《磁敏传感器》课件.ppt

3磁敏传感器 本节主要包括两部分 磁敏二极管和磁敏三极管 磁阻元件 一 磁敏二极管的结构与工作原理 1 结构与原理电路符号 结构 中间为I区 高纯度锗 P区N区r区 高复合区 可复合空穴和电子 原理 设无外加磁场 很少空穴和电子复合 有稳定电流 外加正磁场 载流子都受到洛仑兹力运动偏向r区 电流减小 外加反向磁场 仍受洛仑兹力 在I区载流子数量增多 电流增大 结论 载流子的偏移与洛仑兹力有关 洛仑兹力与电场和磁场的乘积成正比 随着磁场大小方向的变化 可以产生输出正负电压的变化 若磁敏二极管反向偏置 仅有微弱电流 2 磁敏二极管的重要特性 伏安特性 a 给定磁场下 锗磁敏二极管两端正向偏压和通过它的电流关系曲线 b 开始电流变化平坦 而后伏安特性曲线上升快 动态电阻阻值小c 具负阻现象 硅管 磁电特性 温度特性 频率特性硅管响应t 1us频率1MHz锗管响应t 1us频率10KHz 磁灵敏度a 恒流条件下 电压相对磁灵敏度hu U0 磁感应强度为零时 磁敏二极管两端电压UB 磁感应强度为B时 磁敏二极管两端电压 b 恒压条件下 电流相对磁灵敏度hi I0 给定偏压下 磁场为零时通过磁敏二极管的电流IB 给定偏压下 磁场为B时通过磁敏二极管的电流 c 给定电压 电流和负载R 电压磁灵敏度和电流磁灵敏度 U0 I0 磁场为零时 磁敏二极管两端流过的电压和电流UB IB 磁场为B时 磁敏二极管两端流过的电压和电流 3 温度补偿及提高灵敏度的措施 互补式电路 温度特性曲线 差分式电路 全桥式电路 要求 灵敏度高用交流电源或脉冲电压源 二 磁敏三极管的工作原理和主要特性 1 结构和原理电路符号 结构 工作原理 a 无磁场 集电极电流小 基极电流大b 加正向磁场洛仑兹力 基极电流加大 集电极电流更小c 加反向磁场洛仑兹力 集电极电流加大 2 磁敏三极管主要特性 伏安特性 磁电特性 较弱磁场时 Ic与B是线形关系 温度特性3ACM3BCM磁灵敏度的温度系数为 3CCM磁灵敏度的温度系数为 0 6 温度系数 频率特性磁场交变 3BCM响应t2us截止频率500KHz3CCM响应t4us截止频率2 5MHz 静态集电极电流 温度系数CTI 磁灵敏度h 温度系数CTh 磁灵敏度 正向 反向 h 受正向磁场作用磁灵敏度IcB 受正向磁场作用集电极电流h 受反向磁场作用磁灵敏度IcB 受反向磁场作用集电极电流I 不受磁场作用 给定基流下的集电极电流 工作电压3V 几十V 3 温度补偿及提高灵敏度的措施 负温度系数管用正温度系数普通硅三极管 正温度系数管 3BCM 选择特性一致 磁性相反差分式补偿电路 三 磁敏管的应用 漏磁探伤仪的原理如图 a 钢棒被磁化局部表面时 若无缺陷 探头附近没有泄漏磁通 无信息输出b 缺陷处的泄漏磁通将作用于探头上 使其产生输出信号 探伤仪探头结构和原理框图如下 管道技术公司生产的高清晰度管道漏磁检测设备适于陆上与海底油 气管道的检测 与国际同类高清晰度漏磁检测器相比具有 结构简单 分辨率高 数据可靠 运行安全等特点 高清晰度管道漏磁检测设备 油管抽油杆检测仪 四 常用磁敏管参数的型号 参数 五 磁阻元件 一 磁阻效应 将一载流导体置于外磁场中 其电阻会随磁场而变化 这种现象称磁电阻效应 简称磁阻效应 B 磁感应强度 u 电子迁移率 零磁场下的电阻率 