磁敏式傳感器課件

磁敏式傳感器固態(tài)傳感器

以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等為敏感材料，在力、磁、熱、光、射線、氣體、濕度等因素作用下引起材料物理特性變化，通過檢測其物理特性變化即可反映被測參數(shù)值。優(yōu)點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡單、小型輕量；動態(tài)響應(yīng)好，輸出為電量；易實(shí)現(xiàn)集成化、多功能化、圖像化、智能化；功耗低，安全可靠。缺點(diǎn)：線性范圍窄、易受溫度影響、參數(shù)離散性大。代表傳感器的重要發(fā)展方向（磁敏、光敏、氣敏、濕敏）磁敏式傳感器磁電式傳感器霍爾傳感器磁敏電阻磁敏二極管、磁敏晶體管種類：變氣隙（磁通）式（變磁阻式），由被測物體運(yùn)動改變磁阻，線圈與磁鐵之間沒有相對運(yùn)動；

恒磁通式（動圈式和動鐵式），線圈與磁鐵之間存在相對運(yùn)動。原理：根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在任何電路或與磁通φ交鏈的w匝線圈中，當(dāng)φ隨時(shí)間變化時(shí)，將感應(yīng)出與磁通變化速率成正比的電壓或電勢：磁電式傳感器例1：閉磁路變磁通式由被測物體運(yùn)動引起磁阻變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。頻數(shù)轉(zhuǎn)速偏心量振動量磁電式傳感器例2：動圈式和動鐵式，線圈和磁鐵間存在相對運(yùn)動。B0——工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；L——每匝線圈平均長度；W——線圈匝數(shù)；v——相對運(yùn)動速度構(gòu)成線速度傳感器磁電式傳感器磁電式傳感器

應(yīng)用測振式傳感器航空發(fā)動機(jī)、各種大型電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、機(jī)床、車輛、軌枕振動臺、化工設(shè)備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等的振動監(jiān)測與研究。

質(zhì)量為m、彈簧剛度為k，阻尼系數(shù)為b的單自由度機(jī)械振動系統(tǒng)，要求選擇較大的質(zhì)量塊m和較小的彈簧常數(shù)k。

磁電式力發(fā)生器與激振器

磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，如果給速度傳感器的線圈輸入電量，那么其輸出量即為機(jī)械量。扭矩測量、流量測量

磁電式傳感器扭矩測量當(dāng)線圈不受扭矩時(shí)，兩線圈輸出信號相同，相位差為零；當(dāng)被測軸感受扭矩時(shí)，軸的兩端產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，因此傳感器輸出的兩個感生電勢將因扭矩而有附加相位差。磁電式檢測頭磁電式檢測頭轉(zhuǎn)軸齒輪液體流動方向由外到內(nèi)磁電式傳感器電磁流量計(jì)——在導(dǎo)電的、非磁性液體外部建立激勵磁場，將產(chǎn)生與磁場和流動方向垂直的電動勢。磁電式傳感器

此方法適用于導(dǎo)電、非磁性液體，輸出與液體密度、溫度、粘滯度等無關(guān)，可用于血液流量測量。

置于磁場中的載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。霍爾式傳感器霍爾式傳感器基本原理載流子在磁場中受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而形成電場E，當(dāng)載流子受到的電場力與洛倫茲力達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)，累積電荷形成穩(wěn)定的電勢UH

。其中——霍爾常數(shù)

——磁場與元件平面法線方向的夾角

d——與磁場方向一致的霍爾元件厚度 由得知，d越小，越大，則感生電動勢越大，故一般霍爾元件是由霍爾系數(shù)很大的N型半導(dǎo)體材料制作的薄片，厚度微米級?；魻柺絺鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)a、a’——激勵電極、控制電極，b、b’——霍爾電極霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。

霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料（高的電阻率和載流子的遷移率）。目前最常用的霍爾元件材料有N型鍺(Ge)、N型硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導(dǎo)體材料。封裝——非磁性金屬、陶瓷、環(huán)氧樹脂?；魻柺絺鞲衅鞯牟牧匣魻柺絺鞲衅鞯臏y量電路

R——調(diào)節(jié)電阻

RL——負(fù)載電阻在實(shí)際使用中，可以把激勵電流I或外磁場感應(yīng)強(qiáng)度B作為輸入信號，而輸出信號正比于I或B，或兩者的乘積?；倦娐坊魻柺絺鞲衅鞯臏y量電路

