《磁电磁敏式传感器》PPT课件.ppt

第6章 磁电、磁敏式传感器,传感器原理与应用,主要内容：6.1 磁电感应式传感器 6.2 霍尔式传感器 6.3 磁敏元件,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,电感式传感器是把被测量转换成电感量(自感、互感）的变化；磁电式传感器是将被测量转换为磁场变化，引起电动势输出变化。,磁电感应式速度传感器,霍尔开关,基于巨磁电阻效应的iGMR传感器,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,磁电式传感器是利用电磁感应原理，通过检测磁场的变化将运动的速度、位移、振动等物理量（机械能）转换成线圈中的感应电动势（电量）输出。是典型的有源传感器。,6.1 磁电感应式传感器,导体和磁场发生相对运动时，在导体两端有感应电动势输出，磁电感应式传感器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。,6.1.1 磁电感应式传感器结构、原理,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,磁电式结构：传感器由磁钢、线圈、弹簧、阻尼器和壳体等组成，是典型的二阶惯性系统.根据原理有两种磁电感应式传感器：恒磁通式:恒定磁场，运动部件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,（a）开磁路（b）闭磁路变磁通式,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,恒磁通式测振动,恒磁通式传感器通常用做机械振动测量。振动传感器结构大体分两种:动圈型 永久磁铁与壳固定 动钢型 线圈与壳体固定,6.1.1 磁电感应式传感器结构、原理,第6章磁电式传感器,传感与检测技术,动圈式振动速度传感器,磁电式绝对速度计:1弹簧；2壳体;3阻尼环;4磁钢;5线圈;6芯轴；固有频率10 15Hz，=0.50.7，上限频率1k。,6.1.1 磁电感应式传感器结构、原理,第6章磁电式传感器,传感与检测技术,这种惯性式传感器，不需要静止的参考基准，直接安装在被测体上，工作时传感器不需要加电压;线圈随被测物体运动，直接将机械能转换为电能输出，是典型的发电型传感器。,1-弹簧片,2-阻尼环，3-磁铁，4-铝支架，5-芯轴,6-线圈，7-壳体,8-引线,动圈式振动速度传感器,6.1.1 磁电感应式传感器结构、原理,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,变磁通式又称为变磁阻式，线圈、磁铁静止不动，测转速时,转动物体（齿轮的凹凸）引起磁阻或磁通变化。,开磁路,闭磁路,（a）开磁路（b）闭磁路,6.1.1 磁电感应式传感器结构、原理,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,根据电磁感应定律，线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势的大小与穿过线圈磁通变化率有关。,式中：B 磁感应强度，N 线圈匝数，L每匝线圈长度，V运动速度,线圈绕组中的感应电势与磁场、线圈的匝数圈数及运动速度有关，感应电动势可以表示为,6.1.2 基本特性,第6章磁电式传感器,6.1.2 基本特性,传感与检测技术,电压灵敏度：,由 可确定灵敏度 为常数,电流灵敏度:,可定义出磁电感应式传感器灵敏度,对于结构确定的磁电式传感器，输出正比于振动速度,理想输出特性,6.1.2 基本特性,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,实际输出特性（灵敏度）是非线性的，偏离的原因：当振动速度很小时（a），惯性力不足以克服传感器活动部件的静摩擦力，因此线圈与磁铁不存在相对运动，因此无输出；当a超过b时，惯性力克服静摩擦力，有相对运动，但摩擦阻尼使输出特性非线性；当速度超过b到达c时惯性太大超过弹性形变范围，输出出现饱和；这种传感器的输出在很小和很大情况下是非线性的，但实际的工作范围较大,实用性较强。,振动传感器输出特性,超过弹性形变范围输出出现饱和,6.1.2 基本特性,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,技术参数：灵敏度：2050mVmmSec 1（根据用户调整）频率响应（可选）：5100Hz，10500Hz，101000Hz 固有频率：约10Hz 振幅极限：2mm（峰-峰值）最大加速度：10g,S-ZS型磁电式振动速度传感器,国产S-ZS型振动速度传感器，与振动监控仪或振动烈度监控仪配接后，可以测量各种位移、速度等，用来对机械故障进行预测和报警。振动速度传感器主要用于对转速6006000转/分旋转机械的振动烈度进行长期监测，,振动烈度监控仪,6.1.3 测量电路,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,信号输出经测量电路转换可获得位移和加速度 直接输出电动势，测量速度信号；接入积分电路可测量位移信号；接入微分电路可测量加速度信号。,磁电传感器根本上是速度传感器，磁铁与线圈之间相对运动时，能量全被弹簧吸收，磁路线圈切割磁力线产生于正比速度的感应电动势，由此输出可直接获得速度信号。,永久磁铁与线圈间的相对位移十分接近振动体的绝对位移，相对运动速度就接近振动体的振动速度。,6.1.3 测量电路,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,位移,速度,加速度,第6章磁电式传感器,6.1.3 测量电路,传感与检测技术,速度经时间积分，可测量位移,理想运放,RC称积分时间常数,根据,设电容上初始电压为零，输出电压是输入电压对时间积分,6.1.3 测量电路,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,速度经微分电路 可测量加速度,理想运放,因为,第6章磁电式传感器,6.1.4 应用,传感与检测技术,1.