磁敏式传感器课件

传感器与测试技术,机电学院,第,9,章 磁敏式传感器,第二篇 常用传感器的原理及应用,1.,掌握传感器工作原理及特性,2.,掌握测量误差及补偿（,霍尔元件,）,3.,了解传感器的应用,第,9,章 磁敏式传感器,第二篇 常用传感器的原理及应用1.掌握传感器工作原理及特性,半导体磁敏式传感器,霍尔元件,磁敏电阻,磁敏二极管,磁敏晶体管,半导体磁敏式传感器霍尔元件磁敏电阻磁敏二极管磁敏晶体管,9.1,霍尔传感器,1,、霍尔效应与霍尔元件,霍尔效应：,置于磁场中的通电半导体，在垂直于电场和磁场的方向产生电动势的现象称为,霍尔效应,。,9.1 霍尔传感器 1、霍尔效应与霍尔元件霍尔,霍尔效应的产生是运动电荷受磁场中洛仑磁力作用的结果,霍尔电场。,其中，,k,H,：,霍尔常数（灵敏度），取决于材质、温,度、元件尺寸（厚度）,：磁场与元件法线方向的夹角。,霍尔电势,（,U,H,）,为：,显然，改变,I,或,B,，,即可改变,U,H,。,U,H,=k,H,IBcos,霍尔效应的产生是运动电荷受磁场中洛仑磁力作用的结果,霍尔元件越薄,(d,越小,),，,k,H,就越大，薄膜霍尔元件厚度只有,1m,左右。,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。,420.1mm,3,激励电极,霍尔电极,霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚度只有1,霍耳输出端的端子,C,、,D,相应地称为,霍耳端,或输出端。,若霍耳端子间连接负载,称为霍耳,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。,器件电流,(,控制电流,或输入电流,):,流入到器件内的电流。,电流端子,A,、,B,相应地称为器件,电流端,、控制电流端或输入电流端。,H,A,A,A,B,B,B,C,C,C,D,D,D,2,、霍耳磁敏传感器的符号与基本电路,霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端或输出端。器件电流(控,控制电流,I,；,霍耳电势,U,H,；,控制电压,E,；,输出电阻,R,2,；,输入电阻,R,1,；,霍耳负载电阻,R,3,；,霍耳电流,I,H,。,图中控制电流,I,由电源,E,供给,R,W,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,R,3,R,3,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,H,R,3,V,B,I,E,I,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,。,R,3,R,W,控制电流I；图中控制电流I由电源E供给,RW为调节电阻,保证,霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，可将几个霍尔元件的输出串联或采用运算放大器放大，以获得较大的,U,H,。,霍尔元件的连接电路,霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，可将几个霍尔元件的输出串,2,、霍尔元件的材料及主要特性参数,霍尔元件多采用,N,型半导体材料,（高的电阻率和载流子的迁移率）。目前最常用的霍尔元件材料有锗,(Ge),、硅,(Si),、锑化铟,(InSb),、砷化铟,(InAs),等半导体材料。,主要特性参数：,额定激励电流,I,H,灵敏度,K,H,输入电阻,R,i,与输出电阻,R,0,2、霍尔元件的材料及主要特性参数霍尔元件多采用N型半导体材料,不等位电势,U,0,和不等位电阻,r,0,当磁感应强度,B,为零、激励电流为额定值,I,H,时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势（或零位电势）,U,0,。不等位电势,U,0,与额定激励电流,I,H,之比称为不等位电阻（零位电阻）,r,0,.,产生不等位电势的原因主要有,：霍尔电极安装位置不正确（不对称或不在同一等电位面上）；半导体材料的不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。,霍尔电势温度系数、内阻温度系数等,不等位电势U0和不等位电阻r0,3,、测量误差及其补偿,不等位电势误差及其补偿,霍尔元件有两对电极，各相邻电极之间的电阻若为,r,1,、,r,2,、,r,3,、,r,4,，霍尔元件可等效为一个,四臂电阻电桥。,（,a,）不等位电势 （,b,）霍尔元件等效电路,3、测量误差及其补偿不等位电势误差及其补偿霍尔元件有两对电极,能够使,电桥达到平衡的措施,均可以用于补偿不等位电势。由于霍尔元件的不等位电势同时也是温度的函数，所以同时要考虑温度补偿问题。,能够使电桥达到平衡的措施均可以用于补偿不等位电势。由于霍尔元,温度误差及其补偿,常用的补偿电路包括,：,恒流源激励并联分流电阻补偿电路,；恒压源激励输入回路串联电阻补偿电路；电桥补偿电路；以及采用正、负不同温度系数的电阻或合理选取负载电阻的阻值补偿电路等等。,温度误差及其补偿常用的补偿电路包括：恒流源激励并联分流电阻补,假设初始温度为,T,0,时有如下参数：霍尔元件的输入电阻为,R,i0,，选用的补偿电阻,R,P,0,，被分流掉的电流为,I,p0,，激励电流,I,c0,，霍尔元件的灵敏度,K,H,0,。,当温度升为,T,时，上述各参数相应为：,R,i,、,R,P,、,I,p,、,I,c,、,K,H,，且有关系,分别为输入电阻、分流电阻及灵敏度的温度系数,由电路,假设初始温度为T0时有如下参数：霍尔元件的输入电阻为Ri0，,于是,对于确定的霍尔元件，其参数是确定值，可由上式求得分流电阻,R,P,0,及要求的温度系数，为此，此,分流电阻可取温度系数不同的两种电阻进行串并联。