《移动通信课题》PPT课件.ppt

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1、2023/7/28,1,第4章 磁敏传感器,本章主要学习霍耳传感器的工作原理、霍耳集成电路的特性及其在检测技术中的应用，还涉及磁场测量技术。,2023/7/28,2,磁敏传感器定义 磁敏传感器是基于磁电转换原理将磁学物理量转 换成电信号的传感器。磁敏传感器分类 体型：霍耳传感器，磁敏电阻。结型：磁敏二极管，磁敏晶体管。,4.1 磁敏传感器的种类,1856年，发现磁阻效应；1879年，发现霍耳效应。以上效应，为磁敏传感器的产生奠定了基础。,2023/7/28,3,4.2 磁电效应,（一）霍耳效应 半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁

2、场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍耳效应，EH称为霍耳电势。,磁感应强度B为零时的情况,c,d,a,b,2023/7/28,4,作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍耳电势也就越高。霍耳电势EH可用下式表示：EH=RH JB,磁感应强度B较大时的情况,2023/7/28,5,霍耳效应演示,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍耳电势。,c,d,a,b,2023/7/28,6,*磁场不垂直于半导体薄片时,若磁感应强度B不垂直于半导体薄片，而是与其法线成某一角度 时，实际上作用于半导体薄片上的有效磁感应强度是其法线方向的分量，即Bc

3、os，这时的霍耳电势为：EH=RHJBcos UH=KIHBcos,结论：霍耳电势与输入电流密度J、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍耳电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍耳电势为同频率的交变电势。,2023/7/28,7,（二）磁阻效应和形状效应 半导体外加磁场时，电阻值增加的物理现象可分为两种情况：1.磁阻效应 半导体外加磁场时，自身电阻率增加的现象，磁阻效应直接反映固体的物性。2.形状效应 半导体外加磁场时，在金属电极附近电流路径增长而使电阻值增加的现象，形状效应与电极和元件的形状有关。,2023/7/28,8,(d)等效电路,霍耳元件基本结构：,4.3 霍耳元

4、件,(a)外形结构示意图,(b)图形符号,单端输出 双端输出(c)电路符号,激励电极1、1被称为器件电流端子、控制电流端子或输入电流端子。霍耳电极2、2被称为霍耳端子或输出电压端子。,流入到器件内的电流，称为器件电流、控制电流或输入电流。若霍耳端子间连接负载，成为霍耳负载电阻或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为输入电阻或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。,2023/7/28,9,霍耳元件的主要外特性参数,最大磁感应强度BM:,上图所示霍耳元件的线性范围是多少？,2023/7/28,10,霍耳元件的主要外特性参数,最大激励电流IM:,以霍耳元件允许最大温升为限制所对应的激

5、励电流称为最大允许激励电流。由于霍耳电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍耳元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍耳电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。,2023/7/28,11,图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍耳输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。,控制电流I；霍耳电势VH；控制电压V；输出电阻R2；输入电阻R1；霍耳负载电阻R3；霍耳电流IH。,VH,R3,

6、V,B,I,E,IH,霍耳元件基本测量电路,R,实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。,2023/7/28,12,霍耳元件的温度补偿,温度变化，导致霍尔元件内阻、霍尔灵敏度等变化，给测量带来一定误差，即温度误差。为了减小温度误差，需采取温度补偿措施。采用恒流源供电和输入回路并联电阻选取合适的负载电阻RL 采用恒压源和输入回路串联电阻采用温度补偿元件,2023/7/28,13,4.4 霍耳集成元件,霍耳集成元件是霍耳元件与运放一体化的结构，可分为线性输出型和开关输出型两大类。,线性型集成电路是将霍耳元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片

7、上，输出电压为伏级，比直接使用霍耳元件方便得多。,线性型三端霍耳集成电路,2023/7/28,14,线性输出型霍耳集成元件,三端器件，输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，典型产品是SL3501T。,8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零，典型产品是SL3501M。,2023/7/28,15,线性输出型霍耳集成元件特性,右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍耳器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向(磁钢的S极对准霍耳器件的正面)时，输出为正；磁场反向时，输出为负。,线性范围,2023/7/28,16,开关输出型霍耳集成元件

8、,开关型霍耳集成电路是将霍耳元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。,霍耳开关集成传感器内部结构框图,霍耳元件,双端输入单端输出的运放,施密特出发器,OC门,2023/7/28,17,典型开关输出型霍耳集成器件UGN3020,（b）应用电路,（a）外型,霍耳开关集成传感器的外型及应用电路,2023/7/28,18,开关输出型霍耳集成元件应用实例,2023/7/28,19,?,2023/7/28,20,开关输出型霍耳集成传感器构成

9、的接口电路,2023/7/28,21,*霍耳传感器的应用,利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。,2023/7/28,22,霍耳特斯拉计(高斯计)及其使用,霍耳元件,磁铁,2023/7/28,23,霍耳传感器用于测量磁场强度,霍耳元件,测量铁心气隙的B值,2023/7/28,24,霍耳转速表,当齿对准霍耳元件时，磁力线集中穿过霍耳元件，可产生较大的霍耳电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡

10、对准霍耳元件时，输出为低电平。,（一）工作原理,2023/7/28,25,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，将线性型霍耳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，霍耳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。,S,N,线性霍耳,磁铁,（二）实际应用,2023/7/28,26,霍耳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。用霍耳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。,带有微型磁铁的霍耳传感器,钢质,霍耳,2023/7/28,27,霍耳式无刷电动机,霍耳式无刷

11、电动机取消了换向器和电刷，采用霍耳元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。,普通直流电动机使用的电刷和换向器,霍耳式无刷电动机,2023/7/28,28,无刷电动机在电动自行车上的应用,电动自行车,可充电电池组,无刷电动机,2023/7/28,29,电动自行车的无刷电动机及控制电路,去速度控制器,利用PWM调速,2023/7/28,30,霍耳式接近开关,当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍耳式接近开关动

12、作。霍耳接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。,2023/7/28,31,霍耳式接近开关用于转速测量演示,软铁分流翼片,开关型霍耳IC,2023/7/28,32,霍耳电流传感器,将被测电流的导线穿过霍耳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耳元件，从而产生与电流成正比的霍耳电压。,2023/7/28,33,霍耳电流传感器演示,铁心,线性霍耳IC,EH=KH IB,I,I,2023/7/28,34,霍耳钳形电流表（交直流两用）,压舌,豁口,2023/7/28,35,1.什么是霍耳效应？什么是磁阻效应？什么 是形状效应？2.列举至少五种霍耳传感器的具体应用。3.请参考开关输出型霍耳集成传感器构成的 接口电路，自行设计一个照明控制电路，画 出具体电路并用文字说明所设计系统的具 体工作过程。,本章作业,