傳感器原理及應用-第6章

1、GongguoyouGongguoyouEXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用GongguoyouGongguoyouEXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用第六章第六章作 業(yè)第二版教材第二版教材126-127126-127頁：頁： 練習題：練習題：7-57-5，7-67-6，7-9 7-9 第三版教材第三版教材124124頁：頁： 練習題：練習題：7-57-5，7-67-6，7-9 7-9 GongguoyouGongguoyouEXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第六章 磁電式傳感器 GongguoyouGongguoyouEXITE

2、XITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用6.1 磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器6.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器6.3 磁敏式傳感器磁敏式傳感器6.4 磁電式傳感器應用磁電式傳感器應用 第六章 磁電式傳感器 物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用磁電感應式傳感器：磁電感應式傳感器：利用電利用電磁感應原理將被測量（如振動、磁感應原理將被測量（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的位移、轉速等）轉換成電信號的一種傳感器。一種傳感器。有源傳感器：有源傳感器：不需要輔助電不需要輔助電源，就能把被測對象的機械量轉源，就能把被

3、測對象的機械量轉換成易于測量的電信號。換成易于測量的電信號。特點：特點：輸出功率大，性能穩(wěn)輸出功率大，性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（定，具有一定的工作帶寬（101000 Hz）。）。一、磁電感應式傳感器概述一、磁電感應式傳感器概述6.1 磁電感應式傳感器根據(jù)電磁感應定律，當導體根據(jù)電磁感應定律，當導體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導體內產生的感應方向運動時，導體內產生的感應電勢為電勢為 B穩(wěn)恒均勻磁場的磁感應強穩(wěn)恒均勻磁場的磁感應強度；度；l導體有效長度；導體有效長度；v導體相對導體相對磁場的運動速度。磁場的運動速度。 二、磁電感應式傳感器工作原理二、磁電

4、感應式傳感器工作原理BlvdtdxBtdtdE1 1、恒磁通式工作原理、恒磁通式工作原理變磁通式變磁通式恒磁通式恒磁通式分分類類感生電動勢原理感生電動勢原理動生電動勢原理動生電動勢原理物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用6.1 磁電感應式傳感器磁路系統(tǒng)產生恒定的磁場，磁路系統(tǒng)產生恒定的磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。而氣隙中磁通也是恒定不變的。 二、磁電感應式傳感器工作原理二、磁電感應式傳感器工作原理1 1、恒磁通式工作原理、恒磁通式工作原理彈簧較軟，運動部件

5、質量相彈簧較軟，運動部件質量相對較大。對較大。當殼體隨被測振動體一起振當殼體隨被測振動體一起振動頻率足夠高（遠大于傳感器固動頻率足夠高（遠大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收。簧吸收。永久磁鐵與線圈之間的相永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產生感應電勢。磁力線，從而產生感應電勢。物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作

6、制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用6.1 磁電感應式傳感器當一個當一個W匝線圈相對靜止地處匝線圈相對靜止地處于隨時間變化的磁場中時，設穿過于隨時間變化的磁場中時，設穿過線圈的磁通為線圈的磁通為，則線圈內的感應電，則線圈內的感應電勢勢E與磁通變化率與磁通變化率d/dt關系為關系為二、磁電感應式傳感器工作原理二、磁電感應式傳感器工作原理dtdWE2 2、變磁通式工作原理、變磁通式工作原理1永久磁鐵；永久磁鐵； 2軟磁鐵；軟磁鐵；3感應線圈；感應線圈； 4鐵齒輪；鐵齒輪；開磁路變磁通式：開磁路變磁通式：線圈、磁鐵線圈、磁鐵靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋靜止不動，測量齒輪安裝

7、在被測旋轉體上，隨被測體一起轉動。每轉轉體上，隨被測體一起轉動。每轉動一個齒，齒的凹凸引起磁路磁阻動一個齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產生感應電勢。圈中產生感應電勢。感應電勢變化頻率等感應電勢變化頻率等于被測轉速與測量齒輪上齒于被測轉速與測量齒輪上齒數(shù)的乘積。數(shù)的乘積。這種傳感器結構簡單，這種傳感器結構簡單，但輸出信號較小，不宜測量但輸出信號較小，不宜測量高轉速的場合。高轉速的場合。 物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用6.1 磁電感應式傳感器當測量電路接入磁

