磁电式传感器课件.pptx

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1、1一、工作原理 根据电磁感应定律，当w 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 e与磁通变化率d/dtd/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第1页/共45页2（一）恒定磁通磁电式传感器动圈式动圈式动铁式动铁式 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第2页/共45页3恒磁通式磁电传感器的结构原理图第3页/共45页4（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，在运动接而

2、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，因而改变贯穿线圈中，它们改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，在线圈中产生感应电动势。的磁通量，在线圈中产生感应电动势。1 1永久磁铁永久磁铁2 2软铁软铁3 3感应线圈感应线圈4 4齿轮齿轮 第4页/共45页5磁电式传感器1磁敏式传感器2第5页/共45页6测量原理：测量原理：半导体材料中的自由电子及半导体材料中的自由电子及空穴随磁场改变其运动方向。空穴随磁场改变其运动方向。结构结构结型结型体型体型霍尔传感器霍尔传感器磁敏电阻磁敏电阻磁敏二极管磁敏二极管磁敏三极管磁敏三极管磁敏式传感器2第6页/共45页7一、霍尔传感器（一）霍尔效

3、应（一）霍尔效应1.1.1.1.定义定义霍尔：霍尔：1879187918791879年年半导体第7页/共45页8UHbldIFLFEvB2.2.2.2.霍尔电势的产生霍尔电势的产生洛仑兹力洛仑兹力电场力电场力动态平衡动态平衡第8页/共45页9UHbldIFLFEvB动态平衡动态平衡电流电流第9页/共45页10令令霍尔系数设设灵敏度系数霍尔电势霍尔电势3.3.3.3.霍尔系数及灵敏度霍尔系数及灵敏度半导体半导体绝缘体绝缘体 金金 属属第10页/共45页11（二）霍尔元件（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。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

4、体组成霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成输入引线：激励电极输入引线：激励电极输出引线：霍尔电极输出引线：霍尔电极CDAB第11页/共45页131.1.1.1.霍尔元件的电磁特性霍尔元件的电磁特性(1)(1)霍尔输出电势与控制电流之间的关系霍尔输出电势与控制电流之间的关系(2)(2)霍尔输出电势与磁场之间的关系霍尔输出电势与磁场之间的关系(3)(3)霍尔元件的输入霍尔元件的输入R Ri i或输出电阻或输出电阻R R0 0与磁场之间的关系与磁场之间的关系R Ri i 控制电流电极间的电阻控制电流电极间的电阻R R0 0 输出霍尔电势电极间的电阻输出霍尔电势电极间的电阻第13页/共45页142.2

5、.2.2.霍尔元件的测量电路霍尔元件的测量电路（1 1 1 1）基本测量电路基本测量电路输出电势：输出电势：mVmVmVmV量级量级四端器件四端器件第14页/共45页15（2 2 2 2）霍尔电势的输出电路）霍尔电势的输出电路线性测量：比例放大器线性测量：比例放大器线性度好、低噪声放大器线性度好、低噪声放大器开关应用：射极跟随器开关应用：射极跟随器灵敏度高，一般放大器灵敏度高，一般放大器第15页/共45页163.3.3.3.霍尔元件的误差及其补偿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。零位误差。不

6、等位电势不等位电势原因：原因：两个霍尔电极不在同一等两个霍尔电极不在同一等位面上；位面上；材料不均匀。材料不均匀。半导体固有特性半导体固有特性半导体制造工艺缺陷半导体制造工艺缺陷零位误差零位误差温度误差温度误差(1)(1)(1)(1)零位误差及补偿零位误差及补偿第16页/共45页17（a a）（b b）（c c）电桥补偿方法电桥补偿方法第17页/共45页18(2)(2)(2)(2)温度误差及补偿温度误差及补偿电阻率、迁移率、载流子浓度：电阻率、迁移率、载流子浓度：T T T T霍尔元件内阻、霍尔电势：霍尔元件内阻、霍尔电势：T T T T 采用恒流源供电，输入回路并联电阻采用恒流源供电，输入回

7、路并联电阻 霍尔元件的输霍尔元件的输入电阻随温度而变入电阻随温度而变化化第18页/共45页19 利用输出回路的负载进行补偿利用输出回路的负载进行补偿 霍尔元件的输出霍尔元件的输出电阻随温度而改变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。只要补偿电阻选择适当，就可达到温度补偿的目的。第19页/共45页20E E1 1ww3 3E E2 2ww1 1ww2 2R R2 2R R3 3R R4 4R R1 1R Rt tU UHH 实际补偿电路实际补偿电路温度补偿电桥温度补偿电桥W W W W1 1 1 1 的作用的作用第20页/共45页21霍尔元件测量线路集成霍尔传感器（三）集

8、成霍尔传感器（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。第21页/共45页221.1.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）稳压稳压稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器和输出级等部分组成。结构：结构：第22页/共45页23稳压工作原理：工作原理：有磁场：有磁场：U U U UH H H H 开启阈值，高电平，开启阈值，高电平，VTVTVTVT导通导通磁场减弱：磁场减弱：U U U UH H H H 断开阈值，低电平，断开阈值，低电平，VTVTVTVT截止截止开状态开状态关状态关

