第九章磁参数的测量概要.ppt

第九章磁参数的测量,磁敏传感器是对磁场参量(B,H,)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。,第一节电磁感应法测量磁场,冲击电流计名为“电流计”，实际上并不是用来测电流的，而是用来测量短时间内脉冲电流所迁移的电量,它还可以用来进行与此有关的其他方面的测量，例如测量磁感应强度、高阻、电容等等。由于其特殊的结构，线圈转动惯量较大，因此，当电流瞬间通过线圈时，线圈的运动状态来不及发生变化。电流停止后，线圈才以一定的角度摆动。线圈启动后，立即受到各种反力矩的作用，线圈的运动速度逐渐减小，当转动到最大位置时，瞬间停止，然后回复到初始位置，并在初始位置附近往返摆动数次，最终停止。,三、冲击检流计法,冲击电流计特点,1、线圈转动灵活悬丝结构。2、线圈转动惯量大线圈短而宽，而且下面还悬吊着金属圆盘。3、镜尺读数装置应用光放大原理，提高读数的准确度。,镜尺装置,光源变压器,照明灯,冲击电流计读数装置,检流计的工作过程分为两阶段：,第二节磁效应元件测磁,一、霍耳磁敏传感器二、磁敏二极管和磁敏三极管三、磁敏电阻,一、霍耳磁敏传感器（一）霍耳效应,通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。,+,I,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,l,w,d,霍耳效应原理图,VH,VHKHIB,1霍耳线性集成传感器的结构及工作原理霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成，当外加磁场时,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压,经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍耳线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。,（二）霍耳线性集成传感器,单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是SL3501T。双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是SL3501M。,2霍耳线性集成传感器的主要技术特性(1)传感器的输出特性如下图：,2霍耳线性集成传感器的主要技术特性(2)传感器的输出特性如下图：,（三）霍耳磁敏传感器的应用利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用。利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。,利用霍耳传感器制作的仪器优点：(1)体积小，结构简单、坚固耐用。(2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。(3)装置性能稳定，寿命长，可靠性高。(4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。(5)霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。,二、磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。它们具有磁灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点，因而正日益得到重视；并在检测、控制等方面得到普遍应用。,（一）磁敏二极管的工作原理和主要特性1磁敏二极管的结构与工作原理,（1）磁敏二极管的结构有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。与普通二极管区别：普通二极管PN结的基区很短，以避免载流子在基区里复合；磁敏二级管的PN结却有很长的基区，大于载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。,磁敏二极管的结构和电路符号(a)结构;(b)电路符号,H+,H-,N+区,p+区,i区,r区,电流,（a）,在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P型和N型两个区域，并在本征区（i）区的一个侧面上，设置高复合区(r区)，而与r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。,P,N,P,N,P,N,H=0,H+,H-,电流,电流,电流,（a）,（b）,（c）,磁敏二极管的工作原理示意图,流过二极管的电流也在变化，也就是说二极管等效电阻随着磁场的不同而不同。为什么磁敏二极管会有这种特性呢?下面作一下分析。,（2）磁敏二极管的工作原理当磁敏二极管的P区接电源正极，N区接电源负极即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，,i,i,i,电子,孔穴,复合区,结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。磁敏二极管反向偏置时，则在r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。,2磁敏二极管的主要特征（1）伏安特性,在给定磁场情况下，磁敏二极管两端正向偏压和通过它的电流的关系曲线。,图伏安特性,同一磁场作用下，电流越大，电压越高变化磁场作用下：正向磁场下，磁场增加，电流减小；反向磁场下，磁场增加，电流增大。,（2）磁电特性在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场间的变化关系。,图磁场电压特性,（二）磁敏三极管的工作原理和主要特性1磁敏三极管的结构与原理,（1）磁敏三极管的结构NPN型磁敏三极管是在弱P型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个结即发射结、基极结、集电结所形成的半导体元,图2.6-33NPN型磁敏三极管的结构和符号a)结构b)符号,r,N+,N+,c,e,H-,H+,P+,b,c,e,b,a）,b）,件,如图。在长基区的侧面制成一个复合速率很高的高复合区r。长基区分为输运基区和复合基区两部。