传感器原理与应用6 磁敏传感器总结ppt课件.ppt

第六章 磁敏传感器,传感器原理与应用,分类,利用磁电感应原理的磁电感应式传感器 。将运动速度、位移转换成线圈中的感应电动势输出。利用某些材料的磁电效应做成的对磁场敏感的传感器（磁敏传感器）磁电效应主要有霍尔效应和磁阻效应其中霍尔效应是磁电效应的基础。 磁敏二极管(SMD),5.1 磁电感应式传感器,Part.1 原理,非重点,磁电感应式传感器,磁电感应式传感器是一种电动式传感器，也是一种典型的有源传感器。特点：输出功率大稳定可靠、结构简单、可简化二次仪表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工作频率为10500Hz，适合做机械振动测量和转速测量。缺点：尺寸较大、较重频率响应低,非重点,工作原理,磁电感应式传感器利用导体和磁场发生相对运动时会在导体两端输出感应电动势。根据法拉第电磁感应定律可知：“导体在磁场中切割磁力线”or“闭合线圈的磁通发生变化”时，在导体两端或线圈内将产生感应电动势，电动势的大小与穿过线圈的磁通变化率有关。,当导体在均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电动势为：,非重点,右手定律,发电机,恒磁通式,磁路系统产生恒定的磁场，工作间隙中的磁通也保持恒定不变，感应电动势是由线圈相对永久磁铁运动时切割磁力线而产生的。,永磁铁与传感器壳体固定，线圈相对于传感器壳体运动，称为动圈式。线圈组件与传感器壳体固定，永磁铁相对于传感器壳体运动，称为动铁式。,非重点,动圈式和动铁式的工作原理相同。若线圈和磁铁有相对运动，则线圈中产生的感应电动势与磁场强度、线圈导体长度、线圈匝数以及线圈切割磁力线的速度成比例关系，具体为：,工作原理,磁感应强度,线圈匝数,每匝线圈长度,线圈运动速度,非重点,变磁通式,对于变磁通式磁电传感器，线圈和磁铁都静止不动，感应电动势是由变化的磁通产生的。由导磁材料组件构成的被测体运动时，比如转动物体引起磁阻变化，使穿过线圈的磁通量变化，从而在线圈中产生感应电动势，所以这种传感器也成为变磁阻式。,非重点,磁电感应式传感器的基本特征,电动势磁电感应传感器的灵敏度特性曲线在理论上应该是一条直线，而实际的灵敏度特性是非线性关系的。,当运动速度vva时，传感器才能克服静摩擦力开始做相对运动；当运动速度vva时，惯性太大，超过了传感器的弹性形变范围，输出曲线开始弯曲。传感器运动速度通常工作在(vb,vc)范围之间，保证有足够的线性范围。,非重点,电流灵敏度：,电流灵敏度是单位速度引起的输出电流变化，为：,电压灵敏度：,电压灵敏度是单位速度引起的输出电压变化 ，为：,提高灵敏度的方法 ：,可以增大磁场强度B、每匝线圈的长度l和线圈匝数N。同时需要综合考虑传感器的材料、体积、重量、内阻和工作频率。,非重点,磁电感应式传感器的测量电路,磁电感应式传感器可直接输出感应电势，而且具有较高的灵敏度，对测量电路无特殊要求。,磁电感应式传感器的输出信号直接经主放大器输出，该信号与速度成正比；前置放大器分别接积分电路和微分电路接积分电路时，感应电动势的输出正比于位移信号；接微分电路时，感应电动势的输出正比于加速度信号。,非重点,5.1 磁电感应式传感器,Part.2 应用,非重点,磁电感应式传感器的应用,特点：是一种典型的惯性传感器不需要静止的基准参考信号，可直接安装在被测物体上是一种典型的发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械能转化为电能输出电动式磁电传感器从根本上讲是速度传感器磁电传感器输出阻抗低，通常为几十几千欧姆，对后继电路要求低，干扰小通常用来做机械振动测量,非重点,CD-1型振动速度传感器,非重点,磁电式扭矩传感器,非重点,5.2 霍尔传感器,Part.1 原理,霍尔传感器,霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器，是把磁学物理量转换成电信号的磁敏传感器。发展历程 1879年，美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。 随着半导体技术的发展，开始使用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到广泛应用和发展。 优点：结构简单，体积小，坚固，频率响应宽（从直流到微波），动态范围大（输出电动势变化）,非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化。缺点：转换率较低、温度影响大、要求转换精度较高时需要进行温度补偿。,霍尔效应,金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中（若磁场垂直于薄片），当有电流I流经时（若I与B正交），在垂直于电流I和磁场B的方向上将产生电动势UH，这种物理现象称为霍尔效应。