传感器与检测技术的理论基础PPT电子课件教案-第7章 磁电式传感器.ppt

7.1磁电感应式传感器7.2霍尔式传感器,主要内容,磁电式传感器是通过磁电作用将被测量（如：振动、位移、转速）转换成电信号的一种传感器。常用的有磁电感应式传感器、霍尔式传感器。磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势；霍尔式传感器是载流半导体在磁场中有电磁效应而输出电动势。是典型的有源传感器。,概述,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。,概述,71磁电感应式传感器（电动式）7.1.1工作原理,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。,电压灵敏度：,由可得；传感器灵敏度：(常数),电流灵敏度:,71磁电感应式传感器（电动式）7.1.1工作原理,根据以上原理有两种磁电感应式传感器：开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。恒定磁通式：磁场运动部件可以是线圈也可以是磁铁。,71磁电感应式传感器（电动式）7.1.1工作原理,71磁电感应式传感器（电动式）7.1.1工作原理,71磁电感应式传感器（电动式）7.1.2基本特性,1、非线性误差,2、温度误差,对铜线而言每摄氏度变化量为dL/L0.16710-4,dR/R0.4310-2,dB/B每摄氏度的变化量取决于永久磁铁的磁性材料。,71磁电感应式传感器（电动式）7.1.3测量电路,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。,放大电路基本上是由前置放大电路、中间级放大电路和功率放大电路组成,1)、积分电路,无源积分电路,有源积分电路,补充,积分电路输出,2）微分电路,无源微分,补充,有源微分,微分电路输出,71磁电感应式传感器（电动式）7.1.3测量电路,磁电式振动传感器的特性：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。磁电感应式传感器的频响范围一般在几十赫兹至几百赫兹，低的可至10赫兹，高的可达2000HZ.,1.动圈式振动速度传感器,7.1.4磁电感应式传感器的应用,2.磁电式扭矩传感器,7.1.4磁电感应式传感器的应用,7.2霍尔式传感器,磁敏传感器是对磁场参量(B,等)敏感的元器件或装置,具有把磁学物理量转换为电信号的功能，基于磁电转换原理的传感器。主要有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器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。,7.2霍尔式传感器7.2.1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。,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,7.2霍尔式传感器7.2.1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：,7.2霍尔式传感器7.2.1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,讨论：霍尔电势与哪些因素有关？,单位电场强度下载流子的平均速度,7.2霍尔式传感器7.2.1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。,7.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应,7.2霍尔式传感器7.2.2霍尔传感器基本结构,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。,1）额定激励电流和最大允许激励电流当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为额定激励电流。以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。2）输入电阻和输出电阻激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源,其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在205时确定的。,7.2霍尔式传感器7.2.3霍尔传感器基本特性位电势,3）不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的激励电流为I时,若元件所处位置磁感应强度为零,则它的霍尔电势应该为零,但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。不等位电势也可用不等位电阻表示,4）寄生直流电势在外加磁场为零,霍尔元件用交流激励时,霍尔电极输出除了交流不等位电势外,还有一直流电势,称寄生直流电势。,7.2霍尔式传感器7.2.3霍尔传感器基本特性位电势,5）霍尔电势温度系数在一定磁感应强度和激励电流下,温度每变化1时,霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。,7.2霍尔式传感器7.2.3霍尔传感器基本特性位电势,7.2霍尔式传感器7.2.3不等位电势补偿不等电势,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,7.2霍尔式传感器7.2.3不等位电势补偿不等电势,7.2霍尔式传感器7.2.3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：(举例)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.,目的保持KHIB为常值,7.2霍尔式传感器7.2.3霍尔传感器的误差及补偿(2)温度误差及补偿,在的温度补偿电路中,设初始温度为T0,霍尔元件输入电阻为Ri0,灵敏系数为KH1,分流电阻为Rp0,根据分流概念得IH0=当温度升至T时,电路中各参数变为Ri=Ri0（1+T）Rp=Rp0（1+T）式中:霍尔元件输入电阻温度系数;分流电阻温度系数。,7.2.3霍尔传感器的误差及补偿,则,虽然温度升高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=UHKH0IH0B=KHIHB则KH0IH0=KHIH,7.2.3霍尔传感器的误差及补偿,经整理并略去、(T)2高次项后得Rp0=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。即可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值。为了满足R0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。,7.2.3霍尔传感器的误差及补偿,7.2霍尔式传感器7.2.4霍尔传感器的应用,霍尔传感器位移测量原理,2.霍尔式转速传感器,7.2霍尔式传感器7.2.4霍尔传感器的应用,3.霍尔计数装置,7.2霍尔式传感器7.2.4霍尔传感器的应用,7.2霍尔式传感器7.2.5霍尔集成传感器,1集成霍尔元件,开关集成器件(测转速、开关控制、判断NS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,7.2霍尔式传感器7.2.5霍尔集成传感器,霍尔开关元件性能演示动画,7.2霍尔式传感器7.2.5霍尔集成传感器,7.3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。,7.3磁敏传感器7.3.1磁敏电阻器,磁阻效应：载流导体置于磁场中,除