磁电式传感器.ppt

第6章 磁电式传感器,主要内容：6.1 磁电感应式传感器 6.2 霍尔式传感器 6.3 磁敏传感器,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,概述,传感器原理及应用,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、振动等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。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。是典型的有源传感器。,概述,传感器原理及应用,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 磁电式传感器通过检测磁场大小和变化测量被测量.,霍尔传感器测转速,霍尔元件用于手机开关,6.1 磁电感应式传感器（电动式）6.1.1 工作原理,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,根据电磁感应定律，N匝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,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。,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 磁电感应式传感器（电动式）6.1.1 工作原理,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,结构：磁电式传感器由磁钢、线圈、弹簧、阻尼器和壳体等组成，是典型的二阶系统，根据原理有两种磁电感应式传感器：1.恒磁通式:恒定磁场，运动部件可以是线圈也可以是磁铁。2.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,6.1 磁电感应式传感器（电动式）6.1.1 工作原理,传感器原理及应用,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,第6章磁电式传感器,6.1 磁电感应式传感器（电动式）6.1.1 工作原理,传感器原理及应用,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,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，=0.5-0.7，上限频率1k。,6.1 磁电感应式传感器（电动式）6.1.1 工作原理,传感器原理及应用,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,第6章磁电式传感器,6.1 磁电感应式传感器（电动式）6.1.2 基本特性,传感器原理及应用,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，传感器电势输出正比于振动速度,6.1 磁电感应式传感器（电动式）6.1.2 基本特性,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,实际输出特性（灵敏度）是不线性的，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,6.1 磁电感应式传感器（电动式）6.1.2 基本特性,传感器原理及应用,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,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。,6.1 磁电感应式传感器（电动式）6.1.3 测量电路,传感器原理及应用,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。,第6章磁电式传感器,6.1 磁电感应式传感器（电动式）6.1.3 测量电路,传感器原理及应用,速度经积分电路 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 磁电感应式传感器（电动式）6.1.3 测量电路,传感器原理及应用,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 磁电感应式传感器（电动式）6.1.4 应用,传感器原理及应用,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=齿数转数,第6章磁电式传感器,6.1 磁电感应式传感器（电动式）6.1.4 应用,传感器原理及应用,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。所以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 磁电感应式传感器（电动式）6.1.4 应用,传感器原理及应用,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 磁电感应式传感器（电动式）6.1.4 应用,传感器原理及应用,4.加速度和速度传感器振动测量 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采集通道，输入到计算机中。,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 磁电感应式传感器（电动式）6.1.4 应用,传感器原理及应用,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。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。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。,6.2 霍尔式传感器,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,霍尔传感器是一种磁敏元件，主要用于磁场检测;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。,磁场强度与磁场源的分布,6.2 霍尔式传感器,传感器原理及应用,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。,概述,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换 原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，目前广泛用于自动控制、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。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6.2.1 霍尔效应,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,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。电动势为,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。,霍尔传感器基于霍尔效应,6.2 霍尔式传感器6.2.1 霍尔效应,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：,式中霍尔电场强度为,霍尔电场作用于电子的力,第6章磁电式传感器,6.2 霍尔式传感器6.2.1 霍尔效应,传感器原理及应用,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：,n 载流子浓度，v 电子运动速度，b d 导体薄片横截面积，e 为电子电荷量。,第6章磁电式传感器,6.2 霍尔式传感器6.2.1 霍尔效应,传感器原理及应用,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 霍尔式传感器6.2.1 霍尔效应,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,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;金属材料因电子浓度n很高，RH很小，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。