8、電傳感器電路時，當測量電路接入磁電傳感器電路時，Rf為測量電路輸入電阻，為測量電路輸入電阻，R為線圈等效電阻，為線圈等效電阻，則磁電傳感器的輸出電流和電壓為則磁電傳感器的輸出電流和電壓為 三、磁電感應式傳感器基本特性三、磁電感應式傳感器基本特性ffofoofofoRRlWvRBRIURRlWvBRREI；1 1、磁電傳感器的靈敏度、磁電傳感器的靈敏度傳感器的輸出電流和電壓靈敏度分別傳感器的輸出電流和電壓靈敏度分別靈敏度為靈敏度為 ffooUfooIRRlWRBvUSRRlWBvIS；靈敏度相對誤差為靈敏度相對誤差為 RdRldlBdBSdSII靈敏度誤差：靈敏度誤差：工作溫度變化、外界磁工作溫

9、度變化、外界磁場干擾、機械振動或沖擊，靈敏度會變化。場干擾、機械振動或沖擊，靈敏度會變化。物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用6.1 磁電感應式傳感器磁電式傳感器產生非線性誤差的主磁電式傳感器產生非線性誤差的主要原因：要原因：電流磁場效應。電流磁場效應。三、磁電感應式傳感器基本特性三、磁電感應式傳感器基本特性2 2、磁電傳感器的非線性誤差、磁電傳感器的非線性誤差傳感器線圈內流過電流時，產生一傳感器線圈內流過電流時，產生一定的交變磁通，疊加在永久磁鐵所產生的定的交變磁通，疊加在永久磁鐵所產生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁

10、通變化。工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化。當傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場當傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場的運動速度增大時，產生的附加磁場方向的運動速度增大時，產生的附加磁場方向與原工作磁場方向相反，減弱了工作磁場與原工作磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用，傳感器的靈敏度隨著被測速度的的作用，傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。增大而降低。傳感器電流的磁場效應傳感器電流的磁場效應 物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用6.1 磁電感應式傳感器三、磁電感應式傳感器基本特性三、磁電感應式傳感器基本特性2 2、磁電傳感器的非

11、線性誤差、磁電傳感器的非線性誤差當線圈的運動速度反向時，感應電當線圈的運動速度反向時，感應電勢、線圈感應電流反向，所產生的附加勢、線圈感應電流反向，所產生的附加磁場方向與工作磁場同向，從而增大了磁場方向與工作磁場同向，從而增大了傳感器的靈敏度。傳感器的靈敏度。因此，線圈運動速度方向不同時，因此，線圈運動速度方向不同時，傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值，使傳傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值，使傳感器輸出基波能量降低，諧波能量增加感器輸出基波能量降低，諧波能量增加, 即這種非線性特性同時伴隨著傳感器輸即這種非線性特性同時伴隨著傳感器輸出的諧波失真。出的諧波失真。 傳感器靈敏度越高，線圈中電流越傳感器靈敏度

12、越高，線圈中電流越大，這種非線性越嚴重。大，這種非線性越嚴重。 傳感器電流的磁場效應傳感器電流的磁場效應 物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用6.1 磁電感應式傳感器三、磁電感應式傳感器基本特性三、磁電感應式傳感器基本特性3 3、磁電傳感器的溫度誤差、磁電傳感器的溫度誤差當溫度變化每攝氏度時，對當溫度變化每攝氏度時，對銅線變化量為銅線變化量為dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-2，dB/B的變化量的變化量決定于永久磁鐵的磁性材料。決定于永久磁鐵的磁性材料。對 鋁 鎳 鈷 永 久 磁 合 金 ，對 鋁