,i,（2）磁敏三极管的工作原理,当不受磁场作用如图2.6-34(a)时，由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子除少部分输入到集电极c外，大部分通过eib而形成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。所以，电流放大系数=IcIb1。当受到H磁场作用如图2.6-34（b）时，由于洛仑兹力作用，载流子向发射结一侧偏转，从而使集电极电流明显下降。当受磁场使用如图2.6-34(c)时，载流子在洛仑兹力作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流增大。,/b=5mA,Ib=4mA,Ib=3mA,Ib=2mA,Ib=1mA,Ib=0mA,IC,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,2,4,6,8,10,VCE/V,/mA,VCE/V,Ib=3mAB-=0.1T,Ib=3mAB=0,Ib=3mAB+=0.1T,2,4,6,8,10,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,IC,/mA,图磁敏三极管伏安特性曲线,2磁敏三极管的主要特性（1）伏安特性图(a)给出了磁敏三极管在基极恒流条件下（Ib=3mA）、磁场为0.1T时的集电极电流的变化；图(b)则为不受磁场作用时磁敏三极管的伏安特性曲线。,（2）磁电特性磁电特性是磁敏三极管最重要的工作特性。3BCM（NPN型）锗磁敏三极管的磁电特性曲线如图所示。,B/0.1T,Ic/mA,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,1,5,2,3,4,-1,-2,-3,图3BCM磁敏三极管电磁特性,由图可见，在弱磁场作用时，曲线近似于一条直线。,（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。利用磁敏管可以作成磁场探测仪器如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量10-7T左右的弱磁场。根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。此外,利用磁敏管还可制成转速传感器(能测高达每分钟数万转的转速),无触点电位器和漏磁探伤仪等。,（四）、常用磁敏管的型号和参数3BCM型锗磁敏三极管参数表,3CCM型硅磁敏三极管参数表,三、磁敏电阻是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称MR元件。它的理论基础为磁阻效应。（一）磁阻效应若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。,在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子(电子和空穴)的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化,它可表示为：,为磁感应强度；材料在磁感应强度为时的电阻率；0材料在磁感应强度为0时的电阻率；载流子的迁移率。,当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。这种与样品形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。长方形磁阻器件只有在L(长度)W（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把LW长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍耳电势，这种栅格磁阻器件如图（b）所示，就相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁,L,W,B,B,图几何磁阻效应,I,I,（a,（b,阻器件的灵敏度。常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部有制作成半桥或全桥等多种形式。,1灵敏度特性磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场电阻特性的斜率。常用K表示，单位为mV/mA.kG即.Kg。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为在施加0.3T磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于2.7。,（二）磁阻元件的主要特性,2磁场电阻特性,磁阻元件磁场电阻特性,N级,0.3,0.2,0.1,0,0.1,0.2,0.3,R/,1000,500,S级,(a)S、N级之间电阻特性,B/T,15,RBR0,10,5,温度(25),弱磁场下呈平方特性变化,强场下呈直线特性变化,0,(b)电阻变化率特性,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,B/T,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,在0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过0.1T后呈现线性变化,图强磁磁阻元件电阻-磁场特性曲线,图显示的是强磁磁阻元件的磁场电阻特性曲线。从图中可以看出它与前图（a）曲线相反，即随着磁场的增加，电阻值减少。并且在磁通密度达数十到数百高斯即饱和。一般电阻变化为百分之几。,3电阻温度特性如图是一般半导体磁阻元件的电阻温度特性曲线，从图中可以看出，半导体磁阻元件,103,8,4,2,102,4,2,10,6,-40,0,20,60,100,温度/,电阻变化率%,图半导体元件电阻-温度特性曲线,的温度特性不好。图中的电阻值在35的变化范围内减小了1/2。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。,（三）磁敏电阻的应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、UPS、变频器、伺服马达驱动器、家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。