传感器原理与应用 (第二版) 黄贤武 郑筱霞主编ppt课件.ppt

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1、1,第八章 磁电式传感器,测量原理：半导体材料中的自由电子及空穴 随磁场改变其运动方向,2,霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。 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。直到上世纪50年代，随着半导体技术的发展,才开发了各种霍尔元件。 霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特性广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。,3,8-1 霍尔传感器,一、霍尔效应,4,5,洛仑兹力,电场力,动态平衡,P型：,令,霍尔系数,电流,6,或,或,材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟,灵敏度低、温度特性

2、及线性度好,灵敏度最高、受温度影响大,7,二、霍尔元件及主要技术参数,8,（1）额定功耗P0,P0霍尔元件在环境温度T=25 时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。P0I*E,主要技术参数,（2）输入电阻Ri 、输出电阻R0,9,（4）霍尔电势的温度系数,一定的B和I，温度每变化1 时，霍尔电势变化的百分率。必须进行补偿。单位：1/ ,（3）不平衡电势U0,不等位电势、零位电势 IH、B=0、空载霍尔电势,原因：两个霍尔电极不在同一等位面上 材料不均匀、工艺不良,10,（5）内阻温度系数,B=0，工作温度范围内：温度每变化1 时，输入电阻Ri与输出电阻R0变化的百分率。,（6）灵敏度KH,一

3、定的B和I ：输出极开路时元件的灵敏度。,11,三、霍尔元件连接方式和输出电路,12,2、霍尔元件连接方式,控制电流端并联 输出电势为：2倍,控制电流端串联次级绕阻叠加输出,13,3、霍尔电势的输出电路,四端器件输出电势：mV量级,14,四、霍尔元件的测量误差和补偿方法,1、零位误差及补偿方法,电桥补偿原理：在阻值较大的桥臂上并联电阻,15,16,2、温度误差及补偿,五、霍尔开关集成传感器,17,1、结构及工作原理,材料：硅工艺：硅平面工艺,工作原理：,有磁场：VH，放大，整形： 开启阈值，高电平 VT导通，具有吸收电流的负载能力,磁场减弱：VH 减小，放大，整形： 关闭阈值， 翻转，低电平，

4、VT截止,开状态,关状态,18,2、工作特性,19,六、霍尔线性集成传感器,1、结构及工作原理,输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系,构成：霍尔元件、放大器、稳压、 电流放大输出级、失调调整、线性度调整,20,七、霍尔传感器的应用,1、霍尔位移传感器,磁数场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越均匀，输出线性越好,测量范围：1 2 mm,21,霍尔传感器的应用,22,2、磁感应强度测量仪,23,霍尔特斯拉计（高斯计）,霍尔元件,24,3、直流功率测量仪,25,4、霍尔式接近开关转速测量,26,霍尔转速表,S,N,线性霍尔,磁铁,27,28,5、测量电流,测量大直流电流（10kA）：电阻器分流,霍尔元件

5、测量电流：检测通电导线周围的磁场,简单、测量精度差、受外界干扰大,环形铁芯集中磁力线，提高电流测量精度,29,霍尔电流传感器演示,铁心,线性霍尔IC,UH=KH IB,I,I,30,将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中,31,6、测量表面覆盖层厚度,32,7、自动凭票供水装置,33,34,35,36,37,38,39,8-2 磁敏电阻器,一、磁阻效应, 载流导体置于磁场中，其电阻随磁场而变化,磁阻效应方程：温度恒定、弱磁场、只有电子导电,磁敏电阻：InSb、InAs,40,二、磁敏电阻的原理及特性,1、原理,41,2、结构,42,3、特性,43,8-3 磁敏二极管和磁敏三极管,44,2、工

6、作原理,磁场H = 0： 少量电子和空穴 在 I 区、r区复合,正向磁场 H+ ： 电子和空穴偏向 r 区， 电流因复合增大而减小,反向磁场 H- ： 电子和空穴偏向 I 区， 电流因复合减少而增大,45,3、主要技术特性及参数,46,4、特点,（1）灵敏度高：测量弱磁场（2）具有正反磁灵敏度（3）线性范围较窄,根据某一电压下的电流值可确定磁场的大小和方向。,（4）伏安特性,47,5、应用,例：漏磁探伤仪,无损伤部分：闭合磁路、无泄漏磁通，无输出信号裂纹：泄漏磁通、磁敏二极管探头输出信号,48,二、磁敏三极管,2、工作原理,49,无磁场作用： e - I - b：基极电流 输运基区：集电极电流,正向磁场作用： 载流子偏向发射极一侧， 集电极电流减小,反向磁场作用： 载流子偏向集电极一侧， 集电极电流偏大,