13、鎳 鈷 永 久 磁 合 金 ，dB/B-0.0210-2，靈敏度隨溫度，靈敏度隨溫度變化誤差為變化誤差為這一數(shù)值是很可觀的，需要這一數(shù)值是很可觀的，需要進行溫度補償。進行溫度補償。Ct10%5.4熱磁分流器補償：熱磁分流器補償：熱磁分流器由具有很大負熱磁分流器由具有很大負溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。在正常工作溫度下已將空在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分掉一小部分。當溫氣隙磁通分掉一小部分。當溫度升高時，熱磁分流器的磁導度升高時，熱磁分流器的磁導率顯著下降，經分流掉的磁通率顯著下降，經分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低，從而保持

14、空氣度下顯著降低，從而保持空氣隙的工作磁通不隨溫度變化，隙的工作磁通不隨溫度變化，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。維持傳感器靈敏度為常數(shù)。 物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用四、磁電感應式傳感器測量電路四、磁電感應式傳感器測量電路 6.1 磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器直接輸出電動勢，且通常具有高的靈敏度，磁電感應式傳感器直接輸出電動勢，且通常具有高的靈敏度，一般不需要高增益放大器。一般不需要高增益放大器。磁電感應式傳感器是速度傳感器，若要獲得被測位移或加速度磁電感應式傳感器是速度傳感器，若要獲得被測位移或加速度信號，則

15、需配用積分電路或微分電路。信號，則需配用積分電路或微分電路。物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用6.1 磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器6.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器6.3 磁敏式傳感器磁敏式傳感器6.4 磁電式傳感器應用磁電式傳感器應用 第六章 磁電式傳感器 物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用霍爾：霍爾：1879年年設霍爾元件為設霍爾元件為N型半導體，型半導體，當通電流當通電流I時時FL = qvB一、霍爾效應一、霍爾效應6.2 霍爾

16、式傳感器UHbldIFFvB當電場力與洛侖茲力相等時，當電場力與洛侖茲力相等時，達到動態(tài)平衡，有達到動態(tài)平衡，有qEH=qvB霍爾電場的強度為霍爾電場的強度為EH=vB霍爾電壓霍爾電壓UH可表示為可表示為UH = EH b = vBb流過霍爾元件的電流為流過霍爾元件的電流為I=dQ/dt=bdvnq；v=I/nqbdUH=BI/nqd；若??；若取RH = 1/nq則有則有dIBRUHH物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用RH被定義為霍爾元件的霍爾被定義為霍爾元件的霍爾系數(shù)。系數(shù)。霍爾系數(shù)由半導體材料性質霍爾系數(shù)由半導

17、體材料性質決定，反映材料霍爾效應的強弱。決定，反映材料霍爾效應的強弱。一、霍爾效應一、霍爾效應6.2 霍爾式傳感器UHbldIFFvB霍爾電壓為霍爾電壓為霍爾元件的靈敏度霍爾元件的靈敏度： 一個霍爾元件在單位控制電流一個霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應強度時產生的霍爾電和單位磁感應強度時產生的霍爾電壓的大小。壓的大小。dIBRUHHdRKHHIBKUHHnqRH1nqdKH1KH即為霍爾元件的靈敏度。即為霍爾元件的靈敏度。霍爾電壓與材料的性質有關霍爾電壓與材料的性質有關；與元件的尺寸有關與元件的尺寸有關。物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器

18、原理及應用傳感器原理及應用霍爾元件：霍爾元件：基于霍爾效應工基于霍爾效應工作的半導體器件。作的半導體器件?；魻栐牧希夯魻栐牧希憾嗖捎枚嗖捎肗型型半導體材料。半導體材料?；魻栐M成：霍爾元件組成：霍爾片、四霍爾片、四根引線和殼體。根引線和殼體。二、霍爾元件的結構與特性二、霍爾元件的結構與特性6.2 霍爾式傳感器最常用的霍爾元件材料有：最常用的霍爾元件材料有：鍺鍺(Ge)、硅、硅(Si)、銻化銦、銻化銦(InSb)、砷、砷化銦化銦(InAs)等半導體材料等半導體材料?；魻栐臍んw霍爾元件的殼體：用非導磁：用非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。1 1、霍爾元件的構造

