传感器与智能检测技术 课件4.3 磁敏传感器

1磁敏传感器是对磁场参量(B,H,φ)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。一、磁电感应式二、霍尔式三、磁敏电阻式四、磁敏二极管式五、磁敏三极管式4.3磁敏传感器

磁电效应式结型4.3.0磁电感应式传感器

法拉第电磁感应定律：N为线圈匝数，E为感应电势，Φ为磁通。当E的单位为伏特（V），Φ的单位为韦伯（Wb），t的单位为秒（s）时EXTENSION4.3.0磁电感应式传感器EXTENSION磁电感应式传感器分为：恒定磁通式磁电感应传感器和变磁通式磁电感应传感器两种。1.恒定磁通式恒定磁通磁电感应式传感器如下图所示由永久磁铁（磁钢）、软铁、线圈、支架、壳体组成测量时，磁路中的磁通恒定，感应线圈相对磁场运动产生感应电势恒磁通磁电感应式传感器分为：动圈式（运动部件是线圈）动铁式（运动部件是永久磁铁）vNS动圈式恒定磁通磁电感应式传感器结构图线圈弹簧永久磁铁软铁ldd支架SN动铁式恒定磁通磁电感应式传感器结构图弹簧线圈永久磁铁壳体v永久磁铁（1）

线/角速度传感器1.恒定磁通式图6-5磁电式振动传感器的结构原理图1-弹簧片2-永久磁铁3-阻尼器4-引线5-芯杆6-外壳7-线圈8-弹簧片（2）动圈式振动速度传感器1.恒定磁通式2.变磁通式变磁通式磁电感应式传感器测量时，磁路中的磁通变化（或磁路中的磁阻变化），因而感应线圈中感应电势变化。变磁通式磁电感应传感器分为：开磁路变磁通式传感器、闭磁路变磁通式传感器平移型开磁路变磁通磁电感应式传感器结构图线圈被测体衔铁vNS永久磁铁eδ0磁路e=-BNAvNS旋转型闭磁路变磁通磁电感应式传感器结构图永久磁铁线圈椭圆铁磁旋转体软铁e磁路e=-BWAωcos2ωt（3）磁电式扭矩传感器ω0u1u2测量仪表u1u21231-齿轮圆盘2-扭转轴3-磁电传感器2.变磁通式特点：

传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度，因而它是与被测速度成一定比例关系的。当转速太低时，输出电势很小，以致无法测量。所以这种传感器有一个下限工作频率，一般为50Hz左右，闭磁路转速传感器的下限频率可降低到30Hz左右。其上限工作频率可达100Hz。4.3.2霍尔传感器利用霍尔元件的霍尔效应将被测量转换成电动势输出的一种传感器。优点：结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽、动态范围大、寿命长等。

4.3.2霍尔传感器

（一）霍尔效应

导体或半导体薄片置于磁场B中，在相对两侧通以电流I，在垂直于电流和磁场的方向上将产生一个大小与电流I和磁感应强度B的乘积成正比的电动势。这一现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。

当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab霍尔效应11霍尔电势VH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。可改写成：

电流密度j=nqvn—N型半导体中的电子浓度P型半导体

—霍尔系数，由材料物理性质决定。p—P型半导体中的空穴浓度ρ—材料电阻率μ—载流子迁移率金属材料电子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。而电子的迁移率比空穴大，所以以N型半导体居多。（二）霍尔磁敏传感器工作原理KH—霍尔元件灵敏度。它与材料的物理性质和几何尺寸有关，它决定霍尔电势的强弱。12设KH=RH/d

KH—霍尔元件灵敏度。它与材料的物理性质和几何尺寸有关，它决定霍尔电势的强弱。

若磁感应强度B的方向与霍尔元件的平面法线夹角为θ时，霍尔电势应为：

VH＝KH

IB

VH＝KHIBcosθ

注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势并不改变方向。θ13霍尔器件片a)实际结构(mm)；(b)简化结构；(c)等效电路外形尺寸:6.4×3.1×0.2;有效尺寸：5.4×2.7×0.2（三）霍尔元件dsl（b）2.15.42.7AB0.20.50.3CD（a）w电流极霍尔电极R4ABCDR1R2R3R4（c）14控制电流I；霍尔电势VH；控制电压V；输出电阻R2；输入电阻R1；霍尔负载电阻R3；霍尔电流IH。

图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍尔输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍尔器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。VHR3VBIEIH霍尔元件的基本电路R实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。15（四）基本特性

