第4章-磁敏传感器-ysliu课件

本章学习重点1、霍尔元件的原理2、霍尔元件的使用方法3、霍尔集成电路的使用方法4、典型电路应用实验内容的准备7/12/20241问题1、什么是霍尔效应，用它来干什么？2、霍尔元件怎么使用才能起作用?提供何种激励，读取什么输出？3、霍尔集成电路和霍尔元件使用上的区别？4、霍尔元件的偏置电路和驱动电路的作用？4、图4-32、图4-11、图4-357/12/20242磁敏传感器定义：将磁学物理量转换成电信号的传感器。单位：1T（特斯拉）=10000Gs（高斯）地磁场：5*10E-5T心脏电磁场：10E-11T脑电波：10E-13T电动机：10E1T7/12/20243磁敏传感器的分类霍尔元件磁敏二极管磁敏三极管（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、电路简单等特点）磁敏电阻是一种电阻随磁场变化而变化的磁是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称敏元件，也称MR元件。元件。7/12/20244第一节第一节 霍尔元件的结构及工作原理霍尔元件的结构及工作原理半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这，这种现象称为霍尔效应。种现象称为霍尔效应。磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况c cd da ab b7/12/20245磁感应强度磁感应强度B B 较大时的情况较大时的情况作作用用在在半半导导体体薄薄片片上上的的磁磁场场强强度度B越越强强，霍霍尔电势也就越高。霍尔电势尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：可用下式表示：EH=KHIB7/12/20246霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。方向的端面之间建立起霍尔电势。c cd da ab b7/12/20247磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势若若磁磁感感应应强强度度B B不不垂垂直直于于霍霍尔尔元元件件，而而是是与与其其法法线线成成某某一一角角度度 时时，实实际际上上作作用用于于霍霍尔尔元元件件上上的的有有效效磁磁感感应应强强度度是是其其法法线线方方向向（与与薄薄片片垂垂直直的的方方向向）的的分分量，即量，即B Bcoscos，这时的霍尔电势为，这时的霍尔电势为 E EH H=K KH HIBIBcoscos 结论：结论：霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I、磁感应强度、磁感应强度B成正成正比，且当比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。的交变电势。7/12/20248初步的结论1、霍尔元件能干什么？-检测磁场、检测磁场方向？2、霍尔元件要工作的要素 1）有磁场 2）有电流 3）读电压7/12/20249霍尔高斯计（特斯拉计）的使用霍尔高斯计（特斯拉计）的使用霍尔元霍尔元件件磁铁磁铁7/12/202410霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置 采用霍尔式采用霍尔式无触点电子点火无触点电子点火装置能较好地克装置能较好地克服汽车合金触点服汽车合金触点点火时间不准确、点火时间不准确、触点易烧坏、高触点易烧坏、高速时动力不足等速时动力不足等缺点。缺点。汽车点火线圈汽车点火线圈高压输出高压输出接头接头12V低压电源低压电源输入接头输入接头7/12/202411霍尔转速表霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取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，将线性型霍尔器件及磁路系机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔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，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔而周期性地变化，霍尔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。直、放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁7/12/202412霍尔转速表的其他安装方法霍尔转速表的其他安装方法 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。引起霍尔电势的变化，产生转速信号。霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁7/12/202413ABCDR1R2R3R4(c)等效电路霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构7/12/202414霍耳输出端的端子霍耳输出端的端子2 2、2 2相应地称为相应地称为霍耳端霍耳端或输出端。或输出端。