19、、霍爾元件的構造霍爾片是一塊半導體單晶薄片霍爾片是一塊半導體單晶薄片(420.1mm3)，長度方向兩端面，長度方向兩端面上焊有上焊有a、b兩根引線，通常用紅色兩根引線，通常用紅色導線，稱為控制電極；在另兩側端導線，稱為控制電極；在另兩側端面的中間以點的形式對稱地焊有面的中間以點的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導線，稱為霍爾電極。導線，稱為霍爾電極。物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用二、霍爾元件的結構與特性二、霍爾元件的結構與特性6.2 霍爾式傳感器鍺（鍺（Ge）：）：靈

20、敏度低、溫靈敏度低、溫度特性及線性度好。度特性及線性度好。銻化銦銻化銦（InSb）：）：靈敏度靈敏度最高、受溫度影響大。最高、受溫度影響大。1 1、霍爾元件的構造、霍爾元件的構造濺射工藝制作的銻化銦霍爾元件濺射工藝制作的銻化銦霍爾元件輸出1輸出2輸入1輸入2磁性頂端引線襯底霍爾元件霍爾元件霍爾元件電路圖形符號：電路圖形符號： 11 激勵電極激勵電極22 霍爾電極霍爾電極物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用（1）基本連接方式與測量電路）基本連接方式與測量電路二、霍爾元件的結構與特性二、霍爾元件的結構與特性6.2 霍爾式

21、傳感器2 2、霍爾元件的、霍爾元件的測量電路測量電路W1W2UHUH（2）直流供電輸出方式）直流供電輸出方式控制電流端并聯(lián)，輸出電勢兩倍?？刂齐娏鞫瞬⒙?lián)，輸出電勢兩倍。（3）交流供電輸出方式）交流供電輸出方式控制電流端串聯(lián)，繞阻疊加輸出?？刂齐娏鞫舜?lián)，繞阻疊加輸出。WUHRLEBIIBUH物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用（1）額定功耗）額定功耗在環(huán)境溫度在環(huán)境溫度25時，允許通過時，允許通過霍爾元件的電流和電壓的乘積?；魻栐碾娏骱碗妷旱某朔e。二、霍爾元件的結構與特性二、霍爾元件的結構與特性6.2 霍爾式傳感

22、器3 3、霍爾元件的技術參數(shù)霍爾元件的技術參數(shù)（4）霍爾溫度系數(shù)）霍爾溫度系數(shù)在一定的磁感應強度和在一定的磁感應強度和控制電流下，溫度變化控制電流下，溫度變化1時，時，霍爾電勢變化的百分率?；魻栯妱葑兓陌俜致?。（2）輸入電阻和輸出電阻）輸入電阻和輸出電阻輸入電阻：控制電流極之間的輸入電阻：控制電流極之間的電阻。電阻。輸出電阻：霍爾元件電極間的輸出電阻：霍爾元件電極間的電阻。電阻。在無磁場時用歐姆表等測量。在無磁場時用歐姆表等測量。（3）不平衡）不平衡（等位）（等位）電勢電勢在額定控制電流下，不加磁場在額定控制電流下，不加磁場時霍爾電極間的空載霍爾電勢。時霍爾電極間的空載霍爾電勢。)1(tUU

23、HoHt （5）內阻溫度系數(shù)）內阻溫度系數(shù)霍爾元件在無磁場及工霍爾元件在無磁場及工作溫度范圍內，溫度每變化作溫度范圍內，溫度每變化1時，輸入電阻與輸出電阻時，輸入電阻與輸出電阻變化的百分率。變化的百分率。)1(tRRioit )1 (0tRRoot（6）靈敏度）靈敏度物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用霍爾元件不等位電動勢也叫傳霍爾元件不等位電動勢也叫傳感器輸出電壓的零位誤差。感器輸出電壓的零位誤差。三、霍爾元件測量誤差和補償三、霍爾元件測量誤差和補償6.2 霍爾式傳感器1 1、零位誤差零位誤差及補償方法及補償方法A