把一个长度为L，宽度为b，厚度为d的导体或半导体薄片两端通以控制电流I，在薄片的垂直方向上施加磁感强度为B的磁场，在薄片的另外两侧将会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的感应电动势UH。,左手定律,并设其正电荷所受洛伦茨力方向为正，则电子所受的洛伦兹力可表示为： 霍尔电场作用于电子的力fE可表示为：当达到动平衡后，二力的代数和为零,e: 电子电量v: 运动速度B: 磁场强度,-EH表示电场方向与规定正方向相反（单位V/m）,对于n型半导体，电流强度I可以表示为： 进而得到：可以推出：,j表示电流密度（A/m2）n表示单位体积内的电子数， 负号表示电子运动方向与电流方向相反。 s表示霍尔元件的截面积（m2）d表示霍尔元件的厚度（m）,霍尔电动势UH与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例,霍尔系数,设 ，将相应公式改写为：,设 ，将相应公式改写为：,RH称为霍尔系数，其大小反映出霍尔效应的强弱。,设 ，将相应公式改写为：,考虑电阻率的表达式为： ，可以得到：,表示材料的电阻率（m）表示载流子的迁移率（m2/sV） 即单位电场作用下载流子的运动速度,一般情况下，电子的迁移率要大于空穴的迁移率，因此制成霍尔元件时多采用N型半导体材料。,灵敏度,KH称为元件的灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流作用下霍尔电势的大小，单位是（mV/mAT）,关于灵敏度的理解,由于金属的电子浓度很高，所以它的霍尔系数或灵敏度都很小，因此不适于制作霍尔元件。元件的厚度d越小，灵敏度越高，因此制作霍尔片时可以采用减小d的方法来增加灵敏度，但是不能认为d越小越好，因为这会导致元件的输入和输出电阻增加。,磁场与霍尔元件平面呈现夹角,当磁感应强度B和霍尔片平面法线n成角度时，此时实际作用于霍尔片的有效磁场使其法线方向的分量，即Bcos，其霍尔电势为：,分析交变的电场,使用控制电压代替控制电流,电阻率公式,5.2 霍尔传感器,Part.2 霍尔敏感元件,霍尔元件的结构,霍尔元件外形为矩形薄片，有四根引线，两端加激励电流，称为激励电极。另外两端为输出引线，称为霍尔电极，外面用陶瓷或环氧树脂封装。,霍尔元件的主要特性参数,输入电阻Ri和输出电阻Ro定义霍尔元件激励电极之间的电阻称为输入电阻Ri。霍尔元件的霍尔电极输出的是霍尔电势，对外它是一个等效的电压源，这就需要知道霍尔电极之间的电阻，这个电阻称为输出电阻Ro。额定控制电流IN和最大允许控制电流Imax 霍尔元件在空气中产生10的温升时，所施加的控制电流称为额定控制电流IN。以元件允许的最大温升为限制，所对应的控制电流称为最大允许控制电流Imax。,非重点,不等位电势U0和不等位电阻r0 霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1时，霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数。 霍尔灵敏系数KH在单位控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输出端的开路电压，称为霍尔灵敏系数KH，霍尔灵敏系数KH的单位为V/(AT)。它反映了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希望他越大越好。,霍尔元件的主要特性参数 - 续,非重点,霍尔传感器的测量电路,基本测量电路 控制电流I由电压源E供给。R是调节电阻，用以根据需求调节I的大小。霍尔电势输出的负载电阻RL，可以是放大器的输入电阻或表头的内阻等。施加的外磁场B一般与霍尔元件的平面垂直。控制电流可以是交流。,由于建立霍尔效应所需的时间短，所以控制电流的频率可高达109Hz,输出电路,在直流激励电流情况下，为了获得较大的霍尔电压，可将几块霍尔元件的输出电压串联，如左图所示。在交流激励电流情况下，几块霍尔元件的输出可通过变压器接成如右图的形式，以增加霍尔电压或输出功率。,由温度造成的误差,霍尔元件对温度的变化很敏感，因此，霍尔元件的输入电阻、输出电阻、乘积灵敏度等将受到温度变化的影响，从而给测量带来较大误差。,非重点,为了减少测量中的温度误差，选用温度系数较小的霍尔元件或采用一些恒温措施外，还可以使用一些电路温度补偿方法。,采用热敏元件 对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，采用温度补偿电路，图中Rt是热敏元件（热电阻or热敏电阻）,左图在输入回路中进行温度补偿的电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔元件的乘积灵敏度KH和输入电阻Ri变化对霍尔输出电势UH的影响。