若霍耳端子间连接负载若霍耳端子间连接负载,称为霍耳称为霍耳负载电阻负载电阻或霍耳负载。或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为电流电极间的电阻，称为输入电阻输入电阻，或者控制内阻。，或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为霍耳端子间的电阻，称为输出电阻输出电阻或霍耳侧内部电阻。或霍耳侧内部电阻。器件电流器件电流(控制电流控制电流或输入电流或输入电流):):流入到器件内的电流。流入到器件内的电流。电流端子电流端子1 1、1 1相应地称为器件相应地称为器件电流端电流端、控制电流、控制电流端或输入电流端。端或输入电流端。7/12/202415霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数最大最大磁感应强度磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是多少？上图所示霍尔元件的线性范围是多少？线性区线性区7/12/202416霍尔元件的特性1.特性:开关型和线性型2.材料：主要为砷化镓（GaAs）3.特点：温度系数小，线性好7/12/202417霍尔元件的偏置电路1、没有外接电阻的电路-用于输入电阻Ri较大的电路，采用恒压驱动电路2、电源正端接电阻的电路-用于Ri较小的电路，采用恒流驱动3、电源负端接电阻的电路-用于Ri较小的电路，采用恒流驱动7/12/202418霍尔元件的主要外特性参数（续）霍尔元件的主要外特性参数（续）最大最大激励电流激励电流IM:由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在由于霍尔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。但激励电流应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的从而引起霍尔电势的温漂增大，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几毫安至十几毫安。以下哪一个激励电流的数值较为妥当？以下哪一个激励电流的数值较为妥当？5 5A 0.1mA 2mA 80mAA 0.1mA 2mA 80mA 7/12/202419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。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。V VH HR3VBI IEI IH H霍耳器件的基本电路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。7/12/202420第二节第二节 霍尔集成电路霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为霍尔集成电路可分为线性型线性型和和开关型开关型两大两大类。类。线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如如UGN3501等。等。线性型三端线性型三端 霍尔集成电路霍尔集成电路7/12/202421线性型霍尔特性线性型霍尔特性 右图示出了具有双右图示出了具有双端差动输出特性的线性端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁感受的磁场为正向（磁钢的钢的S S极对准霍尔器件极对准霍尔器件的正面）时，的正面）时，输出为输出为正；磁场反向时，输出正；磁场反向时，输出为负。为负。请画出线性范围请画出线性范围7/12/202422开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度出门）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，超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，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，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。较典型的开关门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如型霍尔器件如UGN3020等。等。7/12/202423开关型霍尔集成电路的外形及内部电路开关型霍尔集成电路的外形及内部电路OCOC门门 施密特施密特 触发电路触发电路 双端输入、双端输入、单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件元件VccVcc输出输出VoutR=2k+12V123应用电路应用电路7/12/202424开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路（OC门输出）的接线门输出）的接线请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来.7/12/202425?7/12/202426开关型霍尔集成电路的史密特输出特性开关型霍尔集成电路的史密特输出特性BH 回差回差越大，抗越大，抗振动干扰振动干扰能力就越能力就越强。