24、IU0BCDDR1R2R4ABCR3R4不等位電動勢與等效電路不等位電動勢與等效電路電橋補償原理：電橋補償原理：在阻值較大的在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻。橋臂上并聯(lián)電阻。ABCDWABCDWABCDW1R2R4R3RWABCDI物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用溫度影響電阻率、遷移率、載流子溫度影響電阻率、遷移率、載流子濃度，導致霍爾元件內阻、霍爾電勢隨濃度，導致霍爾元件內阻、霍爾電勢隨溫度變化。溫度變化。三、霍爾元件測量誤差和補償三、霍爾元件測量誤差和補償6.2 霍爾式傳感器2 2、溫度誤差及補償方法溫度誤差及補償

25、方法基本電路與等效電路基本電路與等效電路（1）輸入回路串聯(lián)電阻補償）輸入回路串聯(lián)電阻補償EIUHRUHtRt(t)RIUHERi(t)（2）輸出回路負載）輸出回路負載電阻補償電阻補償霍爾元件的輸入采霍爾元件的輸入采用恒流源，使控制電流用恒流源，使控制電流穩(wěn)定不變。穩(wěn)定不變?；倦娐坊倦娐肺锢砜茖W與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用（3）恒流源補償）恒流源補償當負載電阻比霍爾元件輸出電當負載電阻比霍爾元件輸出電阻大得多時，輸出電阻變化對霍爾電阻大得多時，輸出電阻變化對霍爾電壓輸出的影響很小。在這種情況下，壓輸出的影響很小。在

26、這種情況下，可考慮在輸入端采用恒流源補償。輸可考慮在輸入端采用恒流源補償。輸入電阻隨溫度變化而引起控制電流的入電阻隨溫度變化而引起控制電流的變化極小，減少了輸入端溫度影響。變化極小，減少了輸入端溫度影響。三、霍爾元件測量誤差和補償三、霍爾元件測量誤差和補償6.2 霍爾式傳感器2 2、溫度、溫度誤差誤差及補償方法及補償方法（4）熱敏電阻補償）熱敏電阻補償對于用溫度系數(shù)大的半導體材對于用溫度系數(shù)大的半導體材料制成的霍爾元件，常采用熱敏電阻料制成的霍爾元件，常采用熱敏電阻進行補償。進行補償?；魻栞敵鲭S溫度升高而下霍爾輸出隨溫度升高而下降，只要能使控制電流隨溫度降，只要能使控制電流隨溫度升高而上升，就

27、能補償。升高而上升，就能補償。輸入回路補償：輸入回路補償：在輸入回在輸入回路串入熱敏電阻，當溫度上升路串入熱敏電阻，當溫度上升時其阻值下降，從而使控制電時其阻值下降，從而使控制電流上升。流上升。物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用三、霍爾元件測量誤差和補償三、霍爾元件測量誤差和補償6.2 霍爾式傳感器2 2、溫度、溫度誤差誤差及補償方法及補償方法（4）熱敏電阻補償）熱敏電阻補償輸出回路補償：輸出回路補償：在負載在負載RL上的上的霍爾電勢隨溫度上升而下降的量被熱霍爾電勢隨溫度上升而下降的量被熱敏電阻阻值減小所補償。敏電

28、阻阻值減小所補償。實際使用熱敏電阻補償時，熱實際使用熱敏電阻補償時，熱敏電阻最好與霍爾元件封在一起或靠敏電阻最好與霍爾元件封在一起或靠近，溫度變化一致。近，溫度變化一致。（5）電橋補償）電橋補償調節(jié)電位器調節(jié)電位器W1可消除不可消除不等位電勢。電橋由溫度系數(shù)低等位電勢。電橋由溫度系數(shù)低的電阻構成，在某一橋臂電阻的電阻構成，在某一橋臂電阻上并聯(lián)一熱敏電阻。上并聯(lián)一熱敏電阻。物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用（1） 霍爾電壓的溫度穩(wěn)定性好霍爾電壓的溫度穩(wěn)定性好最大優(yōu)點是在恒流工作時溫度最大優(yōu)點是在恒流工作時溫度穩(wěn)定性好

