铟(InSb)(InSb)、砷化铟、砷化铟(InAs)(InAs)等半等半导体材料。导体材料。主要特性参数：主要特性参数：额定激励电流额定激励电流I IH H灵敏度灵敏度K KH H 输入电阻输入电阻R Ri i与输出电阻与输出电阻R R0 0传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器不等位电势不等位电势U U0 0和不等位电阻和不等位电阻r r0 0 当磁感应强度当磁感应强度B B为零、激励电流为额定值为零、激励电流为额定值I IH H时，时，

8、霍尔电极间的空载电势称为不等位电势（或零位霍尔电极间的空载电势称为不等位电势（或零位电势）电势）U U0 0。不等位电势。不等位电势U U0 0与额定激励电流与额定激励电流I IH H之比称之比称为不等位电阻（零位电阻）为不等位电阻（零位电阻）r r0 0.产生不等位电势的原因主要有产生不等位电势的原因主要有：霍尔电极安装：霍尔电极安装位置不正确（不对称或不在同一等电位面上）；位置不正确（不对称或不在同一等电位面上）；半导体材料的不均匀造成了电阻率不均匀或是几半导体材料的不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布

9、等。不均匀分布等。霍尔电势温度系数、内阻温度系数等霍尔电势温度系数、内阻温度系数等 传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器3 3、测量误差及其补偿、测量误差及其补偿不等位电势误差及其补偿不等位电势误差及其补偿霍尔元件有两对电极，各相邻电极之间的电阻若为霍尔元件有两对电极，各相邻电极之间的电阻若为r r1 1、r r2 2、r r3 3、r r4 4，霍尔元件可等效为一个，霍尔元件可等效为一个四臂电阻四臂电阻电桥。电桥。（a a）不等位电势）不等位电势 （b b）霍尔元件等效电路）霍尔元件等效电路 传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器能够使能够使电桥达到平衡的措施电桥达到平衡的措施

10、均可以用于补偿不等位均可以用于补偿不等位电势。由于霍尔元件的不等位电势同时也是温度的电势。由于霍尔元件的不等位电势同时也是温度的函数，所以同时要考虑温度补偿问题函数，所以同时要考虑温度补偿问题 。传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器温度误差及其补偿温度误差及其补偿常用的补偿电路包括常用的补偿电路包括：恒流源激励并联分流电阻恒流源激励并联分流电阻补偿电路补偿电路；恒压源激励输入回路串联电阻补偿电；恒压源激励输入回路串联电阻补偿电路；电桥补偿电路；以及采用正、负不同温度系路；电桥补偿电路；以及采用正、负不同温度系数的电阻或合理选取负载电阻的阻值补偿电路等数的电阻或合理选取负载电阻的阻值补偿

11、电路等等。等。传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器假设初始温度为假设初始温度为T0时有如下参数：霍尔元件的输入电阻为时有如下参数：霍尔元件的输入电阻为Ri0，选用的补偿电阻选用的补偿电阻RP0，被分流掉的电流为，被分流掉的电流为Ip0，激励电流，激励电流Ic0，霍尔，霍尔元件的灵敏度元件的灵敏度KH0。当温度升为当温度升为T时，上述各参数相应为：时，上述各参数相应为：Ri、RP、Ip、Ic、KH，且，且有关系有关系)1()1()1(000TKKTRRTRRHHPPii、；0TTT分别为输入电阻、分流电分别为输入电阻、分流电阻及灵敏度的温度系数阻及灵敏度的温度系数 0000iPPcRRR

12、II)1()1()1(000TRTRTRIIiPPc由电路由电路传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器00iPRR于是于是 对于确定的霍尔元件，其参数是确定值，可由上对于确定的霍尔元件，其参数是确定值，可由上式求得分流电阻式求得分流电阻R RP P0 0及要求的温度系数，为此，此及要求的温度系数，为此，此分流分流电阻可取温度系数不同的两种电阻进行串并联。电阻可取温度系数不同的两种电阻进行串并联。)1()1()1()1(0000000TRTRTRBITKUBIKBIKUiPPHHcHcHH当温度变化当温度变化T时，为使霍尔电势不变则必须有如下关系：时，为使霍尔电势不变则必须有如下关系：传感

13、器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器4 4、霍尔集成传感器、霍尔集成传感器 将霍尔元件与放大、整形等电路集成在同一芯将霍尔元件与放大、整形等电路集成在同一芯片上，具有体积小、灵敏度高、价格便宜、性能稳片上，具有体积小、灵敏度高、价格便宜、性能稳定等优点。定等优点。差动输出线性霍尔集成传感器差动输出线性霍尔集成传感器传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器霍耳线性集成传感器的主要技术特性霍耳线性集成传感器的主要技术特性磁感应强度B/T5.64.63.62.61.6-0.3-0.2-0.100.10.20.3输输出出电电压压U/VSL3501T传感器的输出特性曲线传感器与测试技术机电学院第

14、9章 磁敏式传感器由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。输出五部分组成。稳压电路稳压电路可使传感器在较宽的电可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；源电压范围内工作；开路输出开路输出可使传感器方便地与可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。各种逻辑电路接口。霍耳开关集成传感器内部结构框图霍耳开关集成传感器内部结构框图23输出输出+稳压稳压VCC1霍耳元件霍耳元件放大放大BT整形整形地地H霍耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器开关型霍尔集成传感器开关型霍尔集成传感器传感器与测试技术机电学院第9章

