常用的传感器-磁敏.ppt

1,1.掌握霍尔传感器的工作原理及特性2.掌握霍尔元件的应用3.了解磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管的工作原理及应用,3.5 磁敏式传感器,2,霍尔式（Hall）磁敏电阻磁敏二极管磁敏三极管,3.5 磁敏式传感器,磁敏传感器是可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置。,3,霍尔式传感器,霍尔元件：是一种半导体磁电转换元件，一般由锗、锑化铟、砷化铟等半导体材料制成。霍尔集成电路：把霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等做在一个芯片上的集成电路型结构。其可靠性更高、寿命更长、功耗更低、负载能力更强等。,利用霍尔效应将被测量（如电流、磁场、转速、流量等）转换为电动势的一种传感器。,4,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霍尔效应。,1.霍尔效应,5,霍尔效应,给磁场B中的N型半导体薄片上通以电流I，由于N型半导体的载流子为电子，因此电子将沿与电流相反的方向运动。由于洛仑磁力的作用，电子发生偏转，一侧形成电子累积，另一侧形成正电荷累积，于是元件的横向便形成了电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受电场力 与洛仑兹力 相等时，电子的累积达到动态平衡。这时在两端横面之间建立的电场称为霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势,N型半导体薄片,6,霍尔常数（灵敏度），取决于材质、温度、元件尺寸（厚度）磁场与元件表面的夹角。,当磁场和环境温度一定时:霍尔电势与控制电流I成正比当控制电流和环境温度一定时:霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比当环境温度一定时:输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比 测量以上电阻时，应在没有外磁场和室温变化的条件下进行。,7,2.霍尔元件,霍尔元件多采用N型半导体材料（高的电阻率和载流子的迁移率）。目前最常用的霍尔材料有锗、硅、锑化铟、砷化铟等半导体材料。,8,霍尔片是一块矩形半导体薄片。,控制电流端引线,霍尔电势输出端引线,9,10,霍尔元件的主要特性参数：,(1)输入电阻和输出电阻 输入电阻：控制电极间的电阻 输出电阻：霍尔电极之间的电阻(2)额定控制电流和最大允许控制电流 额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在 空气中产生10温升时，对应的控制电流值 最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对 应的控制电流值,11,(3)不等位电势Uo和不等位电阻ro,不等位电势：当霍尔元件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，测得的空载霍尔电势。不等位电势是由霍尔电极2和之间的电阻决定的，r 0称不等位电阻,12,(4)寄生直流电势 霍尔元件零位误差的一部分当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势(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1度时，霍尔电势变化的百分率。,13,霍尔元件温度误差及补偿,为了减小温度误差，除选用温度系数较小的材料如砷化铟外，还可以采取一些恒温措施，或采用恒流源配合补偿电阻供电，这样可以减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。,温度误差产生原因：霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。,14,恒流源温度补偿,霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系,KH0 为温度T0时的KH值；霍尔电势的温度系数。,大多数霍尔元件的温度系数是正值时，它们的霍尔电势随温度的升高而增加（1+T）倍。同时，让控制电流I相应地减小，能保持KH不变就抵消了灵敏系数值增加的影响。,15,恒流源温度补偿电路,当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流,16,控制电流,温度升到T时，电路中各参数变为,温度为T0时,霍尔元件输入电阻温度系数；分流电阻温度系数。