29、，溫度變化穩(wěn)定性好，溫度變化10，輸出電壓，輸出電壓變化不超過變化不超過 -0 .6。（2） 輸出線性好輸出線性好最大誤差只有最大誤差只有2%。完全可以滿。完全可以滿足一般的用途。足一般的用途。（3）靈敏度低）靈敏度低在在500高斯左右開始達到飽和。高斯左右開始達到飽和。 （4）不平衡電壓隨溫度變化大）不平衡電壓隨溫度變化大在弱磁場中在弱磁場中(10高斯以下高斯以下)不如不如InSb霍爾傳感器?；魻杺鞲衅鳌Ｋ?、常用霍爾傳感器四、常用霍爾傳感器GaAsGaAs和和InSbInSb6.2 霍爾式傳感器1 1、GaAsGaAs霍爾傳感器霍爾傳感器物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作

30、制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用InSb霍爾傳感器與霍爾傳感器與GaAs的特性幾的特性幾乎相反。乎相反。（1）不平衡電壓穩(wěn)定性好）不平衡電壓穩(wěn)定性好InSb霍爾傳感器在恒壓工作時不霍爾傳感器在恒壓工作時不平衡電壓的穩(wěn)定性很好，噪音也小，可平衡電壓的穩(wěn)定性很好，噪音也小，可很好地在弱磁場中工作測量。很好地在弱磁場中工作測量。（2）霍爾電壓的溫度穩(wěn)定性不好）霍爾電壓的溫度穩(wěn)定性不好在恒流工作時其溫度系數(shù)最大為在恒流工作時其溫度系數(shù)最大為-2%/，GaAs的的3040倍。倍。為了改善為了改善InSb霍爾傳感器的溫度霍爾傳感器的溫度特性，采用恒壓工作，可降低溫度系數(shù)特性，采

31、用恒壓工作，可降低溫度系數(shù)近近10倍。倍。四、常用霍爾傳感器四、常用霍爾傳感器GaAsGaAs和和InSbInSb6.2 霍爾式傳感器2 2、InSbInSb霍爾傳感器霍爾傳感器（3）InSb霍爾傳感霍爾傳感器的頻率特性不太好器的頻率特性不太好在理論上在理論上GaAs霍爾傳霍爾傳感器的頻帶在兆赫以上，感器的頻帶在兆赫以上，而實際上是達不到的，但而實際上是達不到的，但無論如何也會有無論如何也會有InSb霍爾霍爾傳感器（大約在數(shù)傳感器（大約在數(shù)kHz至至數(shù)十數(shù)十kHz）數(shù)十倍以上的）數(shù)十倍以上的帶寬。帶寬。物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理

32、及應用傳感器原理及應用集成霍爾傳感器：集成霍爾傳感器：利用硅集成利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的霍爾傳感器，取消了傳感器在一起的霍爾傳感器，取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、材料、元件、電路三位一體元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器由于減少了焊集成霍爾傳感器由于減少了焊點，顯著地提高了可靠性，還具有點，顯著地提高了可靠性，還具有體體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，應用，應用越來越廣泛。越來越廣泛。五、集成霍爾傳感器五、集成霍爾傳感器 6.2 霍爾式傳感器1 1、開關型集成霍爾傳感器開

33、關型集成霍爾傳感器霍爾開關電路霍爾開關電路開關型集成霍爾傳感器是把霍開關型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經過處理后輸出一個高爾元件的輸出經過處理后輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號。電平或低電平的數(shù)字信號。 霍爾開關電路又稱霍爾霍爾開關電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸片、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級五部分組成。發(fā)器和輸出級五部分組成。物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用五、集成霍爾傳感器五、集成霍爾傳感器 6.2 霍爾式傳感器2 2、線性集成霍爾傳感器線性集成霍