强。当磁铁从远到近地接近霍尔当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多，到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？BRPBOP7/12/202427RLVACVccVccVAC霍耳开关集成传感器的应用霍耳开关集成传感器的应用 （1）霍耳开关集成传感器的接口电路7/12/202428VccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳开关集成传感器的一般接口电路霍耳开关集成传感器的一般接口电路VACRL7/12/2024291 1霍耳线性集成传感器的结构及工作原理霍耳线性集成传感器的结构及工作原理 霍霍耳耳线线性性集集成成传传感感器器的的输输出出电电压压与与外外加加磁磁场场成成线线性性比比例例关关系系。这这类类传传感感器器一一般般由由霍霍耳耳元元件件和和放放大大器器组组成成，当当外外加加磁磁场场时时,霍霍耳耳元元件件产产生生与与磁磁场场成成线线性性比比例例变变化化的的霍霍耳耳电电压压,经经放放大大器器放放大大后后输输出出。在在实实际际电电路路设设计计中中，为为了了提提高高传传感感器器的的性性能能，往往往往在在电电路路中中设设置置稳稳压压、电电流流放放大大输输出出级级、失失调调调调整整和和线线性性度度调调整整等等电电路路。霍霍耳耳开开关关集集成成传传感感器器的的输输出出有有低低电电平平或或高高电电平平两两种种状状态态，而而霍霍耳耳线线性性集集成成传传感感器器的的输输出出却却是是对对外外加加磁磁场场的的线线性性感感应应。因因此此霍霍耳耳线线性性集集成成传传感感器器广广泛泛用用于于位位置置、力力、重重量量、厚厚度度、速速度度、磁磁场场、电电流流等等的的测测量量或或控控制制。霍霍耳耳线线性性集集成成传传感感器器有有单单端端输输出出和和双双端端输输出出两两种种，其电路结构如下图。其电路结构如下图。霍耳线性集成传感器霍耳线性集成传感器7/12/202430单端输出传感器的电路结构框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大地H稳压稳压H3VCC地4输出出输出输出18675双端输出传感器的电路结构框图双端输出传感器的电路结构框图 单单端输出的传感器是端输出的传感器是一个三端器件，它的输出一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典放大到较高的电平。其典型产品是型产品是SL3501T。双端输出的传感器是一双端输出的传感器是一个个8脚双列直插封装的器件，脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调出，还可提供输出失调调零。其典型产品是零。其典型产品是SL3501M。7/12/202431 第三节第三节 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、三个变量的函数，即三个变量的函数，即EH=KHIBcos 。利用这个关系可以使其中两个量不变，。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可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。计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。7/12/202432 利用霍耳传感器制作的仪器利用霍耳传感器制作的仪器优点：优点：(1)体积小，结构简单、坚固耐用。体积小，结构简单、坚固耐用。(2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。(3)装置性能稳定，寿命长，可靠性高。装置性能稳定，寿命长，可靠性高。(4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。(5)霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍霍耳耳器器件件也也存存在在转转换换效效率率低低和和受受温温度度影影响响大大等等明明显显缺缺点点。但但是是，由由于于新新材材料料新新工工艺艺不不断断出出现现，这些缺点正逐步得到克服这些缺点正逐步得到克服。7/12/202433霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔元件霍尔元件测量铁心测量铁心气隙的气隙的B值值7/12/202434霍尔转速表霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取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，将线性型霍尔器件及磁路系机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔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，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔而周期性地变化，霍尔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。