9、状态 12 12 10 10 8 8 6 6 4 4 2 2 0 0工作特性工作特性 工作点工作点“开开”释放点释放点“关关”磁滞磁滞高高低，开状态低，开状态低低高高，关状态，关状态第23页/共45页24输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系。输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系。结构：霍尔元件、差分放大结构：霍尔元件、差分放大器、稳压、电流放大输出级。器、稳压、电流放大输出级。稳压单端输出：单端输出：SL3501TSL3501TSL3501TSL3501T2.2.2.2.线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器 广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或广泛用于位置、力、重量、厚度、

10、速度、磁场、电流等的测量或控制。控制。第24页/共45页251.1.1.1.霍尔位移传感器霍尔位移传感器磁场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越均匀，输出线性越好磁场梯度越均匀，输出线性越好测量范围：测量范围：1 1 1 12 mm2 mm2 mm2 mm（四）霍尔传感器的应用（四）霍尔传感器的应用第25页/共45页262.2.2.2.磁感应强度测量仪磁感应强度测量仪ASL3501M SL3501M SL3501M SL3501M：霍尔线性集成传感器霍尔线性集成传感器RPRPRPRP1 1 1 1：调整表头量程：调整表头量程RPRPRPRP2 2 2 2：调零：调零C C C

11、 C1 1 1 1 ：低通滤波：低通滤波测量上限：测量上限：0.3 T0.3 T0.3 T0.3 T3.3.3.3.直流功率测量仪直流功率测量仪V第26页/共45页274.4.4.4.转速测量转速测量永磁体安装在轴端永磁体安装在轴端永磁体安装在轴侧永磁体安装在轴侧第27页/共45页285.5.5.5.测量电流测量电流测量大直流电流（测量大直流电流（10kA10kA10kA10kA）：电阻器分流）：电阻器分流霍尔元件测量电流：检测通电导线周围的磁场霍尔元件测量电流：检测通电导线周围的磁场（1 1 1 1）导线旁测法）导线旁测法（2 2 2 2）导线贯穿磁芯法）导线贯穿磁芯法简单、测量精度差、简单

12、、测量精度差、受外界干扰大受外界干扰大环形铁芯集中磁力线，环形铁芯集中磁力线，提高电流测量精度提高电流测量精度第28页/共45页296.6.6.6.自动凭票供水装置自动凭票供水装置控制电路第29页/共45页301.1.1.1.磁阻效应磁阻效应 载流导体置于磁场中，其电阻随磁场而变化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、只有电子导电磁阻效应方程：温度恒定、弱磁场、只有电子导电 磁感应强度为磁感应强度为B B B B时的电阻率时的电阻率 零磁场下的电阻率零磁场下的电阻率 电子迁移率电子迁移率 磁感应强度磁感应强度式中，式中，电阻率变化电阻率变化电阻率相对变化电阻率相

13、对变化磁敏电阻：磁敏电阻：InSbInSbInSbInSb、InAsInAsInAsInAs二、磁敏电阻第30页/共45页31-5 -3 -1 0 1 3 -5 -3 -1 0 1 3 5 5 700700 600600 500500 400400 300300 200200 100100 0 20 40 60 0 20 40 60 8080 150 150 100 100 50 502.2.2.2.磁敏电阻的特性磁敏电阻的特性 磁阻元件的温度特磁阻元件的温度特性不好。在应用时，一性不好。在应用时，一般都要设计温度补偿电般都要设计温度补偿电路。路。磁敏电阻的灵敏度磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的

14、，且受一般是非线性的，且受温度的影响较大。温度的影响较大。第31页/共45页32（一）磁敏二极管1.1.1.1.结构结构PNPN结型的磁电转换元件I I I I 区：高阻本征区区：高阻本征区P P P P、N N N N：重掺杂区：重掺杂区P-I-NP-I-NP-I-NP-I-N结结I I I I 区两侧处理：区两侧处理：光滑：光滑：I I I I 面面打毛：复合面（打毛：复合面（r r r r 面）面）三、磁敏二极管和磁敏三极管第32页/共45页33PNH+电流电流（b）i iPNH-电流电流（c）i iPNH=0电流电流（a）i i电子电子空穴空穴复合区复合区2.2.工作原理磁场磁场H=0

15、H=0H=0H=0：少量电子和空穴少量电子和空穴 在在 I I I I 区、区、r r r r区复合区复合正向磁场正向磁场 H H H H+：电子和空穴偏向电子和空穴偏向 r r r r 区，区，电流因复合增大而减小电流因复合增大而减小反向磁场反向磁场 H-H-H-H-：电子和空穴偏向电子和空穴偏向 I I I I 区，区，电流因复合减少而增大电流因复合减少而增大第33页/共45页34 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H=0PNi iH+PNi iH-PNi i第34页/共45页35 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9根据某一电压下的电流值可确