磁电式扭距传感器圆盘齿引起磁通量变化，在线圈中感应出交流电压；当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1、u2存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比，传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。,信号频率=转数齿数,第6章磁电式传感器,6.1.4 应用,传感与检测技术,2.磁电式转速传感器 使探头对准测速齿轮的中部，调节探头与齿顶的距离为1mm。测得的传感器输出信号脉冲的频率就可以计算出测速齿轮的转速。设齿轮齿数为N，脉冲频率为f，转速为：n=f/N,转速的单位是转/分钟，所以要再乘以60，才是转速数据，即 nz=60f/N在使用60齿的发讯齿轮时就可以得到一个简单的转速公式 n=f，可用频率计测量转速。这就是在工业中转速测量中齿轮多为60齿的原因。,第6章磁电式传感器,6.1.4 应用,传感与检测技术,3.机械振动监测机械振动监视系统是监测飞机在飞行中发动机振动变化趋势的系统。磁电式振动传感器固定在发动机上，直接感受发动机的机械振动，并输出正比于振动速度的电压信号。因传感器接收飞机上各种频率的振动信号，必须经滤波电路将其它频率信号衰减后，才可能准确测量出发动机的振动速度。当振动量超过规定值时，发出报警信号，飞行员可随时采取紧急措施，避免事故发生。,机械振动监视系统原理框图,第6章磁电式传感器,6.1.4 应用,传感与检测技术,转子底座的振动可采用加速度传感器和速度传感器两种方式进行测量。将带有磁座的加速度和速度传感器放置在试验台的底座上，将传感器的输出经变送器接A/D采集通道，输入到计算机中。,4.加速度和速度传感器振动测量,6.1.4 应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,航空航天发动机等设备的振动实验；兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射；民用，机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。,工程上可采用频谱分析识别信号中的周期分量，通过测量的振动信号进行频谱分析，确定最大幅值的频率分量，然后找出故障。,大型空气压缩机传动装置故障诊断案例示意图,6.1.4 应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,电磁式继电器,6.1.4 应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,电磁式继电器,电磁式流量计,6.1.4 应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,6.1.4 应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,电表结构,第6章磁电式传感器,6.1.4 应用,传感与检测技术,磁通计原理,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,磁电式振动传感器的特点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，适合作机械振动测量、转速测量。磁电式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。输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但传感器尺寸大、重，频率响应低，通常在10100Hz。输出阻抗低几十几千欧，对后置电路要求低，干扰小。,出去活动一下,第6章磁电式传感器,6.2 霍尔式传感器,传感与检测技术,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。,磁场强度与磁场源的分布,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测到10-6高斯。,霍尔传感器是一种磁敏元件，主要用于磁场检测,6.2 霍尔式传感器,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,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、霍尔元件测量磁场；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。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，微型化和集成化方向发展。,主要磁敏元件及磁场强度分布,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,霍尔传感器属于半导体磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换原理，是把磁学物理量转换成电信号的传感器。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。,6.2 霍尔式传感器,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,6.2 霍尔式传感器,霍尔传感器测转速,霍尔开关,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,6.2 霍尔式传感器,霍尔开关元件用于手机开关无触点开关,利用SII的CMOS 技术和传感器技术来检测旋转和旋转方向,第6章磁电式传感器,6.2 霍尔式传感器6.2.1 霍尔效应,传感与检测技术,1878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，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。