直、放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁7/12/202435霍尔特斯拉计霍尔特斯拉计霍尔元霍尔元件件7/12/202436霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。7/12/202437霍尔转速传感器在汽车防抱死装置霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用）中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转危险。用霍尔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。动状态有助于控制刹车力的大小。带有微带有微型磁铁型磁铁的霍尔的霍尔传感器传感器钢质钢质霍尔霍尔7/12/202438霍尔转速表的其他安装方法霍尔转速表的其他安装方法 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。引起霍尔电势的变化，产生转速信号。霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁7/12/202439霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置 采用霍尔式采用霍尔式无触点电子点火无触点电子点火装置能较好地克装置能较好地克服汽车合金触点服汽车合金触点点火时间不准确、点火时间不准确、触点易烧坏、高触点易烧坏、高速时动力不足等速时动力不足等缺点。缺点。汽车点火线圈汽车点火线圈高压输出高压输出接头接头12V低压电源低压电源输入接头输入接头7/12/202440霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理 采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足。点火时间准确、高速时动力足。桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图1-1-触发器叶片触发器叶片2-槽口槽口3-分电器转轴分电器转轴4-永久磁铁永久磁铁5-霍尔集成电路（霍尔集成电路（PNP型霍尔型霍尔IC）a a）带缺口的触发器叶片）带缺口的触发器叶片b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系电路之间的安装关系 c c）叶片位置与点火正时的关系）叶片位置与点火正时的关系 7/12/202441霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）续）当叶片遮挡在霍尔当叶片遮挡在霍尔ICIC面前时，面前时，PNPPNP型霍尔型霍尔ICIC的输出为低电的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。汽车电子点火电路及波形汽车电子点火电路及波形 1点火开关点火开关2达林顿晶体管功率开关达林顿晶体管功率开关3点火线圈低压侧点火线圈低压侧4点火线圈铁心点火线圈铁心5点火线圈高压侧点火线圈高压侧6分火头分火头7火花塞火花塞 a a）电路）电路b）霍尔）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形及点火线圈高压侧输出波形当叶片槽口当叶片槽口转到霍尔转到霍尔IC面前面前时，霍尔时，霍尔IC输出输出跳变为高电平，跳变为高电平，经反相变为低电经反相变为低电平，达林顿管截平，达林顿管截止，切断点火线止，切断点火线圈的低压侧电流。圈的低压侧电流。由于没有续流元由于没有续流元件，所以存储在件，所以存储在点火线圈铁心中点火线圈铁心中的磁场能量在高的磁场能量在高压侧感应出压侧感应出3050kV的高电压。的高电压。7/12/202442汽车电子点火装置使用的点火控制器、霍汽车电子点火装置使用的点火控制器、霍尔传感器及点火总成尔传感器及点火总成磁铁磁铁点火总成点火总成7/12/202443霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了换霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其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，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电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在问题，所以它在录像机、录像机、CD唱机唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。的应用。