,6.2 霍尔式传感器6.2.2 霍尔传感器基本电路,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,霍尔元件外形和符号,6.2 霍尔式传感器6.2.2 霍尔传感器基本电路,传感器原理及应用,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 霍尔式传感器6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿,传感器原理及应用,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 霍尔式传感器6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿,传感器原理及应用,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 霍尔式传感器6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿,传感器原理及应用,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,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。,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 霍尔式传感器6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,具体补偿方法:在霍尔元件上并联一分流电阻Rp,由于恒流源电流I不变，Rp自动增加分流，使Ip增大，IH 下降，UH下降；补偿电阻Rp可选择负温度系数.,6.2 霍尔式传感器6.2.4 霍尔传感器的应用,传感器原理及应用,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,磁场测量,6.2 霍尔式传感器6.2.4 霍尔传感器的应用,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,1.霍尔传感器位移测量原理,6.2 霍尔式传感器6.2.4 霍尔传感器的应用,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,2.霍尔压力传感器结构原理,6.2 霍尔式传感器6.2.4 霍尔传感器的应用,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,3.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 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。H=KHC B=KHCKBIX 霍尔元件灵敏度；C 控制电流,X为导线电流；KB 为比例系数；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。,6.2 霍尔式传感器6.2.5 霍尔集成传感器 线性、开关,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,1.线性霍尔集成电路(测位移、测振动)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,6.2 霍尔式传感器6.2.5 霍尔集成传感器,传感器原理及应用,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N S极性)输出两种状态H、L，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,霍尔开关元件性能演示,6.2 霍尔式传感器6.2.5 霍尔集成传感器,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,TTL S LED集成霍尔元件及接口电路,3.应用,6.2 霍尔式传感器6.2.5 霍尔集成传感器,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,霍尔元件作无触点开关,6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,霍尔元件和磁体运动方式,6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,霍尔元件测位置,霍尔元件测角度,应用,6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,应用：汽车转速测量,典型信号的相关分析,6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,应用：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。,6.2 霍尔式传感器6.2.5 霍尔集成传感器,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,应用：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,6.2 霍尔式传感器6.2.5 霍尔集成传感器,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,6.2 霍尔式传感器6.2.5 霍尔集成传感器,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,应用：霍尔计数装置 传感器可输出峰值20mV脉冲电压,6.2 霍尔式传感器6.2.5 霍尔集成传感器,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,应用工位定位：,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。,6.3 磁敏传感器,传感器原理及应用,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：磁敏电阻；磁敏二极管；磁敏三极管；霍尔式磁敏传感器。,6.3 磁敏传感器6.3.1 磁敏电阻,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,磁阻效应：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,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，B B磁场电阻率,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,6.3 磁敏传感器6.3.1 磁敏电阻,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,第6章磁电式传感器,6.3 磁敏传感器6.3.1 磁敏电阻,传感器原理及应用,而霍尔电场作用会抵消洛伦兹力,磁阻效应被大大减弱,但仍然存在。由于霍尔电场强度与导体薄片的宽度b成反比关系，所以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 磁敏传感器6.3.1 磁敏电阻,传感器原理及应用,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 磁敏传感器6.3.1 磁敏电阻,传感器原理及应用,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.,磁敏电阻的输出特性,例：磁阻图形识别传感器BS05A1HFAA检测电路，工作电压5V，输出0.30.8v，被测物体3mm，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）。,磁敏电阻的应用,6.3 磁敏传感器6.3.1 磁敏电阻,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,无偏置磁场时,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,6.3 磁敏传感器6.3.1 磁敏电阻,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,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，又称为图形识别器。