生物医学传感磁电式

生物医学传感磁电式7/15/20231第1页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/20232第2页，课件共61页，创作于2023年2月利用“罗盘”定位的生物

蜜蜂、海龟等在内的许多生物体内都存在着纳米尺寸的磁性颗粒。这些磁性纳米颗粒对于生物的定位与运动行为具有重要意义。第3页，课件共61页，创作于2023年2月磁电式传感器磁电感应效应霍尔效应磁电感应式霍尔式磁电传感器磁场参量电参量本章内容：熟悉磁电感应式传感器工作原理及类型；掌握霍尔效应和霍尔元件的工作原理；理解霍尔元件测量电路原理7/15/20234第4页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/20235第5页，课件共61页，创作于2023年2月线圈感生电动势的大小，取决于匝数W和穿过线圈的磁通变化率。磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，如果改变其中任何一个因素，都会改变线圈的感生电动势。此即磁电式传感器所依据的工作原理。根据磁场中线圈的运动方式不同，其感应电势的表示式也有所不同。6第6页，课件共61页，创作于2023年2月式中B——磁场的磁感应强度；

l——单匝线圈有效长度；

W——有效线圈匝数，指在均匀磁场内参与切割磁力线的线圈匝数；

v——线圈与磁场的相对运动速度；

θ——线圈运动方向与磁场方向的夹角。1.线圈在磁场中作直线运动永久磁铁产生一个恒定磁场，置于磁场中的线圈作直线运动，这时线圈所产生的感应电势为7/15/20237第7页，课件共61页，创作于2023年2月当θ=90˚时，线圈运动方向与磁场垂直时

注：当W，B，l均为常数时，感生电动势的大小与线圈运动的线速度成正比。这就是一般常见的磁电速度计的工作原理。7/15/20238第8页，课件共61页，创作于2023年2月2.线圈在磁场中作旋转运动线圈在永久磁铁产生的恒定磁场中作旋转运动，这时线圈所产生的感应电势为式中

A——单匝线圈的截面积；

ω——角频率；7/15/20239第9页，课件共61页，创作于2023年2月当线圈运动方向与磁场方向垂直，θ=90o，则线圈中的感应电势为：

从上可知，当传感器结构己定时，参数B、A、W等均为常数，因此，感应电势e与线圈对磁场的相对运动速度v或ω成正比，这就是动圈式磁电传感器的工作原理。10第10页，课件共61页，创作于2023年2月恒磁通式变磁阻式变磁通

动圈式动磁式N线速度型角速度型二、结构类型7/15/202311第11页，课件共61页，创作于2023年2月1.恒磁通式传感器的结构原理

动圈式恒磁通式7/15/202312第12页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/202313第13页，课件共61页，创作于2023年2月动铁式v7/15/202314第14页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/202315第15页，课件共61页，创作于2023年2月2.变磁通式传感器的结构原理

7/15/202316第16页，课件共61页，创作于2023年2月三、磁电式传感器基本特性磁电传感器的输出电流Io为:磁电式传感器测量电路式中：

Rf——测量电路输入电阻；R——线圈等效电阻。

7/15/202317第17页，课件共61页，创作于2023年2月传感器的电流灵敏度为

传感器的输出电压和电压灵敏度分别为

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。7/15/202318第18页，课件共61页，创作于2023年2月1.非线性误差传感器灵敏度越高，线圈中电流越大，非线性越严重补偿线圈7/15/202319第19页，课件共61页，创作于2023年2月

2.温度误差

当温度变化时，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每摄氏度的变化量决定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，这样由上式可得近似值如下：

相对误差热磁分流器7/15/202320第20页，课件共61页，创作于2023年2月四、磁电式传感器的测量电路

直接输出电动势测量速度；

接入积分电路测量位移；接入微分电路测量加速度。7/15/202321第21页，课件共61页，创作于2023年2月一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理第二节霍尔传感器7/15/202322第22页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/202323第23页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/202324第24页，课件共61页，创作于2023年2月霍尔系数及灵敏度：7/15/202325第25页，课件共61页，创作于2023年2月讨论：为什么只能用半导体材料作霍尔元件？