右图在输出回路进行温度补偿的电路，当温度变化时，用RL的变化来抵消霍尔输出电势UH和输出电阻Ro变化对负载电阻RL上的电压UL的影响。,非重点,不等位电势的补偿,不等位电势当霍尔元件的激励电流为额定值IN时，若元件所处位置的磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零，这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。产生原因不等位电势是由于两个霍尔电极安装时不在同一个电位面上所致。,不等位电阻：不等位电势是由于霍尔电极2和2之间的电阻为不等位电阻。,非重点,这样不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。理想状况下，不等位电势为0，即电桥平衡。,非重点,一个矩形霍尔片有两个电极，各个电极之间有4个电阻R1，R2，R3，R4，因而可以把霍尔元件视为一个4臂电阻电桥。,所有能够使电桥达到平衡的方法均可以用作补偿不等位电势，使不等位电势为0。,非重点,5.2 霍尔传感器,Part.3 集成霍尔传感器,集成霍尔传感器,将霍尔敏感元件、放大电路、校正电路、温度补偿电路以及激励源（比如给霍尔敏感元件供电的恒流源）全部集成在一片芯片上，构成集成霍尔传感器。根据霍尔敏感材料的特性不同，可以分成两大类：线性测量型开关型,GaAs（砷化镓）InSb（锑化铟）,线性度高,适合,线性测量型集成霍尔传感器,线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出信号与磁感应强度成比例。通常由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成。,HL1.1型线性集成霍尔传感器,外接射级电阻,开关型集成霍尔传感器,霍尔开关集成传感器是一种双稳态型传感器，又称为锁键型传感器。当外加磁感应强度超过工作点时，其输出为导通状态。而在磁场撤销后，输出仍保持不变，必须施加反向磁场并使之超过释放点，这样才能使其关断。,霍尔开关集成传感器的工作特性曲线,HAL1881，HAL732，HAL41F，HAL513,典型的霍尔开关集成传感器型号,工作点,释放点,回差,5.2 霍尔传感器,Part.4 霍尔传感器的应用,霍尔传感器的应用电路,归纳起来，霍尔传感器有三个方面的用途：当控制电流不变时，使传感器处于非均匀磁场中，则传感器的霍尔电势正比于磁感应强度，利用这一关系可反映位置、角度或励磁电流的变化。当控制电流与磁感应强度皆为变量时，传感器的输出与这两者乘积成正比。在这方面的应用有乘法器、功率计以及除法、倒数、开方等运算器，此外，也可用于混频、调制、解调等环节中，但由于霍尔元件变换频率低，温度影响较显著等缺点，在这方面的应用受到一定的限制，这有待于元件的材料、工艺等方面的改进或电路上的补偿措施。若保持磁感应强度恒定不变，则利用霍尔电压与控制电流成正比的关系，可以组成回转器、隔离器和环行器等控制装置。,测微小位移,S,N,x,B,B=kx,N,S,均匀梯度磁场微小位移测量,测角度,B,Bn,N,S,Bn=B*sin,均匀磁场角度测量,电流传感器,霍尔式转速传感器,旋转,小磁极,Vthreshold,A,Vout,B,UH,轴,转速测量,利用霍尔传感器实现无接触式仿型加工,非重点,霍尔式压力传感器,非重点,自动供水装置,非重点,霍尔元件在磁性材料研究中的应用,非重点,替换,非接触式键盘开关,非重点,霍尔式汽车无触点点火装置,非重点,霍尔接近开关,非重点,5.2 霍尔传感器,Part.5 霍尔传感器实例电路分析,便携式高斯计,R5R4,-,A4,+,RP2,+1.25V,R5,+,A1,-,-,A3,+,+10V,-9V,R6,RP1,R7,RC,R4,R3,R2,R2,R3,R4,Vo,R3=R3R2=R2,R4=R4R4RP1、R7,R1,THS 103A,+,A2,-,卫生间照明灯自动控制电路,2,B,1,3,VT9013,A1,S1,R1,VDD,Q1,10k,CP1,D1,2M,R2,Q2,CP2,D2,Q2,10,0.01,510,VS,2k,220,2CW60,G磁钢,220V,CS3020开关型集成霍尔元件,H,Vss,A2,S2,100k,VS晶闸管,D触发器构成单稳态输出,D触发器构成双稳态输出,5.3 磁敏电阻,磁阻效应,当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磁阻效应。磁阻效应还与磁敏电阻的形状、尺寸密切相关。这种与磁敏电阻形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。