《磁电式传感器应用》PPT课件.ppt

传感器原理及应用,主讲人：康朝海,主要内容： 4.1 磁电感应式传感器 4.2 霍尔式传感器 4.3 磁敏传感器,传感器基础,第4章 磁电式传感器,概述,磁电式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。是典型的有源传感器。 特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低。通常在10100HZ适合作机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。,概述,霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。 随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，广泛用于自动控制、信息传递、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。,霍尔传感器测转速,磁电传感器,概述,4.1 磁电感应式传感器（电动式）,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。,4.1.1 工作原理,4.1.1 工作原理,根据以上原理有两种磁电感应式传感器： 恒磁通式：磁路系统恒定磁场运动部件 可以是线圈也可以是磁铁。 变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 转动物体引起磁阻、磁通变化。,恒磁通式,4.1.2 基本特性,电压灵敏度：,由 可得； 传感器灵敏度： (常数),电流灵敏度:,4.1.3 磁电感应式传感器的应用,电磁式传感器通常用来做机械振动测量。 振动传感器结构大体分两种： 动钢型（线圈与壳体固定） 动圈型（永久磁铁与壳固定） 磁铁与线圈之间相对运动运动速度接近振动速度， 磁路空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 。,4.1.3 磁电感应式传感器的应用,4.1.3 磁电感应式传感器的应用,磁电式振动传感器的特性： 磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要 静止的基准参考，可直接装在被测体上。 传感器是发电型传感器，工作时可不加电压， 直接将机械能转化为电能输出。 速度传感器的输出电压正比于速度信号 ， 便于直接放大。 输出阻抗低，对后置电路要求低，干扰小。,4.1.3 磁电感应式传感器的应用,4.1.3 磁电感应式传感器的应用,4.1.3 磁电感应式传感器的应用,信号输出送测量电路 接入积分电路测量位移； 接入微分电路测量加速度。,4.1.3 磁电感应式传感器的应用,积分电路输出,微分电路输出,4.2 霍尔式传感器,实际应用中磁敏元件主要用于检测磁场，而与人们相关的磁场范围很宽，一般的磁敏传感器检测的最低磁场只能到 高斯。,磁场强度与磁场源的分布,4.2 霍尔式传感器,测磁的方法： 利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如： 磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器； 利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件； 利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器； 利用超导效应传感器，SQVID约瑟夫元件； 利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。 随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化， 微型化和集成化方向发展。,4.2.1 霍尔效应,霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流I，在薄片垂直方向施加磁感强度B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势 。,通电的导体（半导体） 放在磁场中，电流I与磁 场B方向垂直，在导体另 外两侧会产生感应电动 势，这种现象称霍尔效 应。,4.2.1 霍尔效应,在磁场中导体自由电子在磁场的作用下做定向运动。 每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：,霍尔电场,霍尔电场作用于电子的力,4.2.1 霍尔效应,当两作用力相等时电荷不再向两边积累， 达到动态平衡：,通过（半）导体薄片的电流I与载流子浓度n， 电子运动速度v，薄片横截面积 b*d 有关：,霍尔电势：,4.2.1 霍尔效应,代入后： 霍尔常数 与材料有关 霍尔灵敏度 与薄片尺寸有关,4.2.1 霍尔效应,讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不 是都可以制造霍尔元件。 绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用； 金属材料电子浓度很高，RH很小，UH很小。 半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以 霍尔元件多采用N型半导体（多电子）。 由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度 KH 越大， 所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米。,4.2.2 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。,4.2.3 霍尔传感器的误差及补偿 (1)不等位电势,当霍尔元件通以激励电流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。产生的原因：,霍尔引出电极安装不对称,半导体材料不均匀,不等位电势的补偿,4.2.3 霍尔传感器的误差及补偿 (1)不等位电势,4.2.3 霍尔传感器的误差及补偿 (2)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，载流子浓度n、迁移率、电阻率，霍尔系数RH 都会变化。以下是几种补偿方法： 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， 当T增大时Ri增大UH 增大 IH 减小Ip增大UH 下降， Rp 自动加强分流，使Ip 增大 IH 下降UH下降,补偿电阻 Rp可选择负温度系数.,4.2.3 霍尔传感器的误差及补偿 (2)温度误差及补偿,4.2.4 霍尔传感器的应用,霍尔元件符号,4.2.4 霍尔传感器的应用,(1)位移测量 (2)测转速 (3)计数装置(导磁产品),检缺口、检齿,磁 场 测 量,转 速 测 量,4.2.4 霍尔传感器的应用,霍尔传感器位移测量原理,4.2.4 霍尔传感器的应用,霍尔压力传感器结构原理,4.2.4 霍尔传感器的应用,霍 尔 元 件 和 磁 体 运 动 方 式,4.2.4 霍尔传感器的应用,4.2.5 霍尔集成传感器,1 集成霍尔元件,4.2.5 霍尔集成传感器,线性集成电路(测位移、测振动),4.2.5 霍尔集成传感器,开关集成器件(测转速、开关控制、判断N S极性) B、B形成切换回差,这是位置式作用传感器的特点, 作无触点开关时可防止干扰引起的误动作 。,形成切换回差,4.2.5 霍尔集成传感器,霍尔开关元件性能演示动画,4.2.5 霍尔集成传感器,2 应用 ：无触点开关,4.2.5 霍尔集成传感器,2 应用 ：天然气点火电路,4.2.5 霍尔集成传感器,2 应用 ：接口电路,4.3 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。,4.3.1 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。 外加磁场使导体(半导体)电阻随磁场增加而增大 的现象称磁阻效应。,磁阻效应表达式：,4.3.1 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,4.3.1 磁敏电阻器,长方形样品：霍尔电场作用FH,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。,4.3.1 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,4.3.1 磁敏电阻器,无偏置磁场时,检测磁场不能判别磁性； 外加偏置磁场时，相当在检测磁场外加了偏置磁场，工作点移到线性区，磁极性也作为电阻值变化表现出来。,4.3.1 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,4.3.2 磁敏晶体管 （1）磁敏二极管（锗管2ACM,硅管2DCM）,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。,4.3.1