電磁特性——UH–I特性

直線斜率稱為控制電流靈敏度：控制電流為交流時(shí)頻率可達(dá)幾千兆赫茲，且元件噪音很小。圖中HZ表示鍺霍爾元件霍爾式傳感器的測量電路

電磁特性——UH–B特性

當(dāng)控制電流不變時(shí)，元件開路霍爾電勢隨磁場的增加不完全呈線性關(guān)系，通常在0.5T以下時(shí)線性度較好?；魻栐霓D(zhuǎn)換效率較低，可將幾個霍爾元件的輸出串聯(lián)或采用運(yùn)算放大器放大，以獲得較大的UH。將霍爾元件與放大、整形等電路集成在同一芯片上，具有體積小、靈敏度高、價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)?；魻柺絺鞲衅鞯臏y量電路霍爾集成傳感器有線性型和開關(guān)型兩種。線性型霍爾集成傳感器將霍爾元件、恒流源和線性放大器等集成在一塊芯片上，輸出電壓較高（伏級），使用方便。線性型霍爾式傳感器開關(guān)型霍爾集成傳感器將霍爾元件、穩(wěn)壓器、差分放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在一塊芯片上。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度達(dá)到或超過工作點(diǎn)時(shí)，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出為低電平；當(dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出變?yōu)楦唠娖?。開關(guān)型霍爾式傳感器誤差分析及其補(bǔ)償不等位電勢誤差及其補(bǔ)償B=0，當(dāng)霍爾電極2、2’不在同一等位面上時(shí)，輸出電壓將不為零，補(bǔ)償?shù)哪康氖鞘闺姌蚧謴?fù)平衡，常用的方法是采用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。誤差分析及其補(bǔ)償不等位電勢誤差補(bǔ)償線路誤差分析及其補(bǔ)償

溫度誤差及其補(bǔ)償

霍爾元件對溫度變化十分敏感，設(shè)基準(zhǔn)溫度為T0：溫度上升為T時(shí)：誤差分析及其補(bǔ)償令：整理后得：將上式展開，并略去項(xiàng)，整理后得：

由于霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)和補(bǔ)償電阻溫度系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于霍爾元件內(nèi)阻溫度系數(shù)，即：，當(dāng)元件確定后，可根據(jù)下式確定補(bǔ)償電阻值。應(yīng)用：磁場強(qiáng)度傳感器（高斯計(jì)）；電流、電壓傳感器；位移、壓力、加速度傳感器等。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬、動態(tài)范圍大(輸出電勢變化范圍可達(dá)1000:1)、壽命長等?；魻柺睫D(zhuǎn)速測量傳感器——根據(jù)霍爾傳感器的輸出脈沖數(shù)可計(jì)算出車輪轉(zhuǎn)速霍爾式傳感器的應(yīng)用

霍爾器件在x方向上長度為b，x0是位于氣隙下的初始長度。此傳感器常采用差動結(jié)構(gòu)?；魻柺轿灰苽鞲衅鳓UH0計(jì)數(shù)傳感器霍爾式計(jì)數(shù)傳感器霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾電流傳感器霍爾電壓傳感器

目前汽車中大部分使用的還是接觸型的傳感器，非接觸型傳感器的價(jià)格不占優(yōu)勢，但它卻具有環(huán)保、耐用、抗震、易安裝等接觸型傳感器無法匹敵的優(yōu)點(diǎn)，向非接觸傳感方向發(fā)展將是大勢所趨。在非接觸型傳感器中，憑借著高可靠性等優(yōu)勢，霍爾效應(yīng)傳感器(HallEffectSensor)在汽車領(lǐng)域贏得廣泛的應(yīng)用空間。如檢測齒輪齒速、油門位置、尾氣再循環(huán)閥位置、馬達(dá)與傳動的速度和位置、用于防鎖閘和牽引系統(tǒng)的車輪速度傳感器、腳踏板、座椅安全帶、剎車與離合器的位置、車鎖、車窗及油耗等諸多方面。/ART_8800413543_480501_NT_5b2ad997.HTM

當(dāng)一載流半導(dǎo)體置于磁場中，其電阻值會隨磁場而變化的這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。在磁場作用下，半導(dǎo)體片內(nèi)電流分布是不均勻的，改變磁場的強(qiáng)弱就影響電流密度的分布，故表現(xiàn)為半導(dǎo)體片的電阻變化。式中：ρ0——零磁場時(shí)的電阻率；

