《磁電式傳感器應用》PPT課件.ppt

1、傳感器原理及應用,主講人：康朝海,主要內容： 4.1 磁電感應式傳感器 4.2 霍爾式傳感器 4.3 磁敏傳感器,傳感器基礎,第4章磁電式傳感器,概述,磁電式傳感器是利用電磁感應原理，將運動速度、位移等物理量轉換成線圈中的感應電動勢輸出。工作時不需要外加電源，可直接將被測物體的機械能轉換為電量輸出。是典型的有源傳感器。 特點：輸出功率大，穩(wěn)定可靠，可簡化二次儀表，但頻率響應低。通常在10100HZ適合作機械振動測量、轉速測量。傳感器尺寸大、重。,概述,霍爾傳感器屬于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁電轉換原理，磁敏傳感器是把磁學物理量轉換成電信號。 隨著半導體技術的發(fā)展，磁敏元件得到應用和發(fā)展，廣泛

2、用于自動控制、信息傳遞、電磁場、生物醫(yī)學等方面的電磁、壓力、加速度、振動測量。 特點：結構簡單、體積小、動態(tài)特性好、壽命長。,霍爾傳感器測轉速,磁電傳感器,概述,4.1 磁電感應式傳感器（電動式）,根據電磁感應定律，N匝線圈在磁場中運動切割磁力線，線圈內產生感應電動勢e。e的大小與穿過線圈的磁通變化率有關。,4.1.1 工作原理,4.1.1 工作原理,根據以上原理有兩種磁電感應式傳感器： 恒磁通式：磁路系統恒定磁場運動部件 可以是線圈也可以是磁鐵。 變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動， 轉動物體引起磁阻、磁通變化。,恒磁通式,4.1.2 基本特性,電壓靈敏度：,由 可得； 傳感器靈敏度： (常數),

3、電流靈敏度:,4.1.3 磁電感應式傳感器的應用,電磁式傳感器通常用來做機械振動測量。 振動傳感器結構大體分兩種： 動鋼型（線圈與殼體固定） 動圈型（永久磁鐵與殼固定） 磁鐵與線圈之間相對運動運動速度接近振動速度， 磁路空氣隙中的線圈切割磁力線， 產生于正比振動速度的感應電動勢 。,4.1.3 磁電感應式傳感器的應用,4.1.3 磁電感應式傳感器的應用,磁電式振動傳感器的特性： 磁電式振動傳感器是慣性式傳感器，不需要 靜止的基準參考，可直接裝在被測體上。 傳感器是發(fā)電型傳感器，工作時可不加電壓， 直接將機械能轉化為電能輸出。 速度傳感器的輸出電壓正比于速度信號 ， 便于直接放大。 輸出阻抗低，

4、對后置電路要求低，干擾小。,4.1.3 磁電感應式傳感器的應用,4.1.3 磁電感應式傳感器的應用,4.1.3 磁電感應式傳感器的應用,信號輸出送測量電路 接入積分電路測量位移； 接入微分電路測量加速度。,4.1.3 磁電感應式傳感器的應用,積分電路輸出,微分電路輸出,4.2 霍爾式傳感器,實際應用中磁敏元件主要用于檢測磁場，而與人們相關的磁場范圍很寬，一般的磁敏傳感器檢測的最低磁場只能到 高斯。,磁場強度與磁場源的分布,4.2 霍爾式傳感器,測磁的方法： 利用電磁感應作用的傳感器（強磁場）如： 磁頭、機電設備、測轉速、磁性標定、差動變壓器； 利用磁敏電阻、磁敏二極管、霍爾元件； 利用磁作用傳

5、感器，磁針、表頭、繼電器； 利用超導效應傳感器，SQVID約瑟夫元件； 利用核磁共振的傳感器，有光激型、質子型。 隨著半導體技術的發(fā)展，磁敏傳感器正向薄膜化， 微型化和集成化方向發(fā)展。,4.2.1 霍爾效應,霍爾傳感器就是基于霍爾效應，把一個導體（半導體薄片）兩端通以控制電流I，在薄片垂直方向施加磁感強度B的磁場，在薄片的另外兩側會產生一個與控制電流I和磁場強度B的乘積成比例的電動勢 。,通電的導體（半導體） 放在磁場中，電流I與磁 場B方向垂直，在導體另 外兩側會產生感應電動 勢，這種現象稱霍爾效 應。,4.2.1 霍爾效應,在磁場中導體自由電子在磁場的作用下做定向運動。 每個電子受洛侖茲力

6、作用被推向導體的另一側：,霍爾電場,霍爾電場作用于電子的力,4.2.1 霍爾效應,當兩作用力相等時電荷不再向兩邊積累， 達到動態(tài)平衡：,通過（半）導體薄片的電流I與載流子濃度n， 電子運動速度v，薄片橫截面積 b*d 有關：,霍爾電勢：,4.2.1 霍爾效應,代入后： 霍爾常數 與材料有關 霍爾靈敏度 與薄片尺寸有關,4.2.1 霍爾效應,討論： 任何材料在一定條件下都能產生霍爾電勢，但不 是都可以制造霍爾元件。 絕緣材料電阻率很大，電子遷移率很小，不適用； 金屬材料電子濃度很高，RH很小，UH很小。 半導體電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以 霍爾元件多采用N型半導體（多電子）。 由上式可見