,17,为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足:升温前、后的霍尔电势不变，,经整理，忽略 高次项后得,18,当霍尔元件选定后，它的输入电阻 和温度系数 及霍尔电势温度系数 可以从元件参数表中查到（可以测量出来），用上式即可计算出分流电阻 及所需的分流电阻温度系数 值。,19,霍尔元件的实用测量电路,霍尔元件的输出霍尔电势较小，一般在毫伏级，因此在利用霍尔元件制作霍尔传感器时，必须在霍尔元件的输出端接入放大测量电路。此时，根据输出信号的形式，可以分为开关型霍尔传感器和线性霍尔传感器两种类型。,线性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，它的电路比较简单，用于精度要求不高的一些场合。,开关型霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。,20,线性霍尔传感器,21,（1）霍尔元件：在0.1T磁场作用下，霍尔元件开路时可输出20mV左右 的霍尔电压，当有负载时输出10mV左右的霍尔电压。（2）差分放大器：放大器将霍尔电压放大，以便驱动后一级整形电路。（3）整形电路：一般采用施密特触发器，它把经差分放大的电压整形为矩形脉冲，实现A/D转换。（4）输出管：由一个或两个三极管组成，采用单管或双管集电极开路输出，集电极输出的优点是可以跟很多类型的电路直接连接，使用方便。（5）电源电路：包括稳压电路和恒流电路，设置稳压和恒流电路的目的，一方面是为了改善霍尔传感器的温度性能，另一方面可以大大提高集成霍尔传感器工作电源电压的适用范围。,开关型霍尔传感器,22,将霍尔元件与放大、整形等电路集成在同一芯片上，成为霍尔集成传感器，具有体积小、灵敏度搞、价格便宜、性能稳定等优点。,23,3.霍尔传感器的应用,根据霍尔输出与控制电流和磁感应强度的乘积成正比的关系可知，霍尔元件主要用在下述三个方面：,1）保持元件的控制电流恒定，则元件的输出正比于磁感应强度。因此，可以测定恒定和交变磁感应强度，如高斯计；同时凡是能转化为磁感应强度变化的量都能进行测量，如位移、角度、转速和加速度等。,2）保持元件感受的磁感应强度不变时，则元件的输出正比于控制电流。因此，主要的应用有交、直流的电流表、电压表等；同时凡能转换为电流变化的量，均能进行测量。,3）当元件的控制电流和磁感应强度均变化时，元件输出与两者乘积成正比。因此，它可用于乘法、功率等的测量，如乘法计、功率计等。,24,霍尔式位移传感器,当流过霍尔片的控制电流保持不变时，霍尔片在磁场一定范围内沿x方向移动时，磁感应强度的变化呈线性关系，即：为常数,可见霍尔电势与位移量x呈线性关系。,基于霍尔效应制成的位移传感器一般可用来测量小位移。,25,有一霍尔元件，其灵敏度为KH1.2mV/mA.kGs 把它垂直放在一个梯度（dB/dx）为5kGs/mm的磁场中，如果额定控制电流是20mA，设霍尔元件在平衡点附近作 摆动，问输出电压可达多少毫伏？,26,工作磁体固定在霍尔器件背面,霍尔传感器的应用,27,霍尔传感器的应用,28,铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高，磁阻小，磁力线都集中在材料内部。若材料均匀，磁力线分布也均匀。如果材料中有缺陷，如小孔、裂纹等，在缺陷处，磁力线会发生弯曲，使局部磁场发生畸变。用霍尔探头检出这种畸变，经过数据处理，可辨别出缺陷的位置，性质（孔或裂纹）和大小（如深度、宽度）,铁磁材料霍尔传感器检测,霍尔传感器的应用,29,30,4.霍尔传感器的选用注意事项 1磁场测量。如果要求被测磁场精度较高，如优于0.5，那么通常选用砷化镓霍尔元件，其灵敏度高，约为510mv/100mT.温度误差可 忽略不计，且材料性能好，可以做的体积较小。在被测磁场精度较低，体积要求不高，如精度低于0.5时，最好选用硅和锗等霍尔元件。2电流测量。大部分霍尔元件可以用于电流测量，要求精度较高时选用砷化镓霍尔元件，精度不高时，可选用砷化镓、硅、锗等霍尔元件。3转速和脉冲测量。测量转速和脉冲时，通常是选用集成霍尔开关和锑化铟霍尔元件。如在录像机和摄像机中采用了锑化铟霍尔元件替代电机的电刷，提高了使用寿命。4信号的运算和测量。通常利用霍尔电势与控制电流、被测磁场成正比，并与被测磁场同霍尔元件表面的夹角成正弦关系的特性，制造函数发生器。利用霍尔元件输出与控制电流和被测磁场乘积成正比的特性。制造功率表、电度表等。5拉力和压力测量。选用霍尔件制成的传感器较其它材料制成的传感器灵敏度和线性度更佳。,31,磁敏电阻传感器,磁阻元件类似霍尔元件，但它的工作原理是利用半导体材料的磁阻效应。,32,1.磁阻效应,磁阻效应将一个载流导体位于外磁场中，除了会产生霍尔效应以外，其电阻值也会随着磁场而变化，这种现象称为磁电阻效应，简称为磁阻效应磁阻效应是伴随者霍尔效应同时发生的一种物理效应。,33,从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因磁场的作用而加长所致。,34,35,2.磁阻元件的主要特性,灵敏度特性磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场 电阻变化率特性曲线的斜率。