1、直线性：指霍尔器件的输出电势VH分别和基本参数I、V、B之间呈线性关系。VH=KHBI

2、灵敏度：可以用元件灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：KH——Hall元件灵敏度，表示霍尔电势VH与磁感应强度B和控制电流I乘积之间的比值，mV/(mA·KGs)。因为霍尔元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定,故又称为乘积灵敏度。H163、最大输出功率在霍尔电极间接入负载后，元件的功率输出与负载的大小有关，当霍尔电极间的内阻R2等于霍尔负载电阻R3时，霍尔输出功率为最大。4、最大效率霍尔器件的输出与输入功率之比，称为效率，和最大输出对应的效率，称为最大效率，即：5、负载特性当霍尔电极间串接有负载时，因为流过霍尔电流，在霍尔元件上将产生压降，故实际霍尔电势比理论值小。由于霍尔电极间内阻和磁阻效应的影响，霍尔电势和磁感应强度之间的关系改变。如图所示。H178060402000.20.40.60.81.0VH/mVλ=∞（空载）λ=7.0λ=1.5λ=3.0B/T理论值实际值VHR3I霍尔电势的负载特性λ=R3/R2

霍尔电势随负载电阻值而改变的情况187、温度特性：指霍尔电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍尔系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。霍尔材料的温度特征（a）RH与温度的关系；（b）ρ与温度的关系RH/cm2/℃﹒A-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/℃0246ρ/7×10-3Ω·cmLnAs20015010050LnSbT/℃0双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，影响灵敏度。二者相反。H19造成测量误差的主要因素有两类：半导体固有特性和半导体制造工艺的缺陷。误差表现为:零位误差和温度误差。(1)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称为零位电势，又称为不等位电势。主要原因在于霍尔电极不在同一等位面。（五）霍尔元件的测量误差可采用电桥平衡原理(调整电阻R)补偿。

E本身是恒流源或在恒压源供电的电路中,串入一比输入电阻大得多的电阻R.对元件相当于恒流源供电,则在输入电阻随温度变化时,控制电流变化极小.

采用恒流源法进行补偿1)对于Si元件只考虑电阻随温度变化的补偿即可.

一般情况,负载电阻比元件输出电阻大得多,

只考虑输入端补偿.·元件内阻R随温度变化→控制电流I变化→元件输出电压变化.EHRI恒流UH(2)温度特性补偿方法(六)霍尔器件类型利用半导体材料,采用半导体工艺制做的单晶型、薄膜型四端器件.两电流输入端,两电压输出端.

分立元件型

霍尔器件根据用途不同有两种类型：分立元件型、集成电路型

霍尔集成电路型

霍尔集成电路是将霍尔器件和放大等电路集成在一个芯片上.

霍尔集成电路外型结构与分立型霍尔器件完全不同,引出线形式由内部电路功能决定.根据器件输出型式不同有两种：线性型、开关型

SL3501TSL3501M

SL3501TSL3501M·H运放·稳压123VCCGNDOUT

霍尔集成电路型1.线性型霍尔集成电路输出电压随外磁场B的大小呈线性变化.

线性型霍尔集成电路是由霍尔器件、放大器、电压调整器、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等组成.

外型结构有三端T型(SL3501T)8脚双列直插型(SL3501M)

输出有单端和双端输出两种稳压H3VCC地4输出输出1867523霍尔线性集成传感器的输出特性磁感应强度B/T5.64.63.62.61.6-0.3-0.2-0.100.10.20.3输出电压U/VSL3501T传感器的输出特性曲线2.开关型霍尔集成电路输出电压在外磁场B达到一定值时产生跳变.(输出为高、低电平)1VCC2GND3OUT1·施密特触发器稳压··4OUT2

霍尔集成电路型1VCC3OUT2GND·H差分大放施密特触发器稳压····UGN3120S

开关型霍尔集成电路是由霍尔器件、稳压器、差分放大器、施密特触发器、输出晶体管等组成.

有单端输出和双端输出两种形式.

双端输出型可同时输出两个信号.

霍尔集成电路器件,使用时一定注意管脚定义,不能接错.25霍尔开关集成传感器的工作特性曲线

从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞BH，这对开关动作的可靠性非常有利。图中的BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。霍尔开关集成传感器的工作特性曲线VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB霍尔开关集成传感器的技术参数：工作电压、磁感应强度、输出截止电压、输出导通电流、工作温度、工作点。0

该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。26霍尔开关集成传感器的接口电路RLVACVccKVccKVccVACVccMOSVOUTVACVccVACRLVACVcc27●点火系统、保安系统●转速、里程测定、机械设备的限位开关●按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等。霍尔开关集成传感器的应用领域3020T输出VoutR=2kΩ+12V123（b）应用电路

（a）外型

霍尔开关集成传感器的外型及典型应用电路1232023/9/2228（七）霍尔传感器的应用

霍尔电势是关于I、B、

三个变量的函数，即EH=KHIBcos

。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。

霍尔磁敏传感器测磁(大小/方向)原理示意图（b）磁场变化xxBNNSSI（a）霍尔式传感器结构示意图29利用霍尔传感器制作的测量仪器优点：

(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)霍尔器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍尔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。

30霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔元件磁铁1.测量磁场强度2023/9/22311.测量磁场强度霍尔元件测量铁心气隙的B值2．微位移测量3.霍尔计数装置NS霍尔开关钢球磁铁绝缘板SL3051741计数器+12V+V4.铁磁材料裂纹检测1-永久磁铁2-霍尔元件3-铁磁材料SN123SNxUH02023/9/2235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。5.转速测量2023/9/22365.转速测量

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。SN线性霍尔磁铁霍尔式接近开关用于转速测量演示n=60f4(r/min)软铁分流翼片

开关型霍尔ICTn=60f4(r/min)386、霍尔式无刷电动机

霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。普通直流电动机使用的电刷和换向器39无刷电动机在电动自行车上的应用

电动自行车可充电电池组无刷电动机2023/9/2240光驱用的无刷电动机内部结构2023/9/22417.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。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。2023/9/2242

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。

7.霍尔式接近开关438.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

铁心II2023/9/2244其他霍尔电流传感器2023/9/2245霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口2023/9/2246霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的铁心张开将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中

将空调电源的“三芯护套线”夹到钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？2023/9/2247霍尔式电流谐波分析仪

被测电流的谐波频谱铁心的开合缝隙

铁心的杠杆压舌9.霍尔式压力传感器494.3.3

磁敏电阻式

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，常用RM或R表示。磁阻效应：当载流体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。当温度恒定时，在磁场中磁阻与磁感应强度B的平方成正比。若器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为（一）磁阻效应4.3.3磁敏电阻圆盘形的磁阻最大。磁敏电阻大多做成圆盘结构。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。磁阻效应除与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽度的比越小，电阻率的相对变化越大。511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，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图4.3.8磁阻元件磁场——电阻特性图4.3.9强磁磁阻元件电阻——磁场特性曲线2）电阻——温度特性磁敏电阻的电阻—温度特性曲线如图4.3.10所示。图4.3.10半导体元件电阻——温度特性曲线图4.3.11强磁阻元件电阻——温度特性曲线53☆磁敏电阻主要结构半导体磁敏电阻InSb-NiSb磁敏电阻(锑化铟-锑化镍)强磁性薄膜(InSb)磁敏电阻

在很薄(0.1~0.5mm)的绝缘基片上,蒸渡一层半导体材料；也有在半导体材料上腐蚀光刻成型.(为增加有效电阻,常制成象应变片那样的栅格形)优点：灵敏度很高,在高磁场范围特性为线性.但对磁场方向无关.缺点：受温度影响很大,影响使用价值,正在被强磁性薄膜型取代.半导体磁敏电阻特性半导体磁敏电阻

在B=0.3T~1.0T内线性较好,适于测量强磁场,弱磁场平方特性.利用该元件可制成位移和压力等各种类型的接近开关.InSb-NiSb磁敏电阻特性

具有灵敏度高,稳定性、可靠性好,输出阻值变化与磁场方向有关.强磁性薄膜磁敏电阻特性

磁敏电阻一般用于磁场强度、漏磁、制磁的检测，它可用于交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、位移电压变换器、等电路中作控制元件，还可用于接近开关、磁卡文字识别、磁电编码器、电动机测速等场合作磁敏传感器用。磁敏电阻应用544.3.3&4磁敏二极管和磁敏三极管

磁敏二极管、三极管是继霍尔元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。特点:

磁灵敏度高（磁灵敏度比霍尔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。结型磁敏传感器

基于半导体PN结导电特性

结半导体(PN结)导电时,载流子(电子、空穴)运动其复合情况随所处磁场方向及强度而变化的原理.55（一）磁敏二极管(SMD)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。磁敏二级管的结构是P+—i—N+型。结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生输出电流（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。因而流过二极管的电流（端电压）不会因受到磁场作用而有任何改变。+－图4.3.12磁敏二极管的结构及符号磁敏二极管的主要特性图4.3.12Ge磁敏二极管的伏安特性曲线图4.3.13硅磁敏二极管的伏安特性(a)普通硅磁敏二极管(b)负阻特性的硅磁敏二极管伏安特性--正向偏压与电流的关系。磁敏二极管的主要特性温度特性：一般情况下，磁敏二极管输出电压变化量ΔU随温度T变化较大，因此在实际使用时，需要对其进行温度补偿。图4.3.15温度补偿电路磁敏二极管温度特性曲线58（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件。如图。最大的特点是基区很长，基区结构类似于磁敏二极管。图2.6-33NPN型磁敏三极管的结构和符号a)结构b)符号rN+N+ceH-H+P+bceba）b）i（1）伏安特性:磁敏三极管与普通晶体管的伏安特性曲线类似，电流放

大倍数小于1。（2）磁电特性:较弱磁场时，集电极电流Ic与B是线性关系。（3）温度特性:磁敏三极管对温度比较敏感，使用时必须进行温度补偿。（4）频率特性:3BCM锗磁敏三极管的