,第6章磁电式传感器,6.2.1 霍尔效应,传感与检测技术,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 B 的磁场，在导体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UH，这种现象称霍尔效应。霍尔电动势与磁场强度B、电流强度 I 有关,霍尔传感器基于霍尔效应,磁场强度B 的方向改变时 霍尔电动势的电压极性也随之改变。,第6章磁电式传感器,6.2.1 霍尔效应,传感与检测技术,在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动时每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：,磁场下导体中的电子运动时，因霍尔电势产生霍尔电场，其中霍尔电场强度为：,并有作用于电子的力：,第6章磁电式传感器,6.2.1 霍尔效应,传感与检测技术,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 I与下列因素有关：,霍尔电势为,n 载流子浓度，v 电子运动速度，b d 导体薄片横截面积，e 电子电荷量。,第6章磁电式传感器,6.2.1 霍尔效应,传感与检测技术,代入后：,与薄片尺寸有关,与材料有关,霍尔灵敏度,霍尔常数,式中：电阻率、n 电子浓度、电子迁移率=/E 单位电场强度作用下载流子运动速度。,可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比,6.2.1 霍尔效应,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,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;金属材料因电子浓度n很高，RH 很小，灵敏度低，UH 很小;绝缘材料电阻率很大，但电子迁移率很小，不适用；半导体材料电阻率较大，电子迁移率适中，非常适于做霍尔元件；半导体中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）;由霍尔灵敏度可见:厚度d越小霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔元件通常做的较薄，近似1微米(d1m)，工作电压很低。,讨论,6.2 霍尔式传感器6.2.2 霍尔传感器基本电路,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,霍尔元件外形和符号,6.2.2 霍尔传感器基本电路,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,霍尔晶体的外形为矩形薄片，有四根引线，两端加激励，两端为输出，RL为负载电阻；电源E通过R控制激励电流 I；B 磁场与元件面垂直（向里）实测中可把 IB 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UH与I或B成正比关系，或与 IB 成正比关系。,6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,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 UH0，这时测得的空载电势称不等位电势 U0。产生的原因：,霍尔引出电极安装不对称，不在同一等位面上，或激励电极接触不良。,半导体材料不均匀，几何尺寸不均匀，造成电阻率不均匀。,(1)不等位电势,6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,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,不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出，U00，可在电阻大的桥臂上并联电阻。不等位电势可表示为 U0=r0 IH,r0为不等位电阻,6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,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n、迁移率、电阻率，霍尔系数RH都会变化。,(2)温度误差及补偿,灵敏度与温度系数关系,恒流源补偿：由 UH=KH I B 可见，恒流源 I 供电可使UH稳定，但灵敏度系数 KH=RH/d=/d 也是温度的函数，温度T变化时，灵敏度KH也变化。,6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,恒流源补偿方法:在霍尔元件上并联一分流电阻Rp,由于恒流源电流 I 不变，R p自动增加分流，使 I p 增大，IH 下降，UH下降；补偿电阻 Rp 可选择负温度系数.,KH=RH/d=/d,多数霍尔器件是正温度系数，T KH，可通过减小 I 保持 KHI 不变，抵消温度造成 KH 增加的影响。,6.2 霍尔式传感器6.2.4 霍尔传感器的应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,位移测量；测转速；测磁场；计数装置(导磁产品),检缺口 检齿,霍尔元件,磁铁,只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突 起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。,1.