《磁電式傳感器應(yīng)用》PPT課件.ppt

1、傳感器原理及應(yīng)用,主講人：康朝海,主要內(nèi)容： 4.1 磁電感應(yīng)式傳感器 4.2 霍爾式傳感器 4.3 磁敏傳感器,傳感器基礎(chǔ),第4章磁電式傳感器,概述,磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將運(yùn)動(dòng)速度、位移等物理量轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出。工作時(shí)不需要外加電源，可直接將被測(cè)物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電量輸出。是典型的有源傳感器。 特點(diǎn)：輸出功率大，穩(wěn)定可靠，可簡(jiǎn)化二次儀表，但頻率響應(yīng)低。通常在10100HZ適合作機(jī)械振動(dòng)測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)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(zhuǎn)換原理，磁敏傳感器是把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，磁敏元件得到應(yīng)用和發(fā)展，廣泛

2、用于自動(dòng)控制、信息傳遞、電磁場(chǎng)、生物醫(yī)學(xué)等方面的電磁、壓力、加速度、振動(dòng)測(cè)量。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、動(dòng)態(tài)特性好、壽命長(zhǎng)。,霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速,磁電傳感器,概述,4.1 磁電感應(yīng)式傳感器（電動(dòng)式）,根據(jù)電磁感應(yīng)定律，N匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線，線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e。e的大小與穿過(guò)線圈的磁通變化率有關(guān)。,4.1.1 工作原理,4.1.1 工作原理,根據(jù)以上原理有兩種磁電感應(yīng)式傳感器： 恒磁通式：磁路系統(tǒng)恒定磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)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(dòng)， 轉(zhuǎn)動(dòng)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(shù)),

3、電流靈敏度:,4.1.3 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用,電磁式傳感器通常用來(lái)做機(jī)械振動(dòng)測(cè)量。 振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)大體分兩種： 動(dòng)鋼型（線圈與殼體固定） 動(dòng)圈型（永久磁鐵與殼固定） 磁鐵與線圈之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度接近振動(dòng)速度， 磁路空氣隙中的線圈切割磁力線， 產(chǎn)生于正比振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 。,4.1.3 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用,4.1.3 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用,磁電式振動(dòng)傳感器的特性： 磁電式振動(dòng)傳感器是慣性式傳感器，不需要 靜止的基準(zhǔn)參考，可直接裝在被測(cè)體上。 傳感器是發(fā)電型傳感器，工作時(shí)可不加電壓， 直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。 速度傳感器的輸出電壓正比于速度信號(hào) ， 便于直接放大。 輸出阻抗低，

4、對(duì)后置電路要求低，干擾小。,4.1.3 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用,4.1.3 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用,4.1.3 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用,信號(hào)輸出送測(cè)量電路 接入積分電路測(cè)量位移； 接入微分電路測(cè)量加速度。,4.1.3 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用,積分電路輸出,微分電路輸出,4.2 霍爾式傳感器,實(shí)際應(yīng)用中磁敏元件主要用于檢測(cè)磁場(chǎng)，而與人們相關(guān)的磁場(chǎng)范圍很寬，一般的磁敏傳感器檢測(cè)的最低磁場(chǎng)只能到 高斯。,磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)源的分布,4.2 霍爾式傳感器,測(cè)磁的方法： 利用電磁感應(yīng)作用的傳感器（強(qiáng)磁場(chǎng)）如： 磁頭、機(jī)電設(shè)備、測(cè)轉(zhuǎn)速、磁性標(biāo)定、差動(dòng)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(dǎo)效應(yīng)傳感器，SQVID約瑟夫元件； 利用核磁共振的傳感器，有光激型、質(zhì)子型。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)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(yīng),霍爾傳感器就是基于霍爾效應(yīng)，把一個(gè)導(dǎo)體（半導(dǎo)體薄片）兩端通以控制電流I，在薄片垂直方向施加磁感強(qiáng)度B的磁場(chǎng)，在薄片的另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與控制電流I和磁場(chǎng)強(qiáng)度B的乘積成比例的電動(dòng)勢(shì) 。,通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體） 放在磁場(chǎng)中，電流I與磁 場(chǎng)B方向垂直，在導(dǎo)體另 外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng) 勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效 應(yīng)。,4.2.1 霍爾效應(yīng),在磁場(chǎng)中導(dǎo)體自由電子在磁場(chǎng)的作用下做定向運(yùn)動(dòng)。 每個(gè)電子受洛侖茲力

