《传感器技术与应用》课件-项目5：磁电式传感器

传感器技术与应用6.1磁电感应式传感器

电感式传感器是把被测量转换成电感量(自感、互感）的变化；磁电式传感器是将被测量转换为磁场变化，引起电动势输出变化。磁电式传感器霍尔开关磁电感应式速度传感器基于巨磁电阻效应的iGMR传感器磁电式传感器是利用电磁感应原理，通过检测磁场的变化将运动的速度、位移、振动等物理量（机械能）转换成线圈中的感应电动势（电量）输出。是典型的有源传感器。导体和磁场发生相对运动时，在导体两端有感应电动势输出，磁电感应式传感器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。机械能磁电式传感器电量磁电式传感器磁电式结构：传感器由磁钢、线圈、弹簧、阻尼器和壳体等组成，是典型的二阶惯性系统。恒磁通式6.1.1磁电感应式传感器结构、原理根据原理有两种磁电感应式传感器：

恒磁通式:恒定磁场，运动部件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。（a）开磁路（b）闭磁路变磁通式恒磁通式传感器通常用做机械振动测量。动钢型动圈型恒磁通式测振动振动传感器结构大体分两种:①动圈型

永久磁铁与壳固定

②动钢型

线圈与壳体固定6.1.1磁电感应式传感器结构、原理这种惯性式传感器，不需要静止的参考基准，直接安装在被测体上，工作时传感器不需要加电压；线圈随被测物体运动，直接将机械能转换为电能输出，是典型的发电型传感器。1-弹簧片2-阻尼环3-磁铁4-铝支架5-芯轴

6-线圈7-壳体

8-引线动圈式振动速度传感器6.1.1磁电感应式传感器结构、原理变磁通式又称为变磁阻式，线圈、磁铁静止不动，测转速时,转动物体（齿轮的凹凸）引起磁阻或磁通变化。（a）开磁路（b）闭磁路6.1.1磁电感应式传感器结构、原理根据电磁感应定律，线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势的大小与穿过线圈磁通变化率有关。

式中：B磁感应强度，N线圈匝数，

L每匝线圈长度，V运动速度线圈绕组中的感应电势与磁场强度、线圈的匝数、圈数及运动速度有关，感应电动势可以表示为：6.1.1磁电感应式传感器结构、原理灵敏度

为常数

对于结构确定的磁电式传感器，输出正比于振动速度实际输出特性（灵敏度）是不线性的，偏离的原因：振动传感器输出特性超过弹性形变范围输出出现饱和6.1.2磁电感应式传感器基本特性当振动速度很小时（υ<υa），惯性力不足以克服传

感器活动部件的静摩擦力，因此线圈与磁铁不存在相对运动，因此无输出；当υ＞υa超过υb时，惯性力克服静摩擦力，有相对运动，但摩擦阻尼使输出特性非线性；当速度超过υb到达υc时惯性太大超过弹性形变范围，输出出现饱和；这种传感器的输出在很小和很大情况下是非线性的，但实际的工作范围较大，实用性较强。信号输出经测量电路转换可获得位移和加速度磁电传感器根本上是速度传感器，磁铁与线圈之间相对运动时，能量全被弹簧吸收，磁路线圈切割磁力线产生于正比速度的感应电动势，由此输出可直接获得速度信号。永久磁铁与线圈间的相对位移十分接近振动体的绝对位移，相对运动速度就接近振动体的振动速度。6.1.3测量电路

直接输出电动势，测量速度信号；

接入积分电路可测量位移信号；

接入微分电路可测量加速度信号。1.磁电式扭距传感器6.1.4应用圆盘齿引起磁通量变化，在线圈中感应出交流电压；当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1、u2存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比，传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。转轴测量电路磁电传感器1磁电传感器2齿型转盘u1u2uωt信号频率=转数×齿数2.磁电式转速传感器

