磁敏式传感器

第6章磁敏式传感器 6 1磁电感应式传感器 1 6 2霍尔式传感器 6 3磁敏电阻器 3 6 4磁敏式传感器的应用 4 2 磁敏式传感器是通过磁电作用将被测量 如振动 位移 转速等 转换成电信号的一种传感器 磁敏式传感器种类不同 其原理也不完全相同 因此各有各的特点和应用范围 概述 磁电感应式传感器也称为电动式传感器或感应式传感器 磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生电动式的 它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号 是有源传感器 由于它输出功率大且性能稳定 具有一定的工作带宽 10 1000Hz 所以得到普遍的应用 6 1磁电感应式传感器 6 1 1磁电感应式传感器工作原理 根据电磁感应定律 当w匝线圈在恒定磁场内运动时 设穿过线圈的磁通为 则线圈内的感应电势E与磁通变化率d dt有如下关系 根据这一原理 可以设计成两种磁电传感器结构 变磁通式和恒磁通式 图6 1是变磁通式磁电传感器 用来测量旋转物体的角速度 6 1磁电感应式传感器 6 1磁电感应式传感器 图6 1 a 为开磁路变磁通式 线圈 磁铁静止不动 测量齿轮安装在被测旋转体上 随之一起转动 每转动一个齿 齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次 磁通也就变化一次 线圈中产生感应电势 其变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积 这种传感器结构简单 但输出信号较小 且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速 6 1磁电感应式传感器 图6 1 b 为闭磁路变磁通式 它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮 永久磁铁和感应线圈组成 内外齿轮齿数相同 当转轴连接到被测转轴上时 外齿轮不动 内齿轮随被测轴而转动 内 外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化 从而引起磁路中磁通的变化 使线圈内产生周期性变化的感生电动势 显然 感应电势的频率与被测转速成正比 图6 2恒磁通式磁电传感器结构原理图 图6 2恒磁通式磁电传感器结构原理图 6 1 1磁电感应式传感器 磁路系统产生恒定的直流磁场 磁路中的工作气隙固定不变 因而气隙中磁通也是恒定不变的 当壳体随被测振动体一起振动时 由于弹簧较软 运动部件质量相对较大 当振动频率足够高 远大于传感器固有频率 时 运动部件惯性很大 来不及随振动体一起振动 近乎静止不动 6 1 1磁电感应式传感器 振动能量几乎全被弹簧吸收 永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度 磁铁与线圈的相对运动切割磁力线 从而产生感应电势为 式中 B0 工作气隙磁感应强度 L 每匝线圈平均长度 w 线圈在工作气隙磁场中的匝数 v 相对运动速度 6 1磁电感应式传感器 6 1 2磁电感应式传感器基本特性 当测量电路接入磁电传感器电路中 磁电传感器的输出电流I为 6 3 式中 Rf 测量电路输入电阻 R 线圈等效电阻 传感器的电流灵敏度为 6 1磁电感应式传感器 而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为 当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰 机械振动或冲击时 其灵敏度将发生变化而产生测量误差 相对误差为 磁电式传感器在使用时存在误差 主要为非线性误差和温度误差 6 1磁电感应式传感器 图6 3传感器电流的磁场效应 1 非线性误差 磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是 由于传感器线圈内有电流I流过时 将产生一定的交变磁通 I 此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上 使恒定的气隙磁通变化如图6 3所示 6 1磁电感应式传感器 为了补偿附加磁场的干扰 可在传感器中加入补偿线圈 补偿线圈中通以经过K倍的放大电流 适当选择补偿线圈参数 使其产生的交变磁通与传感器线圈本身产生的交变磁通相互抵销 2 温度误差当温度变化时 式 6 7 中右边三项都不为零 对铜线而言每摄氏度变化量为dL L 0 167 10 4 dR R 0 43 10 2 dB B每摄氏度的变化量取决于永久磁铁的磁性材料 对铝镍钴永久磁合金 dB B 0 02 10 2 这样由式 6 7 