普通直流电动机使用普通直流电动机使用的电刷和换向器的电刷和换向器7/12/202444无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用电动自行车电动自行车可充电可充电电池组电池组无刷电动机无刷电动机7/12/202445无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用无刷直流电动无刷直流电动机的机的外转子采用高外转子采用高性能性能钕铁硼稀土永钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔磁材料；三个霍尔位置传感器产生六位置传感器产生六个状态编码信号，个状态编码信号，控制逆变桥各功率控制逆变桥各功率管通断，使三相内管通断，使三相内定子线圈与外转子定子线圈与外转子之间产生连续转矩，之间产生连续转矩，具有效率高、无火具有效率高、无火花、可靠性强等特花、可靠性强等特点。点。7/12/202446电动自行车的电动自行车的无刷电动机及控制电路无刷电动机及控制电路 去速度去速度控制器控制器利用利用PWM调速调速7/12/202447光驱用的无刷电动机内部结构光驱用的无刷电动机内部结构7/12/202448霍尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。钕铁硼磁铁。7/12/202449霍尔式接近开关霍尔式接近开关 用霍尔用霍尔ICIC也能完成接近开关的功能，但是它只能也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。合磁场。在右图中，当磁在右图中，当磁铁随运动部件移动到距铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔接近开关几毫米时，霍尔霍尔ICIC的输出由高电平的输出由高电平变为低电平，经驱动电变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔（否则将撞坏霍尔ICIC）起到限位的作用。起到限位的作用。7/12/202450霍尔式接近开关用于转霍尔式接近开关用于转速测量演示速测量演示n=6060f4(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T7/12/202451霍尔电流传感器霍尔电流传感器 将被测电流将被测电流的导线穿过霍尔电的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。流传感器的检测孔。当有电流通过导线当有电流通过导线时，在导线周围将时，在导线周围将产生磁场，磁力线产生磁场，磁力线集中在铁心内，并集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而过霍尔元件，从而产生与电流成正比产生与电流成正比的霍尔电压。的霍尔电压。7/12/202452霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示铁心铁心 线性霍尔线性霍尔IC EH=KHIB 所实现的多媒体界面：所实现的多媒体界面：7/12/202453其他霍尔其他霍尔电电流传感器流传感器7/12/202454其他霍尔电流传其他霍尔电流传感器（续）感器（续）7/12/202455霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口7/12/202456霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示直流直流200A量程量程被测电流的被测电流的导线未放入导线未放入铁心时示值铁心时示值为零为零70.9A70.9A7/12/202457钳形表的环形铁钳形表的环形铁心可以张开，心可以张开，导线由此穿过导线由此穿过霍尔钳形霍尔钳形电电流表演示流表演示霍尔钳形霍尔钳形电流表演示电流表演示霍尔钳形霍尔钳形电流表演示电流表演示70.9A70.9A7/12/202458霍尔式微位移传感器霍尔式微位移传感器 霍霍尔尔元元件件具具有有结结构构简简单单、体体积积小小、动动态态特特性性好好和和寿寿命命长长的的优优点点,它它不不仅仅用用于于磁磁感感应应强强度度,有有功功功功率率及及电电能能参参数数的测量的测量,也在位移测量中得到广泛应用。也在位移测量中得到广泛应用。下下图图给给出出了了一一些些霍霍尔尔式式位位移移传传感感器器的的工工作作原原理理图图。图图（a a）是是磁磁场场强强度度相相同同的的两两块块永永久久磁磁铁铁,同同极极性性相相对对地地放放置置,霍霍尔尔元元件件处处在在两两块块磁磁铁铁的的中中间间。由由于于磁磁铁铁中中间间的的磁磁感感应应强强度度B=0,B=0,因因此此霍霍尔尔元元件件输输出出的的霍霍尔尔电电势势U UH H也也等等于于零零,此此时时位位移移x=0 x=0。若若霍霍尔尔元元件件在在两两磁磁铁铁中中产产生生相相对对位位移移,霍霍尔尔元元件件感感受受到到的的磁磁感感应应强强度度也也随随之之改改变变,这这时时UHUH不不为为零零,其其量量值值大大小小反反映映出出霍霍尔尔元元件件与与磁磁铁铁之之间间相相对对位位置置的的变变化化量量,这这种种结结构构的的传传感感器器,其其动动态态范范围围可可达达5mm,5mm,分分辨辨率率为为 0.001mm0.001mm。7/12/2024597/12/202460霍尔计数装置霍尔计数装置霍霍尔尔开开关关传传感感器器SL3501是是具具有有较较高高灵灵敏敏度度的的集集成成霍霍尔尔元元件件,能能感感受受到到很很小小的的磁磁场场变变化化,因因而而可可对对黑黑色色金金属属零零件件进进行行计计数数检检测测。