磁电转速传感器的工作方式转速的单位是转/分钟，所以要再乘以60，才是转速数据，即nz=60×f/N6.1.4应用使探头对准测速齿轮的中部，调节探头与齿顶的距离为1mm。测得的传感器输出信号脉冲的频率就可以计算出测速齿轮的转速。设齿轮齿数为N，脉冲频率为f，转速为：n=f/N在使用60齿的发讯齿轮时就可以得到一个简单的转速公式n=f，可用频率计测量转速。这就是在工业中转速测量中齿轮多为60齿的原因。总结与思考总结磁电感应式传感器结构；磁电感应式传感器原理；磁电感应式传感器基本特性；磁电感应式传感器测量电路及应用；思考复习磁电感应式传感器的相关原理；结合实际，调研磁电感应式传感器的其它应用场景。传感器技术与应用6.2霍尔式传感器霍尔式传感器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。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。霍尔传感器是一种磁敏元件，主要用于磁场检测①利用电磁感应作用的传感器（强磁场测量）

如：磁头、机电设备、测转速、磁性标定；②利用磁敏电阻、二极管、霍尔元件测量磁场；③利用超导效应传感器，SQVID约瑟夫元件；④利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。⑤利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器。磁场强度与磁场源的分布霍尔式传感器测磁的方法：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测到10-6高斯。名称工作原理工作范围主要用途霍尔效应器件霍尔效应10-7～10T磁场测量，位置速度传感器，电流、电压传感半导体磁敏电阻磁阻效应10-3～1T旋转和角度测量磁敏二极管电流的磁场调制10-6～10T位置、速度、电流、电压传感磁敏晶体管集电极（或漏极）电流的磁场调制10-6～10T位置、速度、电流、电压传感载流子畴器件载流子畴磁场调制10-6～1T磁强计金属膜磁敏电阻器磁敏电阻的各向异性10-3～10-2T磁读头、旋转编码器巨磁电阻器磁耦合多层膜或自旋阀10-3～10-2T高密度磁读头非金属磁传感器磁率10-9～10-3T磁读头、旋转编码器巨磁阻抗传感器巨磁阻抗或巨磁感应10-10～10-4T旋转、位置，大电流传感磁性温度传感器居里点变化-50～250℃热磁开关，温度检测磁致伸缩传感器磁致伸缩效应各种力学量测量主要磁敏元件及磁场强度分布名称工作原理工作范围主要用途磁电感应传感器法拉第电磁感应效应10-3～100T磁场测量及位置速度传感磁通门磁强计材料的B-H饱和特性10-11～10-2T磁场测量核磁共振磁强计核磁共振10-12～10-2T磁场精度测量磁光传感器法拉第或磁致伸缩效应10-10～102T磁场及电流、电压测量超导量子干涉器件约瑟夫逊效应0-14～10-8T生物磁场测量主要磁敏元件及磁场强度分布磁敏传感器磁学量电信号霍尔式传感器霍尔传感器属于半导体磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换原理，是把磁学物理量转换成电信号的传感器。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。霍尔传感器测转速霍尔开关霍尔开关元件用于手机开关霍尔式传感器6.2.1霍尔效应1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传感器基于霍尔效应磁场强度B的方向改变时霍尔电动势的电压极性也随之改变。6.2.1霍尔效应把一个导体（半导体薄片）两端通以电流，在垂直方向施加磁感强度B的磁场，在导体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UH，这种现象称霍尔效应。霍尔电动势与磁场强度B、电流强度I有关

推导计算后：

与薄片尺寸有关

霍尔灵敏度：与材料有关

霍尔常数：式中：ρ—电阻率、n—电子浓度、μ—电子迁移率

μ=υ/E单位电场强度作用下载流子运动速度。可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比磁场下导体中的电子运动时，因霍尔电势产生霍尔电场，6.2.1霍尔效应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;金属材料因电子浓度n很高，RH

很小，灵敏度低，UH

很小;绝缘材料电阻率ρ很大，但电子迁移率μ很小，不适用；半导体材料电阻率ρ较大，电子迁移率μ适中，非常适于做霍尔元件；半导体中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）;由霍尔灵敏度可见：厚度d越小霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔元件通常做的较薄，近似1微米(d≈1μm)，工作电压很低。

