第8章磁电式传感器

第8章磁电式传感器 主要内容 8 1磁电感应式传感器8 2霍尔式传感器8 3磁敏传感器 第8章磁电式传感器 概述 第8章磁电式传感器 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10 100HZ适合作机械振动测量 转速测量 传感器尺寸大 重 概述 第8章磁电式传感器 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 第8章磁电式传感器 霍尔传感器测转速 磁电传感器 概述 8 1磁电感应式传感器 电动式 8 1 1工作原理 第8章磁电式传感器 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 8 1磁电感应式传感器 电动式 8 1 2基本特性 第8章磁电式传感器 电压灵敏度 由可得 传感器灵敏度 常数 电流灵敏度 8 1磁电感应式传感器 电动式 第8章磁电式传感器 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 变磁通式 a 开磁路 b 闭磁路 8 1磁电感应式传感器 电动式 8 1 3磁电感应式传感器的应用 第8章磁电式传感器 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 8 1磁电感应式传感器 电动式 8 1 3磁电感应式传感器的应用 第8章磁电式传感器 8 1磁电感应式传感器 电动式 8 1 3磁电感应式传感器的应用 第8章磁电式传感器 8 1磁电感应式传感器 电动式 8 1 3磁电感应式传感器的应用 第8章磁电式传感器 动圈式振动速度传感器 8 1磁电感应式传感器 电动式 8 1 3磁电感应式传感器的应用 第8章磁电式传感器 8 1磁电感应式传感器 电动式 8 1 3磁电感应式传感器的应用 第8章磁电式传感器 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 8 1磁电感应式传感器 电动式 8 1 3磁电感应式传感器的应用 第8章磁电式传感器 积分电路输出 微分电路输出 8 1磁电感应式传感器 电动式 8 1 3磁电感应式传感器的应用 第8章磁电式传感器 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 8 2霍尔式传感器 第8章磁电式传感器 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 8 2霍尔式传感器 第8章磁电式传感器 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 第8章磁电式传感器 8 2霍尔式传感器8 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 第8章磁电式传感器 8 2霍尔式传感器8 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 8 2霍尔式传感器8 2 1霍尔效应 第8章磁电式传感器 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 8 2霍尔式传感器8 2 1霍尔效应 第8章磁电式传感器 代入后 霍尔常数与材料有关霍尔灵敏度与薄片尺寸有关 8 2霍尔式传感器8 2 1霍尔效应 第8章磁电式传感器 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 8 2霍尔式传感器8 2 2霍尔传感器基本电路 第8章磁电式传感器 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 8 2霍尔式传感器8 2 3霍尔传感器的误差及补偿 1 不等位电势 第8章磁电式传感器 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 8 2霍尔式传感器8 2 3霍尔传感器的误差及补偿 1 不等位电势不等位电势的补偿 第8章磁电式传感器 8 2霍尔式传感器8 2 3霍尔传感器的误差及补偿 2 温度误差及补偿 第8章磁电式传感器 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 8 2霍尔式传感器8 2 3霍尔传感器的误差及补偿 2 温度误差及补偿 第8章磁电式传感器 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 8 2霍尔式传感器8 2 4霍尔传感器的应用 第8章磁电式传感器 1 位移测量 2 测转速 3 计数装置 导磁产品 8 2霍尔式传感器8 2 4霍尔传感器的应用 第8章磁电式传感器 霍尔元件符号 8 2霍尔式传感器8 2 4霍尔传感器的应用 第8章磁电式传感器 霍尔传感器位移测量原理 8 2霍尔式传感器8 2 4霍尔传感器的应用 第8章磁电式传感器 霍尔压力传感器结构原理 8 2霍尔式传感器8 2 4霍尔传感器的应用 第8章磁电式传感器 霍尔元件和磁体运动方式 8 2霍尔式传感器8 2 4霍尔传感器的应用 第8章磁电式传感器 8 2霍尔式传感器8 2 5霍尔集成传感器 第8章磁电式传感器 1集成霍尔元件 8 2霍尔式传感器8 2 5霍尔集成传感器 第8章磁电式传感器 线性集成电路 测位移 测振动 8 2霍尔式传感器8 2 5霍尔集成传感器 第8章磁电式传感器 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 8 2霍尔式传感器8 2 5霍尔集成传感器 第8章磁电式传感器 霍尔开关元件性能演示动画 8 2霍尔式传感器8 2 5霍尔集成传感器 第8章磁电式传感器 2应用 无触点开关 8 2霍尔式传感器8 2 5霍尔集成传感器 第8章磁电式传感器 2应用 天然气点火电路 8 2霍尔式传感器8 2 5霍尔集成传感器 第8章磁电式传感器 2应用 接口电路 8 3磁敏传感器 第8章磁电式传感器 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 8 3磁敏传感器8 3 1磁敏电阻器 第8章磁电式传感器 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 8 3磁敏传感器8 3 1磁敏电阻器 第8章磁电式传感器 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 8 3磁敏传感器8 3 1磁敏电阻器 第8章磁电式传感器 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 8 3磁敏传感器8 3 1磁敏电阻器 第8章磁电式传感器 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 8 3磁敏传感器8 3 1磁敏电阻器 第8章磁电式传感器 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 8 3磁敏传感器8 3 1磁敏电阻器 第8章磁电式传感器 磁图形识别传感器BS05A1HFAA 检测电路 工作电压5V 输出0 3 0 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 8 3磁敏传感器8 3 2磁敏晶体管 1 磁敏二极管 锗管2ACM 硅管2DCM 第8章磁电式传感器 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