15、 磁敏式传感器5 5、霍尔传感器的应用、霍尔传感器的应用 霍尔位移传感器霍尔位移传感器输出电势为输出电势为UH1UH2。在初始位置时在初始位置时UH1=VH2，则，则输出为零；输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移出电压，其大小正比于位移量。量。结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽、动态结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽、动态范围大范围大(输出电势变化范围可达输出电势变化范围可达1000:1)1000:1)、寿命长等、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。特点，因此获得了广泛应用。传感器与测试技术机电学院

16、第9章 磁敏式传感器 霍尔转速测量传感器霍尔转速测量传感器传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器电机通断控制电路 N S磁钢PST-52512VCC3GNDOUT1 kEb12 V4.7 k2SA1012V1MC0.1 V2传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器 霍尔加速度传感器霍尔加速度传感器 霍尔振动传感器霍尔振动传感器传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器 霍尔流量计霍尔流量计传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器无损探伤无损探伤传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器9.2 磁敏电阻磁敏电阻 1、磁阻效应、磁阻效应 当一载流半导体置于磁场中，其电阻值会随磁当

17、一载流半导体置于磁场中，其电阻值会随磁场而变化的这种现象称为场而变化的这种现象称为磁阻效应磁阻效应。在磁场作用下，半导体片内电流分布是不均匀的，在磁场作用下，半导体片内电流分布是不均匀的，改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，故表现为改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，故表现为半导体片的电阻变化。半导体片的电阻变化。bLfBK/1220传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器与霍尔效应的区别与霍尔效应的区别：即霍尔电势是指垂直于电流方向的：即霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。磁阻效应与材料性质及几何形状有关

18、，一般迁移率磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。磁阻效应愈大。传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器2、磁敏电阻的结构与特性、磁敏电阻的结构与特性 磁敏电阻常选用磁敏电阻常选用InSbInSb、InAsInAs和和NiSbNiSb等半导体材料，等半导体材料，在绝缘基片上蒸镀薄的半导体材料，也可在半导体薄在绝缘基片上蒸镀薄的半导体材料，也可在半导体薄片上光刻或腐蚀成型（片上光刻或腐蚀成型（栅状结构栅状结构）。）。传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器主要特性主要特性：u磁

19、电特性：电阻的增量与磁场的平方成正比；与磁电特性：电阻的增量与磁场的平方成正比；与磁场的正负无关；磁场的正负无关；u温度特性：温度系数影响大；温度特性：温度系数影响大；u频率特性：工作频率范围大；磁感应的范围比霍频率特性：工作频率范围大；磁感应的范围比霍尔元件大。尔元件大。传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器3、磁敏电阻的应用、磁敏电阻的应用 磁头；接近开关和无触点开关；也可用于位磁头；接近开关和无触点开关；也可用于位移、力、加速度等参数的测量。移、力、加速度等参数的测量。R1、R2磁敏电阻位移传感器磁敏电阻位移传感器 传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器9.3 磁敏二极管和磁

20、敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管和磁敏三极管是一种磁敏二极管和磁敏三极管是一种PNPN结型结型的新型磁电的新型磁电转换器件，它具有输出信号大、灵敏度高（约为霍尔转换器件，它具有输出信号大、灵敏度高（约为霍尔元件的数百至数千倍）、工作电流小、体积小等特点，元件的数百至数千倍）、工作电流小、体积小等特点，在磁场、转速、探伤等检测与控制中应用广泛。在磁场、转速、探伤等检测与控制中应用广泛。1、磁敏二极管、磁敏二极管传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器工作原理工作原理磁场强度的改变引起电流发生变化，实现磁电转换。磁场强度的改变引起电流发生变化，实现磁电转换。传感器与测试技术机电学院第

21、9章 磁敏式传感器主要特性主要特性u伏安特性：伏安特性：不同磁场作用下所加正向偏压与二极管不同磁场作用下所加正向偏压与二极管流过电流的关系。流过电流的关系。u磁电特性：输出电压的变比与外加磁场的关系。磁电特性：输出电压的变比与外加磁场的关系。u温度特性：温度系数的影响。温度特性：温度系数的影响。u频率特性：与材料、尺寸有关。频率特性：与材料、尺寸有关。传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器2、磁敏三极管、磁敏三极管在正反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。在正反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。当当受到正向磁场受到正向磁场(H+)(H+)作用时，载流子向发射极一侧偏转，作用时，

22、载流子向发射极一侧偏转，使集电极电流减小。当受到负向磁场使集电极电流减小。当受到负向磁场(H-)(H-)作用时，载流作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器主要特性（普通三极管）主要特性（普通三极管）u伏安特性：伏安特性：不同磁场作用下所加正向偏压与二极管不同磁场作用下所加正向偏压与二极管流过电流的关系。流过电流的关系。u磁电特性：输出电压的变比与外加磁场的关系。磁电特性：输出电压的变比与外加磁场的关系。u温度特性：温度系数的影响大温度特性：温度系数的影响大温度补偿。温度补偿。传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器3、磁敏二极管和磁敏三极管的应用、磁敏二极管和磁敏三极管的应用 测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量，也可用测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量，也可用于磁力探伤、接近开关、位置控制等。于磁力探伤、接近开关、位置控制等。漏磁探伤仪漏磁探伤仪传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器本章小结：本章小结：1.1.工作原理及特性工作原理及特性 2.2.测量电路（测量电路（霍尔元件霍尔元件）3.3.传感器的应用传感器的应用传感器与测试技术机电学院第9章 磁敏式传感器作业：作业：无无