磁感应强度为B时的电阻率 二 形状效应 形状效应系数磁敏元件的长度b磁敏元件的宽度 这种由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻大小变化的现象 叫形状效应 磁阻元件是利用半导体的磁阻效应和形状效应研制而成 1 长方形磁阻元件 其长度L大于宽度b 在两端部制成电极 构成两端器件 在电场和磁场相互垂直得固体中电子的运动 2 科尔宾元件 在园盘形元件得外圆周边和中心处 装上电流电极 将具有这种结构的磁阻元件称为科尔宾元件 3 平面电极元件 为了加大磁阻效应就要使电阻变大 从原理上讲 如果把L b比值小的元件多个串连 就能解决问题 尽管这样的结构较好 但是制作困难 不能实用 以研磨或镀膜的办法制成InSb 锑化铟 薄膜 尽管真空镀膜阻值会增加 但是生产效率高 价格低廉 平面电极元件的结构 4 InSb NiSb共晶磁阻元件 在InSb的晶体中掺杂NiSb 在结晶过程中会析出沿着一定方向排列得细长的NiSb针状晶体 针状晶体导电性能良好 其直径为1 m 长度为100 m 相当于几何形状效应 它是几何形状长宽比L b 0 2的扁条状磁阻元件的串连元件 未掺杂的InSb NiSb磁阻元件叫D型 掺杂的InSb NiSb磁阻元件叫L N型掺杂磁阻元件灵敏度下降 但从温度关系曲线上将会发现 其温度特性得到了改善 三种元件的磁阻效应特性 5 曲折形磁阻元件 a 所示的单个曲折形结构 b 是用两个曲折元件组成一个差动式元件 其优点是可将磁阻元件阻值在无磁场情况做到数百欧甚至数千欧 6 磁阻元件的温度补偿 图中RM为磁阻元件 r1 r2为温度补偿元件 温度特性曲线 差动式元件温度补偿法 磁阻元件的应用 使用InSb作为感磁材料的半导体磁阻元件 半导体磁阻元件通常是利用平面电极等把许多小的InSb矩形体单元串连在一起构成的 采用这种结构的目的是为了提高灵敏度 一般用永久磁铁施加磁偏提高其灵敏度 一般选用五百至数千高斯的 加强磁阻元件感磁部分由NiCo强磁性金属构成 磁场方向应平行于电流方向 例子 1 磁敏电阻的基本应用电路单个磁敏电阻应用时的接法 两个磁敏电阻RM1和RM2串连连接的电路结构具有一定温度补偿的作用 2 用磁敏电阻监视交流电流 非接触的交流电流测量和监控只要将MS F06靠近被测电线就可得输出电压 MS F06的温度特性 MS F06到被测电线的距离和输出电压的关系 非接触电流监控电路 改变电流值时系统的特性 3 用磁敏电阻读磁卡 传感器扫描磁卡 电话卡 表面时的波形图 4 用磁敏电阻检测和识别图形 BS051HFAA为图形识别传感器运放TA75458作为放大器要求采用专用的放大器 一个图形识别的电路实例BS05C1HGAA 5 磁阻式位移传感器 优点 结构简单 体积小 精度高 可实现非接触式测量缺点 量程小 仅使用于5mm以下位移量的测量 磁阻元件的应用举例 1 主动式旋转传感器内置轮 使用磁阻元件 MRE 传感器 可检测低速旋转旋转传感器位于密封单元内 可遮挡垃圾 沙子 泥土等侵入 2 SRD10系列开关磁阻电机调速系统开关磁阻电机调速系统简称SRD是由基于计算机和电力电子技术的控制器和开关磁阻电动机两者组成的新型调速系统 其性能指标高于普通交流变频调速电动机系统及直流电动机调速系统 是一种新颖的 高性价比的 具有典型机电一体