,四、核磁共振法,五、磁光效应,灵敏度极高：可达10-15T，比灵敏度较高的光泵式磁敏传感器要高出几个数量级；,第三节SQUID磁敏传感器,SQUID磁敏传感器是一种新型的灵敏度极高的磁敏传感器，是以约瑟夫逊（JosePhson）效应为理论基础，用超导材料制成的，在超导状态下检测外磁场变化的一种新型磁测装置。,特点,频带宽：响应频率可从零响应到几kHz。,测量范围宽：可从零场测量到几kT；,深部地球物理：用带有SQUID磁敏传感器的大地电磁测深仪进行大地电磁测深，效果甚好。在古地磁考古、测井、重力勘探及预报天然地震中，SQUID也具有重要作用。在生物医学方面，应用SQUID磁测仪器可测量心磁图、脑磁图等，从而出现了神经磁学、脑磁学等新兴学科，为医学研究开辟了新的领域。在固体物理、生物物理、宇宙空间的研究中，SQUID可用来测量极微弱的磁场，如美国国家航空宇航局用SQUID磁测仪器测量了阿波罗飞行器带回的月球样品的磁矩。SQUID技术还可用作电流计，电压标准，计算机中存储器，通讯电缆等；在超导电机、超导输电、超导磁流体发电、超导磁悬浮列车等方面，均得到广泛应用。,应用领域,超导电性：在某一温度TC以下电阻值突然消失的现象。,（a）,T/K,0,T/K,0,0K,0,TC,（b）,电阻随温度变化曲线a、正常导体；b、超导体,一、SQUID磁敏传感器的基本原理,超导体：具有超导电性的物体。临界温度(TC)：超导体从具有一定电阻值的正常态转变为电阻值突然为零时所对应的温度,其值一般从3.4K至18K,超导体特性：理想导电性；完全逆磁性；磁通量子化。,S,S,N,N,H,H,（c）,（b）,（a）,（a）TTcH0,（b）TTCH0,（c）TTCH=0,理想导电性实验,1、理想导电性零电阻特性,若将一超导环置于外磁场中，然后使其降温至临界温度以下，再撤掉外加磁场，此时发现超导环内有一感生电流I，超导环内无电阻消耗能量，此电流将永远维持下去，因无电阻。,（a）,（b）,迈斯纳效应示意图（a）正常态时，超导体内部磁场分布（b）在超导态时，超导体内部磁场分布,2、完全逆磁性，迈斯纳(Meissner)效应或排磁效应,超导体不管在有无外磁场存在情况下，一旦进入超导状态，其内部磁场均为零，即磁场不能进入超导体内部而具有排磁性，亦称之为迈斯纳效应。,根据迈斯纳效应，把磁体放在超导盘上方，或在超导环上方放一超导球时，图(a)中超导盘和磁铁之间有排斥力，能把磁铁浮在超导盘的上面；图(b)中由于超导球有磁屏蔽作用，其结果可使超导球悬浮起来。这种现象称为磁悬浮现象。,NS,超导球,磁导盘,（a）,（b）,磁悬浮现象示意图,假定有一中空圆筒形超导体(如图)并按下列步骤进行：(1)常态让磁场H穿过圆筒的中空部分。(2)超导态筒的中空部分有磁场。,3、磁通量子化,感生电流,H0TTC,冻结磁通示意图,(3)超导态撤掉磁场H，圆筒的中空部分仍有磁场，并使磁场保持不变。称为冻结磁通现象。,超导圆筒在超导态时，中空部分的磁通量是量子化的，并且只能取0的整数倍，而不能取任何别的值。,h普郎克常数，e电子电量，0磁通量量子，磁通量自然单位,中空部分通过的总磁通量,该图是两块超导体中间隔着一厚度仅1030的绝缘介质层而形成的“超导体绝缘层超导体”的结构，通常称这种结构为超导隧道结，也称约瑟夫逊,结。中间的薄层区域称为结区。这种超导隧道结具有特殊而有用的性质。超导电子能通过绝缘介质层，表现为电流能够无阻挡地流过，表明夹在两超导体之间的绝缘层很薄且具有超导性。约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象，称为超导隧道结的约瑟夫逊效应，也称直流约瑟夫逊效应。超导结在直流电压作用下可产生交变电流，从而辐射和吸收电磁波。这种特性称为交流约瑟夫逊效应。,绝缘层,超导体,超导体,超导结示意图,4、约瑟夫逊效应,直流约瑟夫逊效应表明，超导隧道结的介质层具有超导体的一些性质，但不能认为它是临界电流很小的超导体，它还有一般超导体所没有的性质。实验证明，当结区两端加上直流电压时，结区会出现高频的正弦电流，其频率正比于所加的直流电压，即f=KV式中K=2e/h=483.61012Hz/V。根据电动力学理论高频电流会从结区向外辐射电磁波。,可见，超导隧道结在直流电压作用下，产生交变电流，辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫逊效应。,约瑟夫逊的直流效应受着磁场的影响。而临界电流IC对磁场亦很敏感，即随着磁场的加大临界电流IC逐渐变小，如图所示。,超导结的Ic-H曲线,0,1,2,3,4,5,6,20,10,H,=0,Ic,5、ICH特性,根据量子力学理论，超导结允许通过的最大超导电流Imax与的关系式,沿介质层及其两侧超导体边缘透入超导结的磁通量；0磁通量子；IC(0)没有外磁场作用时，超导结的临界电流。,IC是的周期函数,超导结临界电流随外加磁场而周期起伏变化的原理,完全可用于测量磁场中。例如,若在超导结的两端接上电源,电压表无显示时,电流表所显示的电流是为超导电流;电压表开始有电压显示时,则电流表所显示的电流为临界电流IC,此时,加入外磁场后,临界电流将有周期性的起伏,且其极大值逐渐衰减,振荡的次数n乘以磁通量子0,可得到透入超导结的磁通量=n0。而磁通量和磁场H成正比关系,如果能求出,磁场H即可求出。同理,若外磁场H有变化,则磁通量亦随变化,在此变化过程中,临界电流的振荡次数n乘以0即得到磁通量的大小,亦反映了外磁场变化的大小。因而,可利用超导技术测定外磁场的大小及其变化。,临界电流随外磁场周期起伏变化，这是由于在一定磁场作用下，超导结各点的超导电流具有确定的相位。相位相反的电流互相抵消；相位相同的电流互相迭加。,测磁原理,二、SQUID磁敏传感器的构成类型,超导量子干涉器（SQUID）是指由超导隧道结和超导体组成的闭合环路。其临界电流是环路中外磁通量的周期函数；其周期则为磁通量子0，它具有宏观干涉现象。通常，人们称这样的超导环路为超导量子干涉器件。,射频超导量子干涉器（RFSQUID）直流超导量子干涉器（DCSQUID）,超导量子干涉器件有两种类型：,CT,RT,RF振荡器,（一）RFSQUID射频超导量子干涉器含有一个超导隧道结的超导环，在超导环中存在超导量子干涉效应。测量时，采用射频电流进行偏置，其构成形式如图所示。,超导环,偏置的目的是使超导结周期地达到临界状态,使环外磁通以量子化的形式进入环内，从而在超导环内的超