磁电式传感器课件.ppt

1、1,同学们好！,2,磁电式传感器,1,磁敏式传感器,2,第七章 磁传感器,3,一、工作原理,根据电磁感应定律，当w 匝线圈在恒定磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电势e与磁通变化率d/dt有如下关系：,根据这一原理，可设计成两种结构：,磁电式传感器,1,4,（一）恒定磁通磁电式传感器,这种传感器工作磁场恒定，线圈和磁铁两者间产生相对运动，切割磁场线而产生感应电势。,二、结构与分类,恒磁通式和变磁通式,5,恒磁通式磁电传感器的结构原理图,6,（二）变磁通式磁电式传感器（磁阻式）,线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路的磁阻，因而

2、改变贯穿线圈的磁通量，在线圈中产生感应电动势。,1永久磁铁 2软铁 3感应线圈 4齿轮,7,磁电式传感器,1,磁敏式传感器,2,第七章 磁传感器,8,测量原理：半导体材料中的自由电子及空穴随磁场改变其运动方向。,磁敏式传感器,2,9,一、霍尔传感器,（一）霍尔效应,半导体,10,2. 霍尔电势的产生,洛仑兹力,电场力,动态平衡,11,动态平衡,电流,12,令,霍尔系数,设,灵敏度系数,霍尔电势,3. 霍尔系数及灵敏度,13,（二）霍尔元件,基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件。,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成,输入引线：激励电极 输出引线：霍尔电极,14,霍尔元件的主要技术指标,材料

3、：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟,15,1. 霍尔元件的电磁特性,(1) 霍尔输出电势与控制电流之间的关系,(2) 霍尔输出电势与磁场之间的关系,(3) 霍尔元件的输入Ri或输出电阻R0与磁场之间的关系,Ri 控制电流电极间的电阻,R0 输出霍尔电势电极间的电阻,16,2. 霍尔元件的测量电路,（1） 基本测量电路,输出电势：mV量级,四端器件,17,（2）霍尔电势的输出电路,18,3. 霍尔元件的误差及其补偿,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误差。,不等位电势,原因： 两个霍尔电极不在同一等位面上； 材料不均匀。,半导体固有特性,半导体制造工艺缺陷,零位误差,温度误差

4、,(1) 零位误差及补偿,19,（a）,（b）,（c）,电桥补偿方法,20,(2) 温度误差及补偿, 采用恒流源供电，输入回路并联电阻,霍尔元件的输入电阻随温度而变化,21, 利用输出回路的负载进行补偿,霍尔元件的输出电阻随温度而改变,只要补偿电阻选择适当，就可达到温度补偿的目的。,22, 实际补偿电路,温度补偿电桥,W1 的作用,23,（三）集成霍尔传感器,集成霍尔传感器具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点。,24,1. 开关型集成霍尔传感器,开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。（开关信号）,稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器和输出级

5、等部分组成。,结构：,25,工作原理：,有磁场：UH 开启阈值，高电平，VT导通,磁场减弱：UH 断开阈值，低电平，VT截止,开状态,关状态,工作特性, 工作点“开”, 释放点“关”, 磁滞,高低，开状态,低高，关状态,26,输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系。,结构：霍尔元件、差分放大器、稳压、电流放大输出级。,2. 线性集成霍尔传感器,广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。,27,1. 霍尔位移传感器,磁场梯度越大，灵敏度越高 磁场梯度越均匀，输出线性越好,测量范围：12 mm,（四）霍尔传感器的应用,28,2. 磁感应强度测量仪,3. 直流功率测量仪,29,4.

6、 转速测量,永磁体安装在轴端,永磁体安装在轴侧,30,5. 测量电流,测量大直流电流（10kA）：电阻器分流,霍尔元件测量电流：检测通电导线周围的磁场,简单、测量精度差、 受外界干扰大,环形铁芯集中磁力线， 提高电流测量精度,31,6. 自动凭票供水装置,32,1. 磁阻效应, 载流导体置于磁场中，其电阻随磁场而变化,磁阻效应方程：温度恒定、弱磁场、只有电子导电,磁敏电阻：InSb、InAs,二、磁敏电阻,33,2. 磁敏电阻的特性,磁阻元件的温度特性不好。在应用时，一般都要设计温度补偿电路。,磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响较大。,34,（一）磁敏二极管,1. 结构,I 区：高

7、阻本征区 P、N：重掺杂区,三、磁敏二极管和磁敏三极管,35,2. 工作原理,磁场H = 0： 少量电子和空穴 在 I 区、r区复合,正向磁场 H+ ： 电子和空穴偏向 r 区， 电流因复合增大而减小,反向磁场 H- ： 电子和空穴偏向 I 区， 电流因复合减少而增大,36,磁敏二极管在正、反向磁场作用下，其电流发生变化，于是就实现磁电转换。,磁敏二极管,37,根据某一电压下的电流值可确定磁场的大小和方向。,（1）伏安特性,3. 主要特性,磁敏二极管正向偏压和通过其上电流的关系。,不同磁场强度H作用下，磁敏二极管伏安特性不同。,38,（2）磁电特性,（3）温度特性,在给定的条件下，磁敏二极管输

8、出的电压变化与外加磁场的关系。,输出电压变化量随温度的变化比较大。,39,（二）磁敏三极管,1. 结构,2. 工作原理,40,无磁场作用： e i - b：基极电流 输运基区：集电极电流,正向磁场作用： 载流子偏向发射极一侧， 集电极电流减小,反向磁场作用： 载流子偏向集电极一侧， 集电极电流增大,41,磁敏三级管,磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化，于是就实现磁电转换。,42,（三） 应用,例：漏磁探伤仪,无损伤部分：闭合磁路、无泄漏磁通，无输出信号 裂纹：泄漏磁通、磁敏二极管探头输出信号,43,1.磁电式传感器,2.磁敏式传感器,小结：,恒磁通式和变磁通式,（了解）,（重点）,44,1. 若一个霍尔器件的KH=4mV/(mAkGs)，控制电流I=3mA，将它置于1Gs5KGs变化的磁场中，它输出的霍尔电势范围多大？,2. 已知某霍尔元件尺寸为长L=10mm，宽b=3.5mm，厚d=1mm。沿L方向通以电流I=1.0mA，在垂直于Lb方向上加均匀磁场B=0.3T，输出霍尔电势UH=6.55mV