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1、传感器原理及应用,主讲人:任爽,主要内容:2.1 磁电感应式传感器2.2 霍尔式传感器 2.3 磁敏传感器,传感器原理及工程应用,第2章磁电式传感器,概述,磁电式传感器是对磁场参量(如磁感应强度B、磁通)敏感、通过磁电作用将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的器件或装置。磁电作用主要分为电磁感应和霍尔效应两种情况。,磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的原理进行工作的。又被称为感应式传感器或电动式传感器。它是一种机电能量转换型传感器,工作时不需要外加电源,可直接从被测物体吸取机械能量转换为电信号输出,属于有源传感器。特点:电路简单,性能稳定,输出阻抗小
2、,具有一定的频率响应范围(一般为101000Hz),适合于转速、振动、位移和扭矩等测量。但是这种传感器尺寸和重量都比较大。,2.1 磁电感应式传感器,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e。e的大小与穿过线圈的磁通变化率有关。,2.1.1 工作原理和分类,1、恒定磁通式,1、恒定磁通式,B0:工作气隙磁感应强度;l:每匝线圈平均长度;N:线圈在工作气隙磁场 中的匝数;v:相对运动速度。,开磁路变磁通式:结构简单,但输出信号较小,且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。,2、变磁通式,闭磁路变磁通式:感应电势的频率与被测转速成正比。,2.1.2 磁电感
3、应式传感器基本特性 当测量电路接入磁电传感器电路时,如图所示,磁电传感器的输出电流Io为,式中:Rf测量电路输入电阻;R线圈等效电阻。,传感器的电流灵敏度为,而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为,当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时,其灵敏度将发生变化,从而产生测量误差,其相对误差为,为了保证传感器输出的线性度,要保证线圈始终在均匀磁场内运动。,提高灵敏度方法:选用具有磁能积较大的永久磁铁;尽量小的气隙长度,以提高气隙磁通密度B;增加和N,但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率等因素的限制。,磁电感应式传感器的测量电路,磁电式传感器直接输出感应电动势,且传感器通常
4、具有较高的灵敏度,不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器,若要获取被测位移或加速度信号,则需要配用积分或微分电路。,二、磁电感应式传感器的应用,1.测速转轴,三、磁电感应式传感器的应用,2.振动测量,磁铁与线圈之间相对运动,运动速度接近振动速度,磁路气隙中的线圈切割磁力线,产生于正比振动速度的感应电动势,输出不从零开始,从 Va 开始:1.V Va 必需克服静摩擦力,才能相对运动;2.V Vc 惯性太大超过范围,振动传感器输出特性,3 磁电式扭矩传感器,4 电磁流量计,概述,霍尔传感器属于磁敏元件,是基于霍尔效应工作,把磁学物理量转换成电信号。随着半导体技术的发展,广泛用于自动控制、信
5、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。,7.2 霍尔式传感器,7.2 霍尔式传感器,一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理,在半导体薄片中通以电流I,在与薄片垂直方向加磁场B,则在半导体薄片的另外两端,产生一个大小与控制电流I和B乘积成正比的电动势,这种现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势,该薄片称为霍尔元件。,1、霍尔效应,UH,FL,FE,v,B,2、霍尔元件的工作原理,设霍尔元件为N型半导体,当它通电流I时,洛仑兹力:FL=-evB,电场作用于电子的电场力为,当电场力与洛仑兹力相等时,达到动态平衡,有,eEH=evB,故霍尔电
6、场的强度为,EH=vB,所以,霍尔电压UH可表示为 UH=EH b=vBb,流过霍尔元件的电流为,I=dQ/dt=bdvn(-e),v=-I/nebd,所以:UH=-BI/ned,nN型半导体中的电子浓度,pP型半导体中的空穴浓度,P型半导体,3、霍尔系数及灵敏度,N型霍尔系数,P型霍尔系数,材料电阻率 载流子迁移率,霍尔系数由半导体材料性质决定,且决定霍尔电势的强弱。,N型材料电阻率,P型材料电阻率,说明什么,讨论:为什么只能用半导体材料作霍尔元件?,金属材料电子很高但很小;绝缘材料很高但很小;故为获得较强霍尔效应,霍尔片全部采用半导体材料制成。,电子的迁移率比空穴大,所以以N型半导体居多。