34、爾傳感器線性集成霍爾傳感器：線性集成霍爾傳感器：霍爾元件與放大線路集成在霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。輸出電壓與一起的傳感器。輸出電壓與外加磁場成線性比例關系。外加磁場成線性比例關系。 一般由霍爾元件、差分一般由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成。四部分組成。線性霍爾集成傳感器廣線性霍爾集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的度、速度、磁場、電流等的測量或控制。測量或控制。物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用6.1 磁電感應式傳

35、感器磁電感應式傳感器6.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器6.3 磁敏式傳感器磁敏式傳感器6.4 磁電式傳感器應用磁電式傳感器應用 第六章 磁電式傳感器 物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用磁阻效應：磁阻效應：當載流體置于磁場當載流體置于磁場中，其電阻會隨磁場而變化的現(xiàn)象。中，其電阻會隨磁場而變化的現(xiàn)象。當溫度恒定時，在磁場中磁阻當溫度恒定時，在磁場中磁阻與磁感應強度與磁感應強度B的平方成正比。的平方成正比。若器件只有在電子參與導電的若器件只有在電子參與導電的情況下，理論推導出來的磁阻效應方情況下，理論推導出來的磁阻效應方

36、程為程為一、磁敏電阻元件一、磁敏電阻元件6.3 磁敏式傳感器圓盤形的磁阻最大。磁敏圓盤形的磁阻最大。磁敏電阻大多做成圓盤結構電阻大多做成圓盤結構。1 1、磁阻效應磁阻效應)273. 01220BB （22220273. 0BKB 遷 移 率 越 高 的 材 料 （ 如遷 移 率 越 高 的 材 料 （ 如InSb、InAs、NiSb等半導體材等半導體材料）磁阻效應越明顯。料）磁阻效應越明顯。從微觀上講，材料的電阻從微觀上講，材料的電阻率增加是因為電流的流動路徑因率增加是因為電流的流動路徑因磁場的作用而加長所致。磁場的作用而加長所致。磁阻效應除與材料有關外，磁阻效應除與材料有關外，還與磁敏電阻的

37、形狀有關。還與磁敏電阻的形狀有關。在恒定磁感應強度下，磁在恒定磁感應強度下，磁敏電阻的長度與寬度的比越小，敏電阻的長度與寬度的比越小，電阻率的相對變化越大。電阻率的相對變化越大。物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用（1）靈敏度特性）靈敏度特性磁敏電阻的靈敏度一般是非線性磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度的影響較大。的，且受溫度的影響較大。一、磁敏電阻元件一、磁敏電阻元件6.3 磁敏式傳感器2 2、磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性磁阻元件的靈敏度特性用在一定磁阻元件的靈敏度特性用在一定磁場強度下的電阻變化率來

38、表示，即磁場強度下的電阻變化率來表示，即磁場磁場電阻變化率特性曲線的斜率。電阻變化率特性曲線的斜率。在運算時常用在運算時常用RB/R0求得，求得， R0表表示無磁場情況下磁阻元件的電阻值，示無磁場情況下磁阻元件的電阻值，RB為施加為施加0.3T磁感應強度時磁阻元件磁感應強度時磁阻元件的電阻值。的電阻值。物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用（2）電阻）電阻 溫度特性溫度特性半導體磁阻元件的溫度特性半導體磁阻元件的溫度特性不好。元件的電阻值在不大的溫度不好。元件的電阻值在不大的溫度變化范圍內減小的很快。變化范圍內減小的很

39、快。因此，在應用時，一般都要因此，在應用時，一般都要設計溫度補償電路。設計溫度補償電路。一、磁敏電阻元件一、磁敏電阻元件6.3 磁敏式傳感器2 2、磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性溫度溫度/電電阻阻/巨磁阻元件巨磁阻元件 物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用磁敏二極管的磁敏二極管的P型和型和N型電極由型電極由高阻材料制成，在高阻材料制成，在P、N之間有一個之間有一個較長的本征區(qū)較長的本征區(qū)I。本征區(qū)。本征區(qū)I的一面磨成的一面磨成光滑的無復合表面（為光滑的無復合表面（為I區(qū)），另一區(qū)），另一面打毛，設置成高復合區(qū)（