,当温度变化,T,时，为使霍尔电势不变则必须有如下关系：,于是 对于确定的霍尔元件，其参数是确,4,、霍尔集成传感器,将霍尔元件与放大、整形等电路集成在同一芯片上，具有体积小、灵敏度高、价格便宜、性能稳定等优点。,差动输出线性霍尔集成传感器,4、霍尔集成传感器 将霍尔元件与放大、整形等电路集,霍耳线性集成传感器的主要技术特性,磁感应强度,B,/T,5.6,4.6,3.6,2.6,1.6,-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3,输出电压,U,/V,SL3501T,传感器的输出特性曲线,霍耳线性集成传感器的主要技术特性磁感应强度B/T5.64.6,由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。,稳压电路,可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；,开路输出,可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。,霍耳开关集成传感器内部结构框图,2,3,输出,+,稳压,V,CC,1,霍耳元件,放大,BT,整形,地,H,霍耳开关集成传感器,由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。,开关型霍尔集成传感器,开关型霍尔集成传感器,5,、霍尔传感器的应用,霍尔位移传感器,输出电势为,U,H1,U,H2,。,在初始位置时,U,H1,=,V,H2,，则输出为零；,当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。,结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽、动态范围大,(,输出电势变化范围可达,1000:1),、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。,5、霍尔传感器的应用霍尔位移传感器输出电势为UH1UH2。,霍尔转速测量传感器,霍尔转速测量传感器,电机通断控制电路,电机通断控制电路,霍尔加速度传感器,霍尔振动传感器,霍尔加速度传感器霍尔振动传感器,霍尔流量计,霍尔流量计,无损探伤,无损探伤,9.2,磁敏电阻,1,、磁阻效应,当一载流半导体置于磁场中，其电阻值会随磁场而变化的这种现象称为,磁阻效应,。,在磁场作用下，半导体片内电流分布是不均匀的，改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，故表现为半导体片的电阻变化。,9.2 磁敏电阻 1、磁阻效应 当一载流半导体置于,与霍尔效应的区别,：即霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。,磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。,与霍尔效应的区别：即霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而,2,、磁敏电阻的结构与特性,磁敏电阻常选用,InSb,、,InAs,和,NiSb,等半导体材料，在绝缘基片上蒸镀薄的半导体材料，也可在半导体薄片上光刻或腐蚀成型（,栅状结构,）。,2、磁敏电阻的结构与特性 磁敏电阻常选用InSb、InA,主要特性,：,磁电特性：电阻的增量与磁场的平方成正比；与磁场的正负无关；,温度特性：温度系数影响大；,频率特性：工作频率范围大；磁感应的范围比霍尔元件大。,主要特性：,3,、磁敏电阻的应用,磁头；接近开关和无触点开关；也可用于位移、力、加速度等参数的测量。,R1,、,R2,磁敏电阻位移传感器,3、磁敏电阻的应用 磁头；接近开关和无触点开关；也可用于,9.3,磁敏二极管和磁敏三极管,磁敏二极管和磁敏三极管是一种,PN,结型,的新型磁电转换器件，它具有输出信号大、灵敏度高（约为霍尔元件的数百至数千倍）、工作电流小、体积小等特点，在磁场、转速、探伤等检测与控制中应用广泛。,1,、磁敏二极管,9.3 磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管和磁敏三极管,工作原理,磁场强度的改变引起电流发生变化，实现磁电转换。,工作原理磁场强度的改变引起电流发生变化，实现磁电转换。,主要特性,伏安特性：,不同磁场作用下所加正向偏压与二极管流过电流的关系。,磁电特性：输出电压的变比与外加磁场的关系。,温度特性：温度系数的影响。,频率特性：与材料、尺寸有关。,主要特性伏安特性：不同磁场作用下所加正向偏压与二极管流过电流,2,、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。,当受到正向磁场,(H+),作用时，载流子向发射极一侧偏转，使集电极电流减小。当受到负向磁场,(H-),作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。,2、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。,主要特性（普通三极管）,伏安特性：,不同磁场作用下所加正向偏压与二极管流过电流的关系。,磁电特性：输出电压的变比与外加磁场的关系。,温度特性：温度系数的影响大,温度补偿。,主要特性（普通三极管）伏安特性：不同磁场作用下所加正向偏压与,3,、磁敏二极管和磁敏三极管的应用,测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量，也可用于磁力探伤、接近开关、位置控制等。,漏磁探伤仪,3、磁敏二极管和磁敏三极管的应用 测量弱磁场、电流、转,本章小结：,1.,工作原理及特性,2.,测量电路（,霍尔元件,）,3.,传感器的应用,本章小结：1.工作原理及特性,作业：,无,作业：无,