测转速,6.2.4 霍尔传感器的应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,2.霍尔传感器位移测量原理,在结构范围内位移测量线性好,6.2.4 霍尔传感器的应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,3.霍尔压力传感器结构原理,6.2.4 霍尔传感器的应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,4.霍尔电流传感器,将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,6.2.4 霍尔传感器的应用,6.2.4 霍尔传感器的应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,霍尔元件的磁感应强度与导线电流 成正比，B IX，可求出测量电路的霍尔输出电势，输出电势与导线电流成正比。霍尔元件灵敏度；KB 为比例系数；C 控制电流,X为导线电流；KHc KB 为一定值；,环形磁集束器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，以提高灵敏度。,H=KHICB=KHICKBIX,6.2.4 霍尔传感器的应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,压舌,豁口,霍尔电流传感器演示,铁心,线性霍尔IC,UH=KH IXB,I,I,霍尔电流传感器,直流电流传感器,霍尔钳形电流表演示,直流200A量程,被测电流的导线未放入铁心时；示值为零,70.9A,霍尔钳形 电流表演示,70.9A,钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过,霍尔钳形电流表的使用,被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心,手指按下此处，将钳形表的铁心张开,在电厂、变电站，可将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中,霍尔钳形电流表的使用,叉形钳形表漏磁稍大但使用方便,用钳形表测量 电动机的相电流,霍尔传感器用于测量磁场强度,霍尔元件,测量铁心 气隙的B值,霍尔传感器测转速,在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。,线性霍尔元件,霍尔元件输出波形,UH=KH I B,n（转速）=60f/齿数,齿轮,汽车转速测量,实时典型信号的相关分析,输出信号,整形滤波,显示,霍尔转速表原理,当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。,霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用,若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。,带有微型磁铁的霍尔传感器,钢质,霍尔,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,计数电路,利用霍尔元件实现的编码计数典型电路。（晶体管、集成电路）;随磁鼓上永久磁体的极性（N、S）变化，霍尔元件c、d端输出电压的极性（正、负）也发生变化，通过整形输出，获得近似矩形的脉冲信号。根据磁鼓上永久磁体数量多少，可获得磁鼓旋转一周的脉冲数目，从而进行与旋转有关的参数测量和控制。如开关设备。,6.2.5 霍尔集成传感器,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,1.线性霍尔集成电路(测位移、测振动、测量磁场大小)输出电压在一定范围与磁感应强度B成线性关系，四端输出,霍尔集成IC 电路可分为：线性型、开关型两种,6.2.5 霍尔集成传感器,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,2.开关型集成器件(测转速、开关控制、判断NS极性)输出HL两种状态，高低电平转换的磁场强度B不同，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。开关型有常开、常闭型两种,6.2.5 霍尔集成传感器,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,TTL COMS LED,3.应用,集成霍尔元件及接口电路,霍尔开关元件性能演示,集成霍尔元件封装形式,输出端集电极（漏极）开路,6.2.5 霍尔集成传感器,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,霍尔元件作无触点开关,6.2.5 霍尔集成传感器,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,霍尔元件和磁体运动方式,6.2.5 霍尔集成传感器,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,霍尔元件测位置,霍尔元件测角度,6.2.5 霍尔集成传感器,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,霍尔计数装置,传感器可输出峰值20mV脉冲电压,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,天然气点火电路（无触点开关）,磁钢远离霍尔元件时VT1导通，高压无输出,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,工位定位,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。