Δρ——磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)電阻率的變化量；

K——比例因子；

μ——電子遷移率；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；

L，b——分別為磁敏電阻的長（沿電流方向）和寬；

f(L/b)——形狀效應(yīng)系數(shù)。磁敏電阻磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)及幾何形狀有關(guān)，一般遷移率大的材料，磁阻效應(yīng)愈顯著；元件的長、寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大。與霍爾效應(yīng)的區(qū)別：霍爾電勢是指垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應(yīng)則是沿電流方向的電阻變化。磁阻效應(yīng)磁敏電阻常選用銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）和銻化鈮（NiSb）等半導(dǎo)體材料，在絕緣基片上蒸鍍薄的半導(dǎo)體材料，也可在半導(dǎo)體薄片上光刻或腐蝕成型（柵狀結(jié)構(gòu)）。磁敏電阻的結(jié)構(gòu)和特性主要特性：

磁電特性：當(dāng)B<0.3T時(shí)，電阻的變化率與磁場的平方成正比；當(dāng)B>0.3T時(shí)，成線性關(guān)系。與磁場的正負(fù)無關(guān)；

溫度特性：溫度系數(shù)影響大；

頻率特性：工作頻率范圍大，一般為1~10MHz；磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。磁敏電阻的結(jié)構(gòu)和特性接近開關(guān)和無觸點(diǎn)開關(guān)、計(jì)數(shù)器；無接觸線位移傳感器；力、加速度等參數(shù)的測量；精密傾斜角測量等。R1、R2磁敏電阻位移傳感器磁敏電阻的應(yīng)用

線性、角度、旋轉(zhuǎn)位移傳感器，可以測量磁場強(qiáng)度。磁敏二極管、三極管P型和N型電極由高阻材料制成，I為本征區(qū)。I區(qū)的r面粗糙，設(shè)置成高復(fù)合區(qū)（r區(qū)），目的是使電子－空穴對易于在粗糙表面復(fù)合而消失；另一面比較光滑。磁敏二極管磁場強(qiáng)度的改變引起電流發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。當(dāng)磁敏二極管受到外界磁場H+作用時(shí)，電子和空穴受到洛侖茲力的作用向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，電子和空穴復(fù)合速度加快，所形成的電流減??；當(dāng)磁敏二極管受到外界磁場H－作用時(shí)，電子和空穴受到洛侖茲力的作用向I區(qū)偏轉(zhuǎn)，電子和空穴復(fù)合速度減慢，所形成的電流增大。磁敏二極管工作原理

如果外加正向偏壓，即P區(qū)接正，N區(qū)接負(fù)，那么將會有大量空穴從P區(qū)注入到I區(qū)，同時(shí)也有大量電子從N區(qū)注入到I區(qū)，如將這樣的磁敏三極管置于磁場中，則注入的電子和空穴都要受到洛侖茲力的作用而向一個方向偏轉(zhuǎn)，當(dāng)磁場方向使電子和空穴向r面偏轉(zhuǎn)時(shí)，它們將因復(fù)合而消失，因而電流很??；當(dāng)磁場方向使電子和空穴向光滑面偏轉(zhuǎn)時(shí)它們的復(fù)合率變小，電流就大。磁敏三極管工作原理由此可見，高復(fù)合面與光滑面的復(fù)合率差別愈大，磁敏三極管的靈敏度也就愈高。磁敏三極管在不同的磁場強(qiáng)度和方向下的伏安特性曲線不同。利用這些特性曲線就能根據(jù)某一偏壓下的電流值來確定磁場的大小和方向。

在正反向磁場作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。當(dāng)受到正向磁場(H+)作用時(shí)，載流子向發(fā)射極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流減小。當(dāng)受到負(fù)向磁場(H-)作用時(shí)，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大。(1)靈敏度高，磁敏三極管的靈敏度比霍爾元件高幾百甚至上千倍，而且線路簡單，成本低廉，更適合于測量弱磁場。(2)具有正反磁靈敏度，這一點(diǎn)是磁阻器件所欠缺的。(3)靈敏度與磁場關(guān)系呈線性的范圍比較窄。這一點(diǎn)不如霍爾元件。磁敏三極管