下下图图是是对对钢钢球球进进行行计计数数的的工工作作示示意意图图和和电电路路图图当当钢钢球球通通过过霍霍尔尔开开关关传传感感器器时时,传传感感器器可可输输出出峰峰值值20mV的的脉脉冲冲电电压压,该该电电压压经经运运算算放放大大器器A（A741）放放大大后后,驱驱动动半半导导体体三三极极管管VT（2N5812）工工作作,VT输输出出端端便便可可接接计计数数器器进行计数进行计数,并由显示器显示检测数值。并由显示器显示检测数值。7/12/2024617/12/202462 二、磁敏二极管和磁敏三极管二、磁敏二极管和磁敏三极管 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、电路简单等特点，因而正日益得到重视；并在检测、控制等方面得到普遍应用。7/12/202463（一）磁敏二极管的工作原理和主要特性（一）磁敏二极管的工作原理和主要特性 1 1磁敏二极管的结构与工作原理磁敏二极管的结构与工作原理 （1）磁敏二极管的结构）磁敏二极管的结构有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。与普通二极有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。与普通二极管区别：普通二极管管区别：普通二极管PN结的基区很短，以避免载流子在结的基区很短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二级管的基区里复合，磁敏二级管的PN结却有很长的基区，大于结却有很长的基区，大于载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。一般锗磁敏二级管用材料构成的。一般锗磁敏二级管用=40 cmcm左右的左右的P P型型或或N N型单晶做型单晶做基区基区(锗本征半导体的锗本征半导体的=50 cmcm)，在它的，在它的两端有两端有P P型型和和N N型型锗，并引出，若锗，并引出，若代表长基区，则其代表长基区，则其PN结实际上是由结实际上是由P P结和结和N结共同组成。结共同组成。以以2ACM1A为例，磁敏二级管的结构是为例，磁敏二级管的结构是P+iN+型。型。7/12/202464+（b）磁敏二极管的结构和电路符号(a)结构;(b)电路符号H+H-N+区p+区i区r区电流（a）在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P P型和型和N N型两个区域，并在本征区（型两个区域，并在本征区（i i）区的一个侧面上，设置）区的一个侧面上，设置高复合区高复合区(r(r区区)，而与，而与r r区相对的另一侧面，保持为光滑区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。图。7/12/202465流过二极管的电流也在流过二极管的电流也在变化，也就是说二极管变化，也就是说二极管等效电阻随着磁场的不等效电阻随着磁场的不同而不同。同而不同。为什么磁敏二极管会为什么磁敏二极管会有这种特性呢有这种特性呢?下面作一下面作一下分析。下分析。（2）磁敏二极管的工作原理 当磁敏二极管的当磁敏二极管的P区接电源正极，区接电源正极，N区接电源负极区接电源负极即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，磁场的变化，PNPNPNH=0H+H-电流电流电流电流电流电流（a）（b）（c）磁敏二极管的工作原理示意图i ii ii i电子电子孔穴孔穴复合区复合区7/12/202466结结论论：随随着着磁磁场场大大小小和和方方向向的的变变化化，可可产产生生正正负负输输出出电电压压的的变变化化、特特别别是是在在较较弱弱的的磁磁场场作作用用下下，可可获获得得较较大大输输出出电电压压。若若r区区和和r区区之之外外的的复复合合能能力力之之差差越越大大，那那么么磁磁敏敏二二极极管管的灵敏度就越高。的灵敏度就越高。磁敏二极管反向偏置时，则在磁敏二极管反向偏置时，则在r区仅流区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因过很微小的电流，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而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。任何改变。7/12/202467磁磁电电特特性性在在给给定定条条件件下下，磁磁敏敏二二极极管管的的输输出出电电压压变变化化量量与与外外加加磁磁场场间间的的变变化化关关系系，叫叫做做磁磁敏敏二二极极管管的的磁磁电特性。电特性。图图磁敏二极管的磁电特性曲线磁敏二极管的磁电特性曲线（a）单个使用时（）单个使用时（b）互补使用时）互补使用时图给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线图给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线。B/0.1T1.0 2.0 3.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.03kREE=12V（18V）Td=20（a）（b）U/VU/V7/12/202468磁灵敏度磁灵敏度 磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法：磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法：（a a）在恒流条件下，偏压随磁场而变化的电压相对在恒流条件下，偏压随磁场而变化的电压相对磁灵敏度（磁灵敏度（huhu），即：），即：u u 0 0磁场强度为零时，二极管两端的电压；磁场强度为零时，二极管两端的电压；u uB B磁场强度为磁场强度为B B时，二极管两端的电压。