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，当这些安装有磁钢的链板经过传感器探头时，传感器就会“认出”这些链板。,霍尔式接近开关,当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般配一块钕铁硼磁铁。,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,霍尔式汽车点火装置,霍尔式无触点汽车电子点火装置,采用霍尔式无触点电子点火装置，能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。,汽车点火线圈,高压输出接头,12V低压电源输入接头,霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理,1-触发器叶片 2-槽口 3-分电器转轴 4-永久磁铁 5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC）,a）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系 c）叶片位置与点火正时的关系,桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图,霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理,当叶片遮挡在霍尔IC面前时，PNP型霍尔IC的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。,特点：采用霍尔式无触点电子点火装置可避免金属触点的缺陷，无磨损、点火时间准确、高速时动力足。,霍尔式无触点汽车电子点火装置,当叶片对准槽口转到霍尔 IC 面前时，霍尔 IC 输出跳变为高电平，经反相变为低电平，使功率输出的达林顿管截止，切断点火线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出3050KV的高电压。,汽车电子点火电路及波形,1点火开关 2达林顿晶体管功率开关 3点火线圈低压侧 4点火线圈铁心 5点火线圈高压侧 6分火头 7火花塞,a）电路 b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形,汽车电子点火电路及波形,汽车电子点火装置使用的点火控制器、霍尔传感器及点火总成,磁铁,点火总成,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,霍尔式接近开关,接近式,滑过式,霍尔式接近开关,用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。,在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平；经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,霍尔式接近开关用于转速测量,软铁分流翼片,开关型霍尔IC,霍尔特斯拉计,霍尔元件,霍尔高斯计（特斯拉计）的使用,霍尔元件,磁铁,6.3 磁敏元件,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,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：霍尔式磁敏传感器；磁敏电阻；磁敏二极管；磁敏三极管。,6.3.1 磁敏电阻,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,载流导体置于磁场中，除了产生霍尔效应外，导体中载流子因受洛仑兹力作用要发生偏转，磁场使载流子运动方向的偏转使电流路径变化，起到了加大电阻的作用，磁场越强增大电阻的作用越强。,0 零磁场电阻率；磁导率；B B 磁场电阻率；B 磁场强度。,外加磁场使导体(半导体)电阻随磁场增加而增大的现象称磁阻效应。磁阻效应表达式为,（1）磁阻效应,第6章磁电式传感器,6.3.1 磁敏电阻,传感与检测技术,而霍尔电场作用会抵消洛伦兹力，磁阻效应被大大减弱；由于霍尔电场强度与导体薄片的宽度b成反比关系，磁阻元件的电阻率与几何尺寸有关。,长方形样品 扁条状长形 圆盘样品电阻变化很小 磁阻变化明显 不产生霍尔电场,6.3.1 磁敏电阻,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,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荷也不会产生霍尔电场，磁阻效应明显。,长方形,L,b,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扁条长方形，并且磁敏元件需满足,L/b 1,6.3.1 磁敏电阻,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,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.,（2）磁敏电阻的输出特性,由于磁墨的磁场强度较弱，根据磁阻元件特性需要加偏置磁场，使磁敏电阻工作在线性区域。,RM,磁敏电阻电路符号,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,无偏置磁场时只能检测磁场不能判别磁性。输出弱磁场时磁阻与磁场关系为：R=R0（1+MB2）R0 为零磁场内阻；M 为零磁场系数；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，工作点移到线性区，磁极性也作为电阻值变化表现出来，这时电阻值的变化为：R=RB（1+MB）RB 为加偏置磁场电阻,（2）磁敏电阻的输出特性,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,这种传感器主要用于识别磁性墨水的图形和文字，在自动测量技术中检测微小磁信号，如录音机、录像机的磁带、磁盘；防伪纸币、票据、信用（磁）卡上用的磁性油墨等。