可得近似值 这一数值是很可观的 所以需要进行温度补偿 补偿通常采用热磁分流器 热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成 它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分 6 1磁电感应式传感器 磁电式传感器直接输出感应电动势 且传感器通常具有较高的灵敏度 不需要高增益放大器 但磁电式传感器是速度传感器 若要获取被测位移或加速度信号 则需要配用积分或微分电路 图6 4为一般测量电路方框图 图6 4磁电感应式传感器测量电路方框图 6 1磁电感应式传感器 6 1 3磁电感应式传感器测量电路 霍尔传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应 霍尔效应 而输出电动势的一种传感器 随着半导体技术的发展 开始用半导体材料制成霍尔元件 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展 霍尔传感器广泛用于电磁测量电流 磁场 压力 加速度 振动等方面的测量 6 2霍尔传感器 6 2 1霍尔效应及霍尔元件1 霍尔效应置于磁场中的静止载流导体 当它的电流方向与磁场方向不一致时 载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势 这种现象称霍尔效应 该电势称霍尔电势 半导体薄片称霍尔元件 图6 5所示 在垂直于外磁场B的方向上放置一个导电板 导电板通以电流I 方向如图所示 霍尔效应原理图 6 2霍尔传感器 导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动 此时 每个电子受洛仑磁力Fm的作用 Fm的大小为 式中 e 电子电荷 v 电子运动平均速度 B 磁场的磁感应强度 Fm的方向在图6 5中是向上的 此时电子除了沿电流反方向作定向运动外 还在Fm的作用下向上漂移 结果使金属导电板上底面积累电子 而下 6 2霍尔传感器 底面积累正电荷 从而形成了附加内电场EH 称霍尔电场 该电场强度为 当满足则 此时电荷不再向两底面积累 达到平衡状态 6 2霍尔传感器 若金属导电板单位体积内电子数为n 电子定向运动平均速度为v 则激励电流I nvbd e 则 6 14 将式 6 14 代入式 6 12 得 6 15 将上式代入式 6 10 得 6 16 6 2霍尔传感器 式中令RH 1 ne 称之为霍尔常数 其大小取决于导体载流子密度 则 式中 KH RH d称为霍尔片的灵敏度 由式 6 17 可见 霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度 其灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比 为了提高灵敏度 霍尔元件常制成薄片形状 6 2霍尔传感器 6 17 上述推导是针对N型半导体 对于P型半导体 则 式中 对霍尔片材料的要求 希望有较大的霍尔常数RH 霍尔元件激励极间电阻 同时 其中UI为加在霍尔元件两端的激励电压 EI为霍尔元件激励极间内电场 v为电子移动的平均速度 6 2霍尔传感器 则 解得 6 2霍尔传感器 从式 6 21 可知 霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率 的乘积 若要霍尔效应强 即霍尔电势大 则RH值大 因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率 此外 霍尔电势的大小还与霍尔元件的几何尺寸有关 一般要求霍尔元件灵敏度越大越好 霍尔元件的厚度d与KH成反比 因此 霍尔元件的厚度越小 其灵敏度越高 当霍尔元件的宽度b加大 或减小时 载流子在偏转过程中的损失将加大 使UH下降 通常要对式 6 17 加以形状效应修正 6 2霍尔传感器 式中 为形状效应系数 其修正值如表6 1所示 6 2霍尔传感器 表6 1形状效应系数 一般金属材料载流子迁移率很高 但电阻率很小 而绝缘材料电阻率极高 但载流子迁移率极低 故只有半导体材料适于制造霍尔片 目前常用的霍尔元件材料有 锗 硅 砷化铟 锑化铟等半导体材料 其中N型锗容易加工制造 其霍尔系数 温度性能和线性度都较好 N型硅的线性度最好 其霍尔系数 温度性能同N型锗相近 锑化铟对温度最敏感 尤其在低温范围内温度系数大 但在室温时其霍尔系数较大 砷化铟的霍尔系数较小 温度系数也较小 输出特性线性度好 书中表6 2为常用国产霍尔元件的技术参数 6 2霍尔传感器 霍尔元件的结构很简单 它由霍尔片 引线和壳体组成 如图6 6 a 所示 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片 