时，二极管两端的电压。(b)(b)在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对磁在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对磁灵敏度（灵敏度（h hi i），即：），即：7/12/202469(c)在给定电压源在给定电压源E和负载电阻和负载电阻R的条件下，电的条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义如下：压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义如下：应特别注意，如果使用磁敏二极管时的情况应特别注意，如果使用磁敏二极管时的情况和元件出厂的测试条件不一致时，应重新测试其和元件出厂的测试条件不一致时，应重新测试其灵敏度。灵敏度。7/12/202470（二）磁敏三极管的工作原理和主要特性（二）磁敏三极管的工作原理和主要特性 1 1磁敏三极管的结构与原理磁敏三极管的结构与原理（1）磁磁敏敏三三极极管管的的结结构构NPN型型磁磁敏敏三三极极管管是是在在弱弱P型型近近本本征征半半导导体体上上，用用合合金金法法或或扩扩散散法法形形成成三三个个结结即发射结、基极结、集电结所即发射结、基极结、集电结所形成的半导体元形成的半导体元图图NPN型磁敏三极管的结构和符号型磁敏三极管的结构和符号a)结构结构b)符号符号rN+N+ceH-H+P+bceba）b）件件,如图。在长基区如图。在长基区的侧面制成一个复的侧面制成一个复合速率很高的高复合速率很高的高复合区合区r。长基区分为。长基区分为输运基区和复合基输运基区和复合基区两部。区两部。i7/12/202471（2 2）磁敏三极管的工作原理）磁敏三极管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）图图磁敏三极管工作原理示意图磁敏三极管工作原理示意图(a)H=0;(b)H=H+;(c)H=H-1-运输基区；运输基区；2-复合基区复合基区127/12/202472当当不不受受磁磁场场作作用用如如图图(a)时时，由由于于磁磁敏敏三三极极管管的的基基区区宽宽度度大大于于载载流流子子有有效效扩扩散散长长度度，因因而而注注入入的的载载流流子子除除少少部部分分输输入入到到集集电电极极c外外，大大部部分分通通过过eib而而形形成成基基极极电电流流。显显而而易易见见，基基极极电电流流大大于集电极电流。所以，电流放大系数于集电极电流。所以，电流放大系数=IcIb1。当当受受到到H磁磁场场作作用用如如图图（b）时时，由由于于洛洛仑仑兹兹力力作作用用，载载流流子子向向发发射射结结一一侧侧偏偏转转，从从而而使使集集电极电流明显下降。电极电流明显下降。当受当受磁场使用如图磁场使用如图(c)时，载流子在洛仑时，载流子在洛仑兹力作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流兹力作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流增大。增大。7/12/202473磁磁电电特特性性磁磁电电特特性性是是磁磁敏敏三三极极管管最最重重要要的的工工作作特特性性。3BCM（NPN型型）锗锗磁磁敏敏三三极极管管的的磁磁电电特特性曲线如图。性曲线如图。B/0.1TIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-3图 3BCM磁敏三极管电磁特性由图可见，在弱磁场作用时，曲线近似于一条直线。2 2磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性 7/12/202474（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且能由于磁敏管有效高的磁灵敏度，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。的应用前景。利用磁敏管可以作成磁场探测仪器利用磁敏管可以作成磁场探测仪器如高斯计、漏磁测量如高斯计、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。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。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。此外此外,利用磁敏管还可制成转速传感器利用磁敏管还可制成转速传感器(能测高达每分钟数万能测高达每分钟数万转的转速转的转速),),无触点电位器和漏磁探伤仪等。无触点电位器和漏磁探伤仪等。7/12/202475（四）、常用磁敏管的型号和参数（四）、常用磁敏管的型号和参数3BCM型锗磁敏三极管参数表型锗磁敏三极管参数表参参数数单单位位测试测试条件条件规范规范ABCDE磁灵敏度磁灵敏度%Ec=6V,RL=100,Ib=2mA,B=0.1T5101015 1520 202525击穿电压击穿电压BUccoVIc=1.5mA2020252525漏电流漏电流Icc0Vcs=6A200200200200200最大基极电流最大基极电流mAEc=6VRL=5k4功耗功耗PcmmW45使用温度使用温度-4065最高温度最高温度75mA7/12/202476三、磁敏电阻三、磁敏电阻是是一一种种电电阻阻随随磁磁场场变变化化而而变变化化的的磁磁敏敏元元件件，也称也称MR元件。