可测磁性齿轮，磁性墨水，磁性条形码，磁带，识别有机磁性（自动售货机）。,(3)磁敏电阻的应用,6.3.1 磁敏电阻,6.3.1 磁敏电阻,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,磁敏电阻的结构,等效电路,6.3.1 磁敏电阻,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,利用三端差分型磁敏电阻做成磁头检测微弱信号，称图形识别器。MS-F-06型磁敏传感器为日本产InSb（锑化铟）磁场B=0时为R0=0.8k，当磁感应强度B为0.3T 时，电阻RB约为2.4 k，有较好的磁灵敏度。,电阻值与磁感应强度关系曲线,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,磁图形识别传感器S05A1HFAA检测电路：由磁敏元件、放大整形电路组成；磁敏电阻工作电压5V，输出0.30.8V，被检测物体的距离3mm。,6.3.1 磁敏电阻,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,磁敏电阻应用时一般采用恒压源驱动，分压输出，三端差分型电路有较好的温度特性。这种磁敏传感器呈纯电阻特性，输出信号的变化按字迹间距变化出现，可测磁性齿轮，磁性墨水，磁性条形码，磁带，可识别有机磁性（自动售货机）等。,6.3.1 磁敏电阻,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,磁敏电阻齿轮,巨磁电阻(gmr)磁场传感器,6.3.2 磁敏晶体管,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,器件特点：长“基区”P-I为掺杂区，本征区I长度较长构成高阻半导体；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，载流子复合速度非常高；r 区对面是复合率很小的光滑面，载流子不易复合。,（1）磁敏二极管（锗管2ACM，硅管2DCM）,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,工作过程：加正向电压时，空穴、电子同时注入 I 区 无磁场时B=0，大部分 P 区空穴注入 N 区，N 区电子注 入 P 区形成电流；加正向磁场时，由于洛仑磁力作用，空穴电子偏向r区，并在r区很快复合，I 区载流子减小，电流减小，相当 于电阻增加压降增加；加反向磁场时，空穴电子偏向r区背面，复合减少，I区载 流子增加，相当电阻减小电流增加，压降减小。,（1）磁敏二极管,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,在磁场作用下，磁敏二极管具有磁灵敏度。输出电压与外加磁场的关系叫磁敏二极管的磁电特性，磁敏二极管具有正反磁灵敏度，这是磁阻元件欠缺的。另外，磁敏二极管正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度，需互 补使用。连接时需对臂相同、邻臂相反。,（1）磁敏二极管,磁敏二极管电路符号,6.3.2 磁敏晶体管,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,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，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。,（2）磁敏三极管,磁敏三极管电路符号,6.3.2 磁敏晶体管,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,加正向磁场 载流子偏向高复合区，集电极电流Ic减小；加反向磁场 载流子背向高复合区，集电极电流Ic增加；当基极电流一定，靠外加磁场可以改变集电极电流，这是与普通三极管不同之处；由于长基区大于扩散长度，所以发射极电流增益1，但 集电极电流有很高的磁灵敏度。,（2）磁敏三极管,6.3.2 磁敏晶体管,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,位移测量 磁敏二极管组成电桥，磁铁处于磁敏元件之间，中间位置时输出电压U0=0；位移时两磁敏元件感受的磁场强度不同，RD1RD3，电桥失衡，输出与位移有关。位移方向相反输出极性变化，可判别位移大小和方向。,涡流流量计 液体流动时，涡轮转动，流速与转速成正比，磁敏晶体管检测到磁性涡轮周期变化近似正弦波波形，频率与齿轮的转速成正比。频率转速流量,（3）磁敏晶体管的应用,6.3.2 磁敏晶体管,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,电感/电容/霍尔式接近开关比较,1.电感式（电涡流）接近开关工作原理,电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。,工作流程方框图,1.电感式（电涡流）接近开关工作原理,产品：电感式接近开关（NPN/PNP三极管驱动输出）,响应频率：500HZ；工作电压：550V直流/交流90-250VAC工作电流：小于10毫安；输出驱动电流：400毫安温度范围：4070度,检测距离：1、2、4、5、8、10、15、20、25、40、50、80毫米被测距离与传感器体积相关;被检测物为金属,电感/电容/霍尔式接近开关比较,2.电容式接近开关工作原理,电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身；当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体，在检测较低介电常数的物体时，可以顺时针调节多圈电位器（位于开关后部）来增加感应灵敏度，一般调节电位器使电容式的接近开关在的位置动作。