在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下磁阻元件的电阻值，RB为施加0.3T磁感应强度时磁阻元件的电阻值。,36,37,电阻 温度特性,半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的电阻值在不大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。,38,3.磁敏电阻的结构和特性,39,4.磁敏电阻的应用,磁敏电阻的应用非常的广泛，除了可以用来做成探头，配上简单线路可以探测各种磁场外，还可以制作成位移检测器，角度检测器，功率器，安培计，交流放大器和振荡器等。,上图是一种测量位移的磁阻效应传感器。将磁阻元件置于磁场中，当它相对于磁场发生位移时，元件内阻R1、R2发生变化，如果将它们接于电桥，则其输出电压比例于电阻的变化。,40,磁敏二极管、磁敏三极管,这种磁敏器件的主要工作原理不是PN结本身与输入外磁场有什么必然的联系，而是器件的某些性能对输入外磁场非常敏感。,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。它们具有磁灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）；能识别磁场的极性；体积小、工作电流小、电路简单等特点，因而正日益得到重视；并在磁场、转速、探伤等检测与控制中得到广泛应用。,41,磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成，在P、N之间有一个较长的本征区I。本征区I的一面磨成光滑的无复合表面（I区），另一面打毛，设置成高复合区（r区），因为电子空穴对易于在粗糙表面复合而消失。,（a）结构（b）符号,磁敏二极管结构,42,P,N,P,N,P,N,H=0,H+,H-,电流,电流,电流,（a）,（b）,（c）,流过二极管的电流也在变化，也就是说二极管等效电阻随着磁场的不同而不同。,磁敏二极管的工作原理 当磁敏二极管的P区接电源正极，N区接电源负极即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，,i,i,i,电子,空穴,复合区,43,44,结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。磁敏二极管反向偏置时，则在 r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。,45,主要特性,46,1.伏安特性,在给定磁场情况下，锗磁敏二极管两端正向偏压和通过它的电流关系曲线如下：,电压一定时，磁场为正时，随着磁场的增大，电流减小，说明磁阻增加；磁场为负时，随着磁场向负方向增加，电流增加，说明磁阻减小。,47,2.磁电特性,在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场的关系称为磁敏二极管的磁电特性。,在弱磁场（）时，输出电压变化量与磁感应强度成线性关系，随磁场的增加，曲线趋向饱和。还可以看到，其正向灵敏度大于反向灵敏度。,因此特别适合于0.1T以下弱磁场的测量。它不但能测出磁场的大小，还能测出磁场的方向。可用于制成线路简单、成本低的小量程高斯计、漏磁测量仪、磁力探伤仪、磁力探矿仪等。,48,3.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 或无磁场作用时两端电压 随温度变化的规律。,由图可知，磁敏二极管受温度影响较大。因此在实际使用中，必须对其进行温度补偿。,49,4.频率特性,硅磁敏二极管的响应时间，几乎等于注入载流子漂移过程中被复合并达到动平衡的时间。所以，频率响应时间与载流子的有效寿命相当。硅管的响应时间小于1us，所以响应频率高达1MHz；锗磁敏二极管的响应频率小于10kHz。,50,51,52,3 磁敏二极管和磁敏三极管的比较,1.磁敏三极管的灵敏度比二极管高几倍甚至十几倍，并且具有功率输出；,2.磁敏三极管比二极管功耗低；,3.磁敏三极管比二极管动态范围宽；,4.磁敏三极管比二极管噪声小；,5.磁敏三极管特别适合用在低电压范围工作。,53,4 磁敏二极管和磁敏三极管的应用,由于磁敏管有较高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。,利用磁敏管可以作成磁场探测仪器如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量10-7T左右的弱磁场。,根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。,此外,利用磁敏管还可制成转速传感器(能测高达每分钟数万转的转速),无触点电位器和漏磁探伤仪等。,54,