6、作用被推向?qū)w的另一側(cè)：,霍爾電場(chǎng),霍爾電場(chǎng)作用于電子的力,4.2.1 霍爾效應(yīng),當(dāng)兩作用力相等時(shí)電荷不再向兩邊積累， 達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡：,通過(guò)（半）導(dǎo)體薄片的電流I與載流子濃度n， 電子運(yùn)動(dòng)速度v，薄片橫截面積 b*d 有關(guān)：,霍爾電勢(shì)：,4.2.1 霍爾效應(yīng),代入后： 霍爾常數(shù) 與材料有關(guān) 霍爾靈敏度 與薄片尺寸有關(guān),4.2.1 霍爾效應(yīng),討論： 任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，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(dǎo)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(dǎo)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(lì)兩端為輸出； 電源E，控制電流I； 負(fù)載RL，R可調(diào)保證控制電流， B磁場(chǎng)與元件面垂直（向里）。 實(shí)測(cè)中可把I*B作輸入， 也可把I或B單獨(dú)做輸入。 通過(guò)霍爾電勢(shì)輸出測(cè)量結(jié)果。 輸出Uo與I或B成正比關(guān)系。,4.2.3 霍爾傳感器的誤差及補(bǔ)償 (1)不等位電勢(shì),當(dāng)霍爾元件通以激勵(lì)電流I時(shí)，若磁場(chǎng)B=0，理論上霍爾電勢(shì)UH=0,但實(shí)際UH不等于0，這時(shí)測(cè)得的空載電勢(shì)稱不等位電勢(shì)U0。產(chǎn)生的原因：,霍爾引出電極安裝不對(duì)稱,半導(dǎo)體材料不均勻,不等

8、位電勢(shì)的補(bǔ)償,4.2.3 霍爾傳感器的誤差及補(bǔ)償 (1)不等位電勢(shì),4.2.3 霍爾傳感器的誤差及補(bǔ)償 (2)溫度誤差及補(bǔ)償,霍爾元件是半導(dǎo)體元件，它的許多參數(shù)與溫度有關(guān)。當(dāng)溫度T變化時(shí)，載流子濃度n、遷移率、電阻率，霍爾系數(shù)RH 都會(huì)變化。以下是幾種補(bǔ)償方法： 恒流源補(bǔ)償： 由 UH=KHIB 可見恒流源供電可使UH穩(wěn)定但靈敏度系數(shù) KH = RH/d = /d也是溫度的函數(shù)：,具體補(bǔ)償方法: 在霍爾元件上并聯(lián)一Rp分流， 當(dāng)T增大時(shí)Ri增大UH 增大 IH 減小Ip增大UH 下降， Rp 自動(dòng)加強(qiáng)分流，使Ip 增大 IH 下降UH下降,補(bǔ)償電阻 Rp可選擇負(fù)溫度系數(shù).,4.2.3 霍爾傳感