,产品2：M18电容式接近开关（NPN/PNP三极管驱动输出、交流90-250VAC）,工作流程方框图,电感/电容/霍尔式接近开关比较,2.电容式接近开关工作原理,检测距离：1100毫米被检测物：任何物体响应频率：50HZ工作电压：直流/交流工作电流：小于10毫安输出电流：400毫安温度范围：4070度,电感/电容/霍尔式接近开关比较,产品2：电容式接近开关（NPN/PNP三极管驱动输出）,3.霍尔式接近开关工作原理,霍尔开关可用于接近开关，压力开关，里程表等，为一种新型电器配件；霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。霍尔开关就属于有源磁电转换器件，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度（如B1）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出，有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分。霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。,内部原理图及输入/输出转移特性,电感/电容/霍尔式接近开关比较,3.霍尔式接近开关工作原理,产品3：M12霍尔式接近开关（NPN/PNP三极管驱动输出）检测距离：110毫米工作电压：330V直流工作电流：小于5毫安响应频率：5000HZ输出电流：100毫安，感性负载50毫安温度范围：4070度安装方式：埋入式 225.0元/只,这是最常用的霍尔开关，它的直径为12毫米，固定时只要在设备外壳上打一个12毫米的园孔就能轻松固定，长度约30毫米，背后有工作指示灯，当检测到物体时红色LED点亮，平时处于熄灭状态，非常直观，引线长度为100毫米。,电感/电容/霍尔式接近开关比较,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,本章要点：磁电感应式传感器（电动式）工作原理、基本特性和应用；霍尔式传感器原理、霍尔传感器的应用、霍尔集成传感器；磁敏传感器，磁敏电阻器、磁敏二极管、磁敏三极管。,6.1 试述磁电感应式振动传感器的工作原理和结构形式。6.2 什么是霍尔效应？霍尔元件常用材料有哪些？为什么不用金属做霍尔元件材料？6.3 霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些？6.4 某一霍尔元件尺寸为 沿L方向通以电流，在垂直于L和b的方向加有均匀磁场B，灵敏度为22V(A.T)，试求输出霍尔电势及载流子浓度。,思考题和习题,思考题和习题,6.5 试分析霍尔元件输出接有负载时，利用恒压源和输人回路串联电阻进行温度补偿的条件。6.6 霍尔元件灵敏度 KH=40V(A.T)，控制电流I=3.0mA，写出它置于110-4510-4T线性变化的磁场中输出的霍尔电势范围？6.7 列举（查找）l2个霍尔元件的应用例子。6.8 比较霍尔元件、磁敏电阻、磁敏晶体管，它们有哪些相同之 处和不同之处？简述其各自的特点。,课堂练习,电机通断控制电路，VT 三极管功率驱动1A负载，PT-525为开关型霍尔元件；叙述电路工作原理；磁钢接近时霍尔元件导通（低），电机M的状态？磁钢远离时霍尔元件截止（高），电机M的状态？,课堂练习,具体请说明下图中霍尔传感器实现计数的原理，并简单画出输出信号的波形。,再 见,习 题,1.用石英晶体加速度计及电荷放大器测量加速度;已知：加速度计灵敏度为5pc/g，电荷放大器灵敏度为50mV/pc，当机器加速度达到最大值时，相应输出电压幅值为2V；试求该机器的振动加速度。,2.霍尔元件灵敏度 KH=40V(AT)，控制电流 I=3.0mA，写出它置于110-4510-4T线性变化的磁场中输出的霍尔电势范围？3.比较霍尔元件、磁敏电阻、磁敏晶体管，它们有哪些相同之 处和不同之处？简述其各自的特点。4.什么是霍尔效应？霍尔元件常采用什么材料，为什么不采用金属材料。5.写出霍尔电压表达式（UH），由此说明霍尔元件主要测量哪些物理量，或通过什么物理量测量非电量。,习 题,请选择下列较合适的传感器，检测给出的各种物理量。可做多项选择被测量：机械振动(频率)；高压气瓶形变；20Kg电子秤；10T吊车吊秤；汽车衡；管道气体压力；灌装液位；灌装物位；1-5mm位移；1-100mm位移；钢板厚度；转速；振动加速度；磁场强度；翻盖手机。传感器：应变仪；电阻式（柱式、梁式、膜片）式测力传感器；压电式；差动变压器式；变磁阻式；电涡流式；电容式（变面积、变介电常数、变极距）；磁电式（电动式）；霍尔传感器。,请选择下列较合适的传感器，检测以下的各种被测量。可做多项选择传感器：应变仪；电阻式（柱式、梁式、膜片）式测力传感器；压电式；差动变压器式；变磁阻式；电涡流式；电容式（变面积、变介电常数、变极距）。,被测量：桥梁（机械）振动 应变仪；压电式 电子秤（20kg）梁式应变测力传感器 吊车吊秤（5T）柱式应变测力传感器 管道（气体）压力 膜片式（电阻、电容）传感器 液位、物位 电容式（测介电常数）1-5mm位移 电感式（变磁阻）；电容式（变极距）；1-100mm位移 差动变压器式；电容式（变面积）；钢板厚度 电涡流式；差动变压器；电容式（变极距）加速度 压电式；电感式；电容式；电阻式,答 案,被测量：桥梁（机械）振动 应变仪；压电式；电涡流（金属材料）,被测量：电子秤（20kg）梁式应变测力传感器 吊车吊秤（5T）柱式、梁式应变测力传感器 汽车衡 柱式,被测量：管道（气体）压力 膜片式（电阻、电容、电感）传感器,被测量：液位、物位 电容式（测介电常数）,被测量：1-5mm位移 电感式（变磁阻）；电容式（变极距）；,被测量：钢板厚度 电涡流式；差动变压器；电容式（变极距）,被测量：加速度 压电式；电感式；电容式；电阻式,