若考虑其形状的影响，电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为：,磁阻效应,磁敏效应与材料性质与几何形状有关：一般迁移率大的材料，磁阻效应越显著；元件的长宽比越小，磁阻效应越大。,磁敏电阻,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，故表现为半导体片的电阻变化。,磁敏电阻-结构,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，故表现为半导体片的电阻变化。,B,I,L,b,B,I,-,+,左手定律,栅格式磁敏电阻,磁敏电阻-结构,L,b,I,I,I,I,I,金属极板,电子流向,磁敏电阻-结构,磁敏电阻常选用InSb(锑化铟)、InAs(砷化铟)和NiSb(锑化镍)等半导体材料，在绝缘基片上蒸镀薄的半导体材料，也可在半导体薄片上光刻或腐蚀成型（栅状结构）,磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大；因此，使用磁敏电阻时必须首先了解如下图所示的持性曲线。然后，确定温度补偿方案。,磁敏电阻-非线性,磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加,磁阻元件的温度特性不好，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。,锑化铟(InSb),非接触式角度传感器实例,半圆型磁铁为M两个半圆型磁阻元件MR1、MR2间隙紧密，但无接触,u0,E0,M,-,+,MR1,MR2,u0,0,90,180,270,360,9050范围线性度较好,5.4 磁敏二极管（SMD）,Part.1 原理,概述,磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。霍尔元件和磁敏电阻均是用N型半导体材料制成的体型元件。磁敏二极管和磁敏三极管是PN结型的磁电转换元件。磁敏二极管和磁敏三极管具有输出信号大、灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍） 、工作电流小、能识别磁场的极性、体积小、电路简单等特点，它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。,磁敏二极管的结构,P+区,N+区,本征区,粗糙区,光滑区,B,I,I,E0,空穴,电子,e,e,粗超区：电子和空穴对在其表面很容易进行复合。 将会消失光滑区：电子和空穴对在其表面很不易进行复合。,载流子变少；电阻增加。,载流子稍微增多电阻稍微减小,磁敏二极管的磁电特性,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持性。,单只使用时，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,磁敏二极管正向偏压和通过电流的关系被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下的作用，其伏安特性将是不一样。,磁敏二极管的伏安特性,图 (b)表示在较宽的偏压范围内，电流变化比较平坦；当外加偏压增加到一定值后，电流迅速增加、伏安持性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。,一般情况下，磁敏二极管受温度影响较大，即在一定测试条件下，磁敏二极管的输出电压变化量U，或者在无磁场作用时，中点电压Um随温度变化较大。因此，在实际使用时，必须对其进行温度补偿。,磁敏二极管的温度特性,温度补偿电路-互补式,选用两只性能相近的磁敏二极管，按相反磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背向放置串接在电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电压Um随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。不仅如此，互补电路还能提高磁灵敏度。,温度补偿电路-其他,差分电路不仅能很好地实现温度补偿，提高灵敏度，还可以弥补互补电路的不足。如果电路不平衡，可适当调节电阻R1和R2。,全桥电路是将两个互补电路并联而成。和互补电路一样，其工作点只能选在小电流区。该电路在给定的磁场下，其输出电压是差分电路的两倍。由于要选择四只性能相同的磁敏二极管，会给实际使用带来一些困难。,热敏电阻补偿电路利用热敏电阻随温度的变化，而使Rt和D的分压系数不变，从而实现温度补偿。热敏电阻补偿电路的成本略低于上述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。,5.5 磁敏传感器实例,x宝上的磁敏传感器,x宝上的磁敏传感器,