40、為面打毛，設置成高復合區(qū)（為r區(qū)），區(qū)），因為電子因為電子空穴對易于在粗糙表面復空穴對易于在粗糙表面復合而消失。合而消失。二、磁敏二極管和三極管二、磁敏二極管和三極管1 1、磁敏二極管磁敏二極管磁敏二極管的符號磁敏二極管的符號基本原理：基本原理：在磁場強度和方向在磁場強度和方向變化下，電子和空穴復合率明顯變化，變化下，電子和空穴復合率明顯變化，導致磁敏二極管的電流發(fā)生變化，實導致磁敏二極管的電流發(fā)生變化，實現(xiàn)磁電轉換?，F(xiàn)磁電轉換。磁敏二極管的結構磁敏二極管的結構6.3 磁敏式傳感器物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用

41、在弱在弱P型或弱型或弱N型本征半導型本征半導體上用合金法或擴散法形成發(fā)體上用合金法或擴散法形成發(fā)射極、基極和集電極。射極、基極和集電極。基區(qū)較長。基區(qū)結構類似磁基區(qū)較長。基區(qū)結構類似磁敏二極管，有高復合速率的敏二極管，有高復合速率的r區(qū)區(qū)和本征和本征I區(qū)。長基區(qū)分為運輸基區(qū)。長基區(qū)分為運輸基區(qū)和復合基區(qū)。區(qū)和復合基區(qū)。二、磁敏二極管和三極管二、磁敏二極管和三極管2 2、磁敏磁敏三三極管極管基本原理：基本原理：在正、反向磁場在正、反向磁場作用下，磁敏三極管集電極電作用下，磁敏三極管集電極電流出現(xiàn)明顯變化。流出現(xiàn)明顯變化。磁敏三極管可測量弱磁場、磁敏三極管可測量弱磁場、電流、轉速、位移等物理量。電

42、流、轉速、位移等物理量。磁敏三極管的結構磁敏三極管的結構6.3 磁敏式傳感器磁敏三極磁敏三極管的符號管的符號物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用6.1 磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器6.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器6.3 磁敏式傳感器磁敏式傳感器6.4 磁電式傳感器應用磁電式傳感器應用 第六章 磁電式傳感器 物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用在驅動源和負載之在驅動源和負載之間的扭轉軸的兩側安裝間的扭轉軸的兩側安裝有齒形圓盤。磁電傳感有齒

43、形圓盤。磁電傳感器的檢測元件部分由永器的檢測元件部分由永久磁鐵、感應線圈和鐵久磁鐵、感應線圈和鐵芯組成。芯組成。一、磁電式扭矩傳感器一、磁電式扭矩傳感器6.4 磁電式傳感器應用當齒形圓盤旋轉時，當齒形圓盤旋轉時，圓盤齒凸凹引起磁路氣圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變化，在線圈中感隙的變化，在線圈中感應出交流電壓，應出交流電壓， 其頻率其頻率在數(shù)值上等于圓盤上齒在數(shù)值上等于圓盤上齒數(shù)與轉數(shù)的乘積。數(shù)與轉數(shù)的乘積。物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用檢測磁場是霍爾式傳感器檢測磁場是霍爾式傳感器最典型的應用之一。最典型的應用之一。

44、霍爾器件做成各種形式的霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，使磁探頭，放在被測磁場中，使磁力線和器件表面垂直，通電后力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測磁場的磁感應即可輸出與被測磁場的磁感應強度成線性正比的電壓。強度成線性正比的電壓。二、霍爾元件檢測磁場二、霍爾元件檢測磁場6.4 磁電式傳感器應用電位差計電位差計mAESNR霍爾磁敏傳感器測磁場原理霍爾磁敏傳感器測磁場原理3411CMSL3501A1RP2RP1R2R4720k10p1000S5678物理科學與技術學院物理科學與技術學院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用霍爾元件置于磁場中，左半部磁霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向