引出四个引线 1 1 两根引线加激励电压或电流 称为激励电极 2 2 引线为霍尔输出引线 称为霍尔电极 霍尔元件壳体由非导磁金属 陶瓷或环氧树脂封装而成 在电路中霍尔元件可用两种符号表示 如图6 6 b 所示 6 2霍尔传感器 2 霍尔元件基本结构 3 霍尔元件基本特性 额定激励电流和最大允许激励电流 输入电阻和输出电阻 不等位电势和不等位电阻 寄生直流电势 霍尔电势温度系数 6 2霍尔传感器 图6 7不等位电阻 1 额定功耗P0霍尔元件在环境温度T 25 时 允许通过霍尔元件的电流I和电压E的乘积 分最小 典型 最大三档 单位为mW 当供给霍尔元件的电压确定后 根据额定功耗可以知道额定控制电流I 因此有些产品提供控制电流 则不给出额定功耗P0 2 输入电阻Ri霍尔元件两控制电流端的直流电阻称为输入电阻Ri 它的数值从几十欧到几百欧 视不同型号的元件而定 温度升高 输入电阻变小 从而使输入控制电流I变大 最终引起霍尔电动势变大 为了减小这种影响 最好采用恒流源作为激励源 3 霍尔元件基本特性 3 输出电阻R0两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻R0 它的数值与输入电阻为同一数量级 它也随温度改变而改变 选择适当的负载电阻RL与之匹配 可以使由温度引起的霍尔电动势的漂移减至最小 4 不等位电动势U0在额定控制电流下 当外加磁场为零时 霍尔元件输出端之间的开路电压称为不等位电动势U0 它是由霍尔电极2和之间的电阻决定的 r0称不等位电阻 5 寄生直流电势当没有外加磁场 霍尔元件用交流控制电流时 霍尔电极的输出有一个直流电势 控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时 会产生整流效应 两个霍尔电极焊点的不一致 引起两电极温度不同产生温差电势 6 霍尔电动势温度系数 在一定磁场强度和控制电流的作用下 温度每变化1 时霍尔电动势变化的百分数称为霍尔电动势温度系数 它与霍尔元件的材料有关 一般约为0 1 在要求较高的场合下 应选择低温漂的霍尔元件 7 最大控制电流Im由于霍尔电势随控制电流增大而增大 故在应用中总希望选用较大的控制电流 但控制电流增大 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 因此每种型号的元件均规定了相应的最大控制电流Im 它的数值从几毫安至几十毫安 6 2 2霍尔传感器的基本电路1 简单的恒电压工作电路恒电压工作电路如图6 8所示 是一种非常简单的施加控制电流的方法 恒电压工作电路比较适合于精度要求不是很高的数字方面的应用 例如录像机的电动机位置检测等 6 2霍尔传感器 霍尔效应传感器的恒电流工作电路适于高精度测量 可以充分发挥霍尔效应传感器的性能 在恒电流工作时输出特性不受输入电阻温度系数以及磁阻效应的影响 当然 与恒电压工作电路相比 某些电路会变得复杂 不过这个问题不那么严重 霍尔效应传感器的恒电流工作电路如图6 9所示 6 2霍尔传感器 2 简单的恒电流工作电路 6 2霍尔传感器 图6 10a一个运算放大器构成的差动放大器 3 霍尔效应传感器放大电路基本的差动放大电路 霍尔效应传感器的输出电压通常只有数毫伏至数百毫伏 因而需要有放大电路 霍尔效应传感器是一种4端器件 为了消除非磁场因素引入的同向电压的影响 必须构成差动放大器 如图6 10 图6 10b3个运算放大器构成的差动放大器 6 2霍尔传感器 在图6 10的电路中 既可以使用霍尔效应传感器的交流电压输出 也可以使用它的直流输出 则可以构成如图6 11所示的电路 使用了隔直流电容器 6 2霍尔传感器 Ig 电容器的漏电流 直流成分 图6 11a电容器漏电流的影响 6 2霍尔传感器 图6 11b3个运算放大器构成的差动放大 1 6 2霍尔传感器 图6 11c3个运算放大器构成的差动放大 2 6 2 3霍尔元件的补偿电路1 霍尔元件不等位电势补偿不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级 有时甚至超过霍尔电势 因而必须采用补偿的方法 如图6 12所示 6 2霍尔传感器 图6 12不等位电势补偿电路 其中A B为激励电极 C D为霍尔电极 极分布电阻分别用R1 R2 R3 R4表示 理想情况下 R1 R2 R3 R4 即可取得零位电势为零 或零位电阻为零 实际上 由于不等位电阻的存在 说明此四个电阻值不相等 可将其视为电桥的四个桥臂 则电桥不平衡 为使其达到平衡 可在阻值较大的桥臂上并联电阻 如图6 12 a 所示 或在两个桥臂上同时并联电阻 如图6 12 b 所示 6 2霍尔传感器 2 霍尔元件温度补偿 霍尔元件是采用半导体材料制成的 因此它们的许多参数都具有较大的温度系数 