7、,霍尔元件灵敏度,KH=RH/d,UH KH I B,单位磁感应强度和单位控制电流作用时,所能输出的霍尔电势的大小。单位是mV/(mAT),意义:与材料的物理性质和几何尺寸有关,决定霍尔电势的强弱。,若磁感应强度B的方向与霍尔元件的平面法线夹角为时,霍耳电势应为:,VH KH I B cos,霍尔器件薄膜化是提高灵敏度的一个途径。,霍尔器件符号,C、D:霍耳输出端,称为霍尔端或输出端。,A、B:电极端,称为元件电流端、控制电流端或 输入电流端。,红色导线,红色导线,绿色导线,绿色导线,一般为4mm2mm0.1mm,二、霍尔传感器基本电路,霍尔晶体外形矩形薄片有四根引线,两端加激励两端为输出;电
8、源E,控制电流I;负载RL,R可调保证控制电流,B磁场与元件面垂直(向里)。实测中可把I*B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Uo与I或B成正比关系。,三、霍尔传感器的误差及补偿(1)不等位电势,当霍尔元件通以控制电流I时,若磁场B=0,理论上霍尔电势UH=0,但实际UH不等于0,这时测得的空载电势称不等位电势U0。,霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上;半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀;控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。,直流条件下测得的,产生的原因:,在外加磁场为零、控制电流改为额定交流电流时,霍尔电极间的空载电势为直流与交流电
9、势之和。其中交流霍尔电势与前述不等位电势相对应,而直流霍尔电势是个寄生量,称为寄生直流电势。,三、霍尔传感器的误差及补偿(2)寄生直流电势,其产生的原因有:控制电极与霍尔电极接触不良,形成非欧姆接触,造成整流效果;两个霍尔电极大小不对称,则两个电极点的热容不同,散热状态不同而形成极间温差电势。寄生直流电势一般在1mV以下,它是影响霍尔片温漂的原因之一。,霍尔元件的等效电路,三、霍尔传感器的误差及补偿(3)不等位电势补偿,不等位电势的补偿,三、霍尔传感器的误差及补偿(3)不等位电势补偿,三、霍尔传感器的误差及补偿(4)温度误差及补偿,霍尔元件是半导体元件,它的许多参数与温度有关。当温度T变化时,
10、载流子浓度n、迁移率、电阻率,霍尔系数RH 都会变化。,(1),恒流源补偿:由 UH=KHIB 可见恒流源供电可使UH稳定,但灵敏度系数 KH=RH/d=/d也是温度的函数;,具体补偿方法:在霍尔元件上并联一Rp分流,三、霍尔传感器的误差及补偿(4)温度误差及补偿,大多数霍尔元件的温度系数是正值,它们的霍尔电势随温度升高而增加T倍。但如果同时让激励电流I相应地减小,并能保持KHI 乘积不变,也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。,就是按此思路设计的一个既简单,补偿效果又较好的补偿电路。电路中I为恒流源,分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极相并联。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Rp
11、自动地增大分流,减小了霍尔元件的激励电流IH,从而达到补偿的目的。,在如图所示的温度补偿电路中,设初始温度为T0,霍尔元件输入电阻为Ri0,灵敏系数为KH0,分流电阻为Rp0,根据分流概念得,(2),当温度升至T时,电路中各参数变为,(3),(4),式中:霍尔元件输入电阻温度系数;分流电阻温度系数。,三、霍尔传感器的误差及补偿(4)温度误差及补偿,则,(5),虽然温度升高了T,为使霍尔电势不变,补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电势不变,即UH0=UH,则,KH0IH0B=KHIHB,(6),有,KH0IH0=KHIH,(7),三、霍尔传感器的误差及补偿(4)温度误差及补偿,将式(1)、(2)、
12、(5)代入上式,经整理并略去(T)2高次项后得,(8),当霍尔元件选定后,它的输入电阻Ri0和温度系数及霍尔电势温度系数是确定值。由式(8)即可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值。为了满足Rp0及两个条件,分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合,这样虽然麻烦但效果很好。,三、霍尔传感器的误差及补偿(4)温度误差及补偿,三、霍尔传感器的误差及补偿(4)温度误差及补偿,四、霍尔传感器的应用,霍尔元件符号,四、霍尔传感器的应用,霍尔传感器位移测量原理,(a)磁场强度相同传感器;(b)简单的位移传感器;(c)结构相同的位移传感器,四、霍尔传感器的应用,四、霍尔传感器的应用,四、霍尔传感器