金属材料电子μ很高但ρ很小；绝缘材料ρ很高但μ很小;

故为获得较强霍尔效应，霍尔片全部采用半导体材料制成。电子的迁移率比空穴大，所以以N型半导体居多。7/15/202326第26页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/202327第27页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/202328第28页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/202329第29页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/202330第30页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/202331第31页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/202332第32页，课件共61页，创作于2023年2月6、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。7、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平衡电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。

7/15/202333第33页，课件共61页，创作于2023年2月三、霍尔元件测量电路及其传感器1、基本测量电路变量：I或B，或者IBUHRLIEIHRB7/15/202334第34页，课件共61页，创作于2023年2月W1W2UH++++----直流供电输出7/15/202335第35页，课件共61页，创作于2023年2月UH~交流供电输出7/15/202336第36页，课件共61页，创作于2023年2月2、霍尔传感器（1）开关应用+－+15VH-15VR3R1R2R4

霍尔开关集成传感器广泛用于点火系统、保安系统、按钮开关、电流测量和控制等。7/15/202337第37页，课件共61页，创作于2023年2月霍尔开关集成传感器内部结构框图23输出+－稳压VCC1霍耳元件放大BT整形地H7/15/202338第38页，课件共61页，创作于2023年2月输出VoutR=2kΩ+12V123（b）应用电路（a）外型霍耳开关集成传感器的外型及应用电路3020T1237/15/202339第39页，课件共61页，创作于2023年2月（2）线性应用+－+15VH-15VR3R1R2R4Rf

霍尔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。7/15/202340第40页，课件共61页，创作于2023年2月集成线性传感器的电路结构框图23输出+－稳压VCC1霍耳元件放大地H7/15/202341第41页，课件共61页，创作于2023年2月四、霍尔元件的测量误差补偿方法1、零位误差及补偿方法零位误差：霍尔元件在加控制电流但不加外磁场时出现的霍尔电势。主要为不等位电势。DR1R2R4BACR3R4不等位电势霍尔元件的等效电路7/15/202342第42页，课件共61页，创作于2023年2月几种常用补偿方法WCDAR2R3R4R1BWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1CWABCDWABCD(b)WCABD7/15/202343第43页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/202344第44页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/202345第45页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/202346第46页，课件共61页，创作于2023年2月（2）利用输入回路串联电阻进行补偿7/15/202347第47页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/202348第48页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/202349第49页，课件共61页，创作于2023年2月7/15/202350第50页，课件共61页，创作于2023年2月（3）利用热敏电阻进行补偿7/15/202351第51页，课件共61页，创作于2023年2月（4）利用补偿电桥进行补偿7/15/202352第52页，课件共61页，创作于2023年2月1、测量磁场的大小和方向电位差计mAESNR霍耳传感器测磁原理示意图五、霍尔传感器应用7/15/202353第53页，课件共61页，创作于2023年2月2、霍尔式微位移传感器

UH量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量。动态范围可达5mm，分辨率为0.001mm。

7/15/202354第54页，课件共61页，创作于2023年2月3、霍尔电流变换器7/15/202355第55页，课件共61页，创作于2023年2月4.霍尔式微压力传感器第56页，课件共61页，创作于2023年2月5、利用霍尔传感器实现无接触式仿型加工探头模型铣刀工件电机电机霍尔传感器7/15/202357第57页，课件共61页，创作于2023年2月6、霍尔计数装置霍尔开关传感器绝缘板磁铁NS+12VSL3051ASVT+VCR5RLR4R3R1R2计数器7/15/202358第58页，课件共61页，创作于2023年2月7、汽车霍尔电子点火器霍尔传感