它的理论基础为磁阻效应元件。它的理论基础为磁阻效应。（一）（一）磁阻效应磁阻效应若若给给通通以以电电流流的的金金属属或或半半导导体体材材料料的的薄薄片片加加以以与与电电流流垂垂直直或或平平行行的的外外磁磁场场，则则其其电电阻阻值值就就增增加加。称称此此种种现现象象为为磁磁致致电电阻阻变变化化效效应应，简简称为磁阻效应。称为磁阻效应。7/12/202477在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子属或半导体材料的两种载流子(电子和空穴电子和空穴)的的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化流子引起电阻率变化,它可表示为：它可表示为：为磁感应强度；为磁感应强度；材料在磁感应强度为时的电阻率；材料在磁感应强度为时的电阻率；0材料在磁感应强度为材料在磁感应强度为0时的电阻率；时的电阻率；载流子的迁移率。载流子的迁移率。7/12/202478当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则）中，则磁阻效应很强。磁阻效应很强。磁磁阻阻效效应应还还与与样样品品的的形形状状、尺尺寸寸密密切切相相关关。这这种种与与样样品品形形状状、尺尺寸寸有有关关的的磁磁阻阻效效应应称为磁阻效应的几何磁阻效应。称为磁阻效应的几何磁阻效应。长长方方形形磁磁阻阻器器件件只只有有在在L(长长度度)W（宽宽度度）的的条条件件下下，才才表表现现出出较较高高的的灵灵敏敏度度。把把LW长长方方形形磁磁阻阻材材料料上上面面制制作作许许多多平平行行等等间间距距的的金金属属条条（即即短短路路栅栅格格），以以短短路路霍霍耳耳电电势势，这这种种栅栅格格磁磁阻阻器器件件如如图图（b）所所示示，就就相相当当于于许许多多扁扁条条状状磁磁阻阻串串联联。所所以以栅栅格格磁磁阻阻器器件件既既增增加加了了零零磁磁场场电电阻值、又提高了磁阻值、又提高了磁LWBB图 几何磁阻效应II（a（b阻器件的灵敏度。阻器件的灵敏度。常用的磁阻元件有常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部有制磁阻元件。其内部有制作成半桥或全桥等多种作成半桥或全桥等多种形式。形式。7/12/2024801灵敏度特性灵敏度特性磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场场强度下的电阻变化率来表示，即磁场电阻特性的斜率。常用电阻特性的斜率。常用K表示，单位为表示，单位为mV/mA.kG即即.Kg。在运算时常用。在运算时常用RB/R0求求得，得，R0表示无磁场情况下，磁阻元件的电表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，阻值，RB为在施加为在施加0.3T磁感应强度时磁阻磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于般磁阻元件的灵敏度大于2.7。（二）（二）磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性7/12/2024812 磁场电阻特性 磁阻元件磁场电阻特性N级0.30.20.100.10.2 0.3R/1000500S级(a)S、N级之间电阻特性B/T15RBR0105温度温度(25)弱磁场下呈平方特性变化弱磁场下呈平方特性变化强场下呈直线特性变化强场下呈直线特性变化0(b)电阻变化率特性0.2 0.40.6 0.81.0 1.21.4B/T磁阻元件的电阻值与磁场的极性无磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加关，它只随磁场强度的增加而增加在在0.1T0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过方特性，而超过0.1T0.1T后呈现线性变化后呈现线性变化7/12/202482图 强磁磁阻元件电阻-磁场特性曲线输输出出电电压压V磁饱和点磁饱和点B=Bs0(b)磁场磁场输出特性输出特性H7/12/202483 上页图显示的是强磁磁阻元件的磁场电阻特性曲线。从图中可以看出它与图前面（a）曲线相反，即随着磁场的增加，电阻值减少。并且在磁通密度达数十到数百高斯即饱和。一般电阻变化为百分之几。7/12/202484（三）磁敏电阻的应用（三）磁敏电阻的应用 磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度/角位移传感器、磁场传感器等。可用于开关电源、UPS、变频器、伺服马达驱动器、家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。7/12/202485 Thank you拯畏怖汾关炉烹霉躲渠早膘岸缅兰辆坐蔬光膊列板哮瞥疹傻俘源拯割宜跟三叉神经痛-治疗三叉神经痛-治疗 拯畏怖汾关炉烹霉躲渠早膘岸缅兰辆坐蔬光膊列板哮瞥疹傻俘源拯割宜跟三叉神经痛-治疗三叉神经痛-治疗