为了减小霍尔元件的温度误差 除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外 由UH KHIB可看出 采用恒流源供电是个有效措施 可以使霍尔电势稳定 但也只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流I变化所带来的影响 霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数 它随温度的变化引起霍尔电势的变化 霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成 6 23 6 2霍尔传感器 式中 KHO 温度T0时的KH值 T T T0 温度变化量 霍尔电势温度系数 并且大多数霍尔元件的温度系数 是正值 它们的霍尔电势随温度升高而增加 1 T 倍 如果 与此同时让激励电流I相应地减小 并能保持KHI乘积不变 也就抵消了灵敏系数KH增加的影响 图6 13就是按此思路设计的一个既简单 补偿效果又较好的补偿电路 电路中用一个分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极相并联从而达到补偿的目的 6 2霍尔传感器 图6 13恒流源温度补偿电路 在图6 13所示的温度补偿电路中 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 6 2霍尔传感器 6 2霍尔传感器 当温度升至T时 电路中各参数变为 式中 霍尔元件输入电阻温度系数 分流电阻温度系数 则 6 2霍尔传感器 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 将式 6 20 6 21 6 24 代入上式 经整理并略去 T2高次项后得 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 由式 6 29 即可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数 值 为了满足Rp0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 6 2霍尔传感器 磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件 磁敏电阻是磁阻位移传感器 无触点开关等的核心部件 6 3 1磁阻效应 当一载流导体置于磁场中 其电阻会随磁场而变化 这种现象被称为磁阻效应 当温度恒定时 在磁场内 磁阻和磁感应强度B的平方成正比 理论推导出来的磁阻效应方程为 式中 是磁感应强度为B的电阻率 是零磁场下的电阻率 是电子迁移率 B是磁感应强度 6 3磁敏电阻器 当电阻率的变化为时 则电阻率的相对变化为 可以看出 在磁感应强度 一定时 迁移率越高的材料 如InSb InAs NiSb等半导体材料 磁阻效应越明显 从微观上讲 材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因磁场的作用而加长所致 6 3磁敏电阻器 6 3 2磁敏电阻的结构 磁阻效应除了与材料有关外 还与磁敏电阻的形状有关 考虑形状影响因素时 电阻率的相对变化为 式中 l b分别为电阻的长和宽 是形状效应系数 图6 14画出了三种不同形状的半导体内电流线的分布 第一行为不加磁场的情况 第二行为加磁场的情况 6 3磁敏电阻器 6 3磁敏电阻器 图6 14半导体内电流分布 a 长方形l b b 长方形l b c 科比诺圆盘 6 3 3磁阻元件的主要特性1 灵敏度特性 磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的 且受温度的影响较大 磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示 即磁场 电阻变化率特性曲线的斜率 在运算时常用RB R0求得 R0表示无磁场情况下磁阻元件的电阻值 RB为施加0 3T磁感应强度时磁阻元件的电阻值 6 3磁敏电阻器 6 3磁敏电阻器 这种情况下 一般磁阻元件的灵敏度大于2 7 如图6 15所示 由图6 15 a 所示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 由图6 15 b 所示 在0 2T以下的弱磁场中 曲线呈现平方特性 而超过0 2T后呈现线性变化 图6 15磁阻元件的灵敏度特性 2 电阻 温度特性 6 3磁敏电阻器 图6 16半导体元件的电阻 温度特性曲线 图6 16是一般半导体磁阻元件的电阻 温度特性曲线 由图可知 半导体磁阻元件的温度特性不好 元件的电阻值在不大的温度变化范围内减小的很快 