7、，厚度d越小，霍爾靈敏度 KH 越大， 所以霍爾元件做的較薄，通常近似1微米。,4.2.2 霍爾傳感器基本電路,霍爾晶體外形矩形薄片有四根 引線，兩端加激勵兩端為輸出； 電源E，控制電流I； 負載RL，R可調保證控制電流， B磁場與元件面垂直（向里）。 實測中可把I*B作輸入， 也可把I或B單獨做輸入。 通過霍爾電勢輸出測量結果。 輸出Uo與I或B成正比關系。,4.2.3 霍爾傳感器的誤差及補償 (1)不等位電勢,當霍爾元件通以激勵電流I時，若磁場B=0，理論上霍爾電勢UH=0,但實際UH不等于0，這時測得的空載電勢稱不等位電勢U0。產生的原因：,霍爾引出電極安裝不對稱,半導體材料不均勻,不等

8、位電勢的補償,4.2.3 霍爾傳感器的誤差及補償 (1)不等位電勢,4.2.3 霍爾傳感器的誤差及補償 (2)溫度誤差及補償,霍爾元件是半導體元件，它的許多參數與溫度有關。當溫度T變化時，載流子濃度n、遷移率、電阻率，霍爾系數RH 都會變化。以下是幾種補償方法： 恒流源補償： 由 UH=KHIB 可見恒流源供電可使UH穩(wěn)定但靈敏度系數 KH = RH/d = /d也是溫度的函數：,具體補償方法: 在霍爾元件上并聯一Rp分流， 當T增大時Ri增大UH 增大 IH 減小Ip增大UH 下降， Rp 自動加強分流，使Ip 增大 IH 下降UH下降,補償電阻 Rp可選擇負溫度系數.,4.2.3 霍爾傳感

9、器的誤差及補償 (2)溫度誤差及補償,4.2.4 霍爾傳感器的應用,霍爾元件符號,4.2.4 霍爾傳感器的應用,(1)位移測量 (2)測轉速 (3)計數裝置(導磁產品),檢缺口、檢齒,磁 場 測 量,轉 速 測 量,4.2.4 霍爾傳感器的應用,霍爾傳感器位移測量原理,4.2.4 霍爾傳感器的應用,霍爾壓力傳感器結構原理,4.2.4 霍爾傳感器的應用,霍 爾 元 件 和 磁 體 運 動 方 式,4.2.4 霍爾傳感器的應用,4.2.5 霍爾集成傳感器,1 集成霍爾元件,4.2.5 霍爾集成傳感器,線性集成電路(測位移、測振動),4.2.5 霍爾集成傳感器,開關集成器件(測轉速、開關控制、判斷N

10、 S極性) B、B形成切換回差,這是位置式作用傳感器的特點, 作無觸點開關時可防止干擾引起的誤動作 。,形成切換回差,4.2.5 霍爾集成傳感器,霍爾開關元件性能演示動畫,4.2.5 霍爾集成傳感器,2 應用 ：無觸點開關,4.2.5 霍爾集成傳感器,2 應用 ：天然氣點火電路,4.2.5 霍爾集成傳感器,2 應用 ：接口電路,4.3 磁敏傳感器,磁敏元件也是基于磁電轉換原理,60年代西門子公司研制了第一個磁敏元件,68年索尼公司研制成磁敏二極管,目前磁敏元件應用廣泛。,磁 敏 元 件,磁敏傳感器主要有： 磁敏電阻； 磁敏二極管； 磁敏三極管； 霍爾式磁敏傳感器。,4.3.1 磁敏電阻器,磁阻

11、效應：載流導體置于磁場中,除了產生霍爾效應外,導體中載流子因受洛侖茲力作用要發(fā)生偏轉,載流子運動方向偏轉使電流路徑變化,起到了加大電阻的作用,磁場越強增大電阻的作用越強。 外加磁場使導體(半導體)電阻隨磁場增加而增大 的現象稱磁阻效應。,磁阻效應表達式：,4.3.1 磁敏電阻器,由于霍爾電場作用會抵消洛倫茲力,磁阻效應被大大減弱,但仍然存在。磁阻元件的電阻與形狀有關：,長方形樣品 扁條狀長形 圓盤樣品,4.3.1 磁敏電阻器,長方形樣品：霍爾電場作用FH,電阻變化很小。 扁條狀長形：霍爾電勢EH很小,電流磁場作用偏轉 厲害，效應明顯。 圓盤樣品：外加磁場時，電流以螺旋形路徑指向外電 極，路徑增

12、大電阻增加。在圓盤中任何地 方都不會積累電荷也不會產生霍爾電場。 為了消除霍爾電場影響獲得大的磁阻效應, 一般將磁敏電阻制成圓形或長方形。,4.3.1 磁敏電阻器,磁敏電阻與霍爾元件屬同一類,都是磁電轉換元件,本質不同是磁敏電阻沒有判斷極性的能力,只有與輔助材料(磁鐵)并用才具有識別磁極的能力.,磁敏電阻的輸出特性,4.3.1 磁敏電阻器,無偏置磁場時,檢測磁場不能判別磁性； 外加偏置磁場時，相當在檢測磁場外加了偏置磁場，工作點移到線性區(qū)，磁極性也作為電阻值變化表現出來。,4.3.1 磁敏電阻器,磁圖形識別傳感器BS05A1HFAA,檢測電路，工作電壓5V，輸出0.30.8v，被測物體3mm，可測磁性齒輪，磁性墨水，磁性條形碼，磁帶，識別有機磁性（自動售貨機）。,磁敏電阻的應用,4.3.2 磁敏晶體管 （1）磁敏二極管（鍺管2ACM,硅管2DCM）,特點：長“基區(qū)”PiN型二極管，PI為摻雜區(qū)， 本征區(qū)I長度較長，構成高阻半導體； 工作過程： 磁敏二極管在長“基區(qū)”的一側面設置了復合區(qū)r， r面是個粗糙面截流子復合速度非常高，r區(qū)對面 是復合率很小的光滑面。,4.3.1