13、的应用,霍尔压力传感器结构原理,Bourdon tubes 利用管的弯曲变化或扭转变形测量压力的弹性敏感元件,又称弹簧管。波登管的一端固定,一端活动,其截面形状为椭圆形或扁平形。非圆形截面的管子在其内压力的作用下逐渐胀成圆形,此时活动端产生与压力大小成一定关系的位移。活动端带动指针即可指示压力的大小。最常用的波登管为C型,此外还有螺旋型、C型组合、麻花型等类型(见图)。波登管的材料采用铜基或铁基合金。它与其他压力敏感元件相比灵敏度小些,常用于测量较大的压力,往往与其他弹性元件组合使用。1852年E.波登取得波登管的专利权。至今波登管仍在许多仪器中广泛应用,特别是用于压力和力的测量方面。,4.3
14、 磁敏传感器,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。,一、磁敏电阻器,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。当载流导体置于磁场中,其电阻会随磁场而变化的现象,称此种现象为磁致电阻变化效应,简称为磁阻效应。,磁阻效应表达式:,:为磁感应强度;B:材料在磁感应强度为时的电阻率;0:材料在磁感应强度为
15、0时的电阻率;:载流子的迁移率。,一、磁敏电阻器,由于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。磁阻元件的电阻与形状有关:,长方形样品 扁条状长形 圆盘样品,一、磁敏电阻器,长方形样品:霍尔电场作用FH小,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。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长方形。,一、磁敏电阻器,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
16、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,一、磁敏电阻器,磁图形识别传感器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,二、磁敏二极管,1、磁敏二极管的结构,P,N,I,r 区,简写为SMD。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(为I区),另一面打毛,设置成高复合区(为r区),因为电子-空穴对易于在粗糙表面复合而消失。,2、磁敏二极管的工作原理,H=0,电子,复合区,(1)当
17、磁敏二极管未受到外界磁场作用时,外加正偏压,则有大量的空穴从P区通过I区进入N区,同时也有大量的电子注入P区。形成电流。只有少量电子和空穴在I区复合。,空穴,(2)当磁敏二极管受到外界磁场H+作用时 电子、空穴受到洛仑兹力作用而向r区偏移,由于r区的电子、空穴复合率比光滑面I区快,因此形成的电流因复合速度而减小。,(3)当磁敏二极管受到外界磁场H-作用时 电子、空穴受到洛仑兹力作用而向I区偏移,由于电子、空穴复合率明显变小,则电流变大。,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
18、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。,三、磁敏三极管,1、磁敏三极管的结构,r,N+,N+,c,e,H-,H+,P+,b,i,基区较长。基区结构类似磁敏二极管,有高复合速率的r区和本征I区。长基区分为运输基区和复合基区。,(1)当不受磁场作用时,2、磁敏三极管的工作原理,由于基区宽度大于载流子有效扩散长度,大部分载流子通过e-I-b形成基极电流,少数载流子输入到c极。因而形成基极电流大于集电极电流的情况,使=IcIbl。,(2)当受到H磁场作用,由于洛仑兹力作用,载流子向发射结一侧偏转,从而使集电
19、极电流明显下降。,(3)当受H-磁场作用,载流子在洛仑兹力作用下,向集电结一侧偏转,使集电极电流增大。,可知、磁敏三极管在正、反向磁场作用下,其集电极电流出现明显变化。这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。,二、磁敏二极管,特点:长“基区”PIN型二极管,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。,三、磁敏晶体管,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。,传感器基础,第8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。,
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