因此 在应用时 一般都要设计温度补偿电路 6 3磁敏电阻器 检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一 将霍尔器件做成各种形式的探头 放在被测磁场中 使磁力线和器件表面垂直 通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压 6 4磁敏式传感器的应用 6 4磁敏式传感器的应用 将霍尔元件置于磁场中 左半部磁场方向向上 右半部磁场方向向下 从a端通人电流I 根据霍尔效应 左半部产生霍尔电势VH1 右半部产生霍尔电势VH2 其方向相反 因此 c d两端电势为VH1 VH2 如果霍尔元件在初始位置时VH1 VH2 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 霍尔式压力传感器 霍尔压力传感器结构原理图 霍尔转速传感器 霍尔转速传感器结构 霍尔计数装置 霍尔计数装置及电路 a 工作示意图 b 电路图 汽车霍尔电子点火器 当缺口对准霍尔元件时 磁通通过霍尔传感器形成闭合回路 电路导通 霍尔传感器输出低电平 当隔磁罩竖边的凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时 电路截止 霍尔传感器输出高电平 汽车霍尔电子点火器电路 当霍尔传感器输出低电平时 V1截止 V2 V3导通 点火器的初级绕组有恒定的电流通过 当霍尔传感器输出高电平时 V1导通 V2 V3截止 点火器的初级绕组电流截止 此时储存在点火线圈中的能量由初级绕组以高压放电的形式输出 即放电点火 霍尔转速表 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直 放大 整形后可以确定被测物的转速 霍尔转速表原理 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 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 角位移测量仪 角位移测量仪的结构如图所示 霍尔器件与被测物连动 而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动 于是霍尔电势就反应了转角变化 霍尔电流传感器 将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔 当有电流通过导线时 在导线周围将产生磁场 磁力线集中在铁心内 并在铁心的缺口处穿过霍尔元件 从而产生与电流成正比的霍尔电压 霍尔电流传感器演示 铁心 线性霍尔IC EH KHIB I I 霍尔钳形电流表 交直流两用 压舌 豁口 霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近 并达到动作距离时 霍尔式接近开关动作 霍尔式接近开关 用霍尔IC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合磁场 在右图中 当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时 霍尔IC的输出由高电平变为低电平 经驱动电路使继电器吸合或释放 控制运动部件停止移动 否则将撞坏霍尔IC 起到限位的作用 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 变频器 伺服马达驱动器 电度表 断路器 防爆电机保护器 地磁场的测量 探矿等 6 4 1非接触式交流电流检测器该非接触式交流电流检测器使用的是MS F06型磁敏电阻器 只要将MS F06型半导体磁敏电阻器靠在电流线上就会得到输出电压 MS F06型磁敏电阻器在35 时电阻值减小到室温时的1 2 因此 很少只使用一个磁敏电阻器 而是使用两个磁敏电阻器 以使其温度特性能够得到补偿 6 4磁敏式传感器的应用 图6 17MS F06型磁敏电阻器的电阻值 磁场特性 6 4磁敏式传感器的应用 MS F06型磁敏电阻器的电阻值 磁场特性如图6 17所示 在磁场强度为0时的电阻值 初始电阻值 为800 MS F06具有0 075T的偏置磁场 在图6 17中可以看到 R0 7G 1k R1 7G 1 5k 即每增加0 0001T的磁场可以使磁敏电阻的电阻值增加到原来的1 5倍 6 4磁敏式传感器的应用 图6 18是MS F06的温度特性 图6 19是MS F06和铜导线之间的距离与输出电压的关系 当它紧贴直径0 1mm的铜导线时 对应于50Hz的100mA电流 输出的电压为0 27mVRMS 图6 18MS F06的温度特性 图6 18MS F06的间隔特性 6 4磁敏式传感器的应用 图6 20非接