讨论6.2.1霍尔效应霍尔元件外形和符号6.2.2霍尔传感器基本电路霍尔晶体的外形为矩形薄片，有四根引线，两端加激励，两端为输出，RL为负载电阻；电源E通过Rp

控制激励电流I；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UH与I或B成正比关系，或与I×B成正比关系。6.2.2霍尔传感器基本电路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≠0，这时测得的空载电势称不等位电势U0

。产生的原因：

(1)不等位电势6.2.3霍尔传感器的误差及补偿霍尔引出电极安装不对称，不在同一等位面上，或激励电极接触不良。半导体材料不均匀，几何尺寸不均匀，造成电阻率不均匀。

不等位电势的补偿不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出，U0≠0，可在电阻大的桥臂上并联电阻。分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥;不等位电势可表示为U0=r0IH,r0为不等位电阻;6.2.3霍尔传感器的误差及补偿霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温度变化时，载流子浓度n、迁移率μ、电阻率ρ，霍尔系数RH都会变化。(2)温度误差及补偿

灵敏度与温度系数关系恒流源补偿：由

UH=KHIB

可见，恒流源I供电可使UH稳定，但灵敏度系数KH=RH/d=ρμ/d也是温度的函数，温度T变化时，灵敏度KH也变化。6.2.3霍尔传感器的误差及补偿总结与思考总结磁敏元件及磁场强度分布；霍尔效应；霍尔传感器基本电路；霍尔传感器的误差及补偿；思考复习霍尔传感器的相关原理；结合实际，调研霍尔传感器的应用场景；传感器技术与应用6.3磁敏元件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。磁敏传感器主要有：

霍尔式磁敏传感器；

磁敏电阻；

磁敏二极管；

磁敏三极管。磁敏元件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，磁场使载流子运动方向的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。磁阻效应表达式为（1）磁阻效应6.3.1磁敏电阻

111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，磁阻效应明显。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扁条长方形，并且磁敏元件需满足。磁阻元件的电阻率与几何尺寸有关6.3.1磁敏电阻L/b<1长方形Lb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。（2）磁敏电阻的输出特性由于磁墨的磁场强度较弱，根据磁阻元件特性需要加偏置磁场，使磁敏电阻工作在线性区域。磁敏电阻电路符号RM6.3.1磁敏电阻无偏置磁场时只能检测磁场不能判别磁性。输出弱磁场时磁阻与磁场关系为：

R=R0（1+MB2）

R0——为零磁场内阻；

M——为零磁场系数；（2）磁敏电阻的输出特性6.3.1磁敏电阻外加偏置磁场时磁阻具有极性，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，这时电阻值的变化为：

R=RB（1+MB）

RB——为加偏置磁场电阻（2）磁敏电阻的输出特性6.3.1磁敏电阻(3)磁敏电阻的应用这种传感器主要用于识别磁性墨水的图形和文字，在自动测量技术中检测微小磁信号，如录音机、录像机的磁带、磁盘；防伪纸币、票据、信用（磁）卡上用的磁性油墨等。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）。6.3.1磁敏电阻这种传感器主要用于识别磁性墨水的图形和文字，在自动测量技术中检测微小磁信号，如录音机、录像机的磁带、磁盘；防伪纸币、票据、信用（磁）卡上用的磁性油墨等。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）。(3)磁敏电阻的应用6.3.1磁敏电阻

器件特点：长“基区”P-I为掺杂区，本征区I长度较长构成高阻半导体；磁敏二极管在长“基区”的一侧面设置了复合区r，r面是个粗糙面，载流子复合速度非常高；r区对面是复合率很小的光滑面，载流子不易复合。（1）磁敏二极管（锗管2ACM，硅管2DCM）6.3.2磁敏晶体管在磁场作用下，磁敏二极管具有磁灵敏度。输出电压与外加磁场的关系叫磁敏二极管的磁—电特性，磁敏二极管具有正反磁灵敏度，这是磁阻元件欠