9、器的誤差及補(bǔ)償 (2)溫度誤差及補(bǔ)償,4.2.4 霍爾傳感器的應(yīng)用,霍爾元件符號(hào),4.2.4 霍爾傳感器的應(yīng)用,(1)位移測(cè)量 (2)測(cè)轉(zhuǎn)速 (3)計(jì)數(shù)裝置(導(dǎo)磁產(chǎn)品),檢缺口、檢齒,磁 場(chǎng) 測(cè) 量,轉(zhuǎn) 速 測(cè) 量,4.2.4 霍爾傳感器的應(yīng)用,霍爾傳感器位移測(cè)量原理,4.2.4 霍爾傳感器的應(yīng)用,霍爾壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理,4.2.4 霍爾傳感器的應(yīng)用,霍 爾 元 件 和 磁 體 運(yùn) 動(dòng) 方 式,4.2.4 霍爾傳感器的應(yīng)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(cè)位移、測(cè)振動(dòng)),4.2.5 霍爾集成傳感器,開關(guān)集成器件(測(cè)轉(zhuǎn)速、開關(guān)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(diǎn), 作無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)時(shí)可防止干擾引起的誤動(dòng)作 。,形成切換回差,4.2.5 霍爾集成傳感器,霍爾開關(guān)元件性能演示動(dòng)畫,4.2.5 霍爾集成傳感器,2 應(yīng)用 ：無(wú)觸點(diǎn)開關(guān),4.2.5 霍爾集成傳感器,2 應(yīng)用 ：天然氣點(diǎn)火電路,4.2.5 霍爾集成傳感器,2 應(yīng)用 ：接口電路,4.3 磁敏傳感器,磁敏元件也是基于磁電轉(zhuǎn)換原理,60年代西門子公司研制了第一個(gè)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(yīng)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(yīng)：載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中,除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外,導(dǎo)體中載流子因受洛侖茲力作用要發(fā)生偏轉(zhuǎn),載流子運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)使電流路徑變化,起到了加大電阻的作用,磁場(chǎng)越強(qiáng)增大電阻的作用越強(qiáng)。 外加磁場(chǎng)使導(dǎo)體(半導(dǎo)體)電阻隨磁場(chǎng)增加而增大 的現(xiàn)象稱磁阻效應(yīng)。,磁阻效應(yīng)表達(dá)式：,4.3.1 磁敏電阻器,由于霍爾電場(chǎng)作用會(huì)抵消洛倫茲力,磁阻效應(yīng)被大大減弱,但仍然存在。磁阻元件的電阻與形狀有關(guān)：,長(zhǎng)方形樣品 扁條狀長(zhǎng)形 圓盤樣品,4.3.1 磁敏電阻器,長(zhǎng)方形樣品：霍爾電場(chǎng)作用FH,電阻變化很小。 扁條狀長(zhǎng)形：霍爾電勢(shì)EH很小,電流磁場(chǎng)作用偏轉(zhuǎn) 厲害，效應(yīng)明顯。 圓盤樣品：外加磁場(chǎng)時(shí)，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(huì)積累電荷也不會(huì)產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)。 為了消除霍爾電場(chǎng)影響獲得大的磁阻效應(yīng), 一般將磁敏電阻制成圓形或長(zhǎng)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(zhuǎn)換元件,本質(zhì)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(shí)別磁極的能力.,磁敏電阻的輸出特性,4.3.1 磁敏電阻器,無(wú)偏置磁場(chǎng)時(shí),檢測(cè)磁場(chǎng)不能判別磁性； 外加偏置磁場(chǎng)時(shí)，相當(dāng)在檢測(cè)磁場(chǎng)外加了偏置磁場(chǎng)，工作點(diǎn)移到線性區(qū)，磁極性也作為電阻值變化表現(xiàn)出來(lái)。,4.3.1 磁敏電阻器,磁圖形識(shí)別傳感器BS05A1HFAA,檢測(cè)電路，工作電壓5V，輸出0.30.8v，被測(cè)物體3mm，可測(cè)磁性齒輪，磁性墨水，磁性條形碼，磁帶，識(shí)別有機(jī)磁性（自動(dòng)售貨機(jī)）。,磁敏電阻的應(yīng)用,4.3.2 磁敏晶體管 （1）磁敏二極管（鍺管2ACM,硅管2DCM）,特點(diǎn)：長(zhǎng)“基區(qū)”PiN型二極管，PI為摻雜區(qū)， 本征區(qū)I長(zhǎng)度較長(zhǎng)，構(gòu)成高阻半導(dǎo)體； 工作過(guò)程： 磁敏二極管在長(zhǎng)“基區(qū)”的一側(cè)面設(shè)置了復(fù)合區(qū)r， r面是個(gè)粗糙面截流子復(fù)合速度非常高，r區(qū)對(duì)面 是復(fù)合率很小的光滑面。,4.3.1