MS-F-06型磁敏传感器为日本产InSb（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磁感应强度关系曲线；,6.3 磁敏传感器6.3.1 磁敏电阻,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,由特性曲线图中可见，R=0时为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。,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如图所示。磁图形识别传感器由磁敏元件，放大整形检测电路组成，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 磁敏传感器6.3.1 磁敏电阻,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,6.3 磁敏传感器6.3.1 磁敏电阻器,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,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。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 磁敏传感器6.3.2 磁敏晶体管,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,特点：长“基区”PI为掺杂区，本征区I长度较长构成高阻半导体；工作过程：磁敏二极管在长“基区”的一侧面设置了复合区r，r面是个粗糙面截流子复合速度非常高，r区对面是复合率很小的光滑面。外加正向电压时，空穴、电子同时注入I区（双二极管）无磁场 B=0 时大部分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（锗管2ACM，硅管2DCM）,6.3 磁敏传感器6.3.2 磁敏晶体管,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,在正向磁场 作用下电阻大，电流小 在负向磁场 作用下电阻小，电流大 在磁场作用下，磁敏二极管灵敏度大大提高。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。但正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度，需互补使用，对臂相同、邻臂相反。,6.3 磁敏传感器6.3.2 磁敏晶体管,传感器原理及应用,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,6.3 磁敏传感器6.3.2 磁敏晶体管,传感器原理及应用,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 磁敏传感器6.3.2 磁敏晶体管,传感器原理及应用,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,HMC系列是美国霍尼威尔（Honeywell)公司生产的单片集成化磁场传感器，简称 MR（磁敏电阻）传感器。该系列有6种型号：其中HMC1001、1021D、1021S、1021Z为单轴磁场传感器，HMC1002、1022属于双轴磁场传感器。单轴磁场和双轴磁场传感器配套使用，可以构成3轴（X、Y、Z轴）磁场传感器，测量立体空间磁场。这种传感器体积小、灵敏度高、价格低，可用于地球磁场探测仪、导航系统、磁疗设备以及自动化装置中。,传感器内部有4只半导体磁敏电阻（HMC1001典型值为850）构成MR电桥，当受到外部磁场作用时桥臂电阻会发生变化，使电桥输出一个差分电压信号；灵敏度：对磁场的敏感程度可达3nT，测量范围可达610-4T（地球磁场仅为510-5T）。,6.3 磁敏传感器6.3.3 HMC系列集成磁场传感器,传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,HMC系列磁场传感器工作原理,UBR供电桥压+5V，GND公共地；OUT+、OUT-差分电压输出端；OFFSET+、OFFSET-为内部补偿线圈引线，表示电流极性；S/R+、S/R-为置位、复位线圈引出端，改变电流的极性可分别实现置位、复位；图中小尖头代表MR传感器灵敏度的方向。双轴磁场传感器的引脚图中，芯片内部有A、B两组MR传感器适合测量平面磁场。,6.3 磁敏传感器6.3.3 HMC系列集成磁场传感器,传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,HMC系列磁场传感器工作原理 以HMC 1001为例,HMC1001内部电路框图包括集成工艺制成的MR电桥，两个带绕式线圈，一个补偿线圈可等效于2.5的标称电阻;另一个是置位/复位线圈，等效1.5的标称电阻。,6.3 磁敏传感器6.3.3 HMC系列集成磁场传感器,传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,当线圈上有电流通过时，所产生的磁场就耦合到MR电桥上。这两个线圈具有磁场信号调理功能。,HMC系列磁场传感器工作原理 以HMC 1001为例,6.3 磁敏传感器6.3.3 HMC系列集成磁场传感器,接入电源后，传感器能测量沿水平轴方向的环境磁场或外加磁场；外部磁场加到传感器时改变磁敏电阻的电阻值，产生变化率R/R，使MR输出电压随外部磁场信号变化，配上数字电压表即可测量磁场。,传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,补偿线圈可实现下述功能：1）无检测磁场时,补偿线圈上有电流通过，就形成X轴方向的磁场（敏感方向），利用这个磁场可以抵消环境磁场（地磁）的影响。因为补偿电流从-端流向+端时补偿线圈产生一个与原磁场方向相反的磁场；25mA电流产生磁通510-5T 使原磁场减弱，只要合理选择调节补偿电流IOFFSET值就可以完全抵消环境磁场和铁磁性物质对测量的影响。,6.3 磁敏传感器6.3.3 HMC系列集成磁场传感器,2）补偿线圈可作为闭环反馈元件，消除待测磁场的影响；3）补偿线圈用于MR电桥自动校准；4）当环境温度变化时，MR传感器的灵敏度会变化，利用补偿线圈可检测沿灵敏轴方向的灵敏度。,传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,置位/复位线圈：该线圈主要作用是在测量磁场时能保持MR传感器的高灵敏度特性当被测弱磁场受到一个强磁场干扰时，MR传感器的输出信号有可能被干扰信号所淹没，造成输出信号丢失。为减小这种影响并使输出信号最大化，需要利用置位/复位线圈。,6.3 磁敏传感器6.3.3 HMC系列集成磁场传感器,置位/复位线圈必须通过几安的脉冲电流，持续时间2s；该线圈产生沿Y轴方向的磁场，这是MR最不敏感的方向；利用置位（或复位）可改变输出极性。,传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,6.3 磁敏传感器6.3.3 HMC系列集成磁场传感器,输出响应曲线 当置/复位脉冲电流通过引脚S/R+时,输出响应曲线斜率为正值,反之为负值,可改变输出电压的极性；电流方向S/R+S/R-输出UoSET，电流方向S/R-S/R+输出UoRESET 输出电压差值能消除温漂和非线性影响。UO=(UOSET-UORESET)/2 置位和复位曲线是对称的;由于工艺使桥臂不可能完全一致,可采用补偿技术使MR电桥平衡.具体办法在输出之间跨接一只电阻,使零磁场时输出电压为零.,传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,HMC系列磁场传感器应用,接近开关 HMC1001接运放AMP04（做比较器使用），构成接近开关电路，磁铁接近时MR输出电压达到30mV，使比较器翻转，输出变低LED发光。可用来检测位移、转速等非电量。特斯拉计 由HMC1001/1002构成系统，可测量小于10nT的磁场，S/R脉冲电流幅度需大于4A。,6.3 磁敏传感器6.3.3 HMC系列集成磁场传感器,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,传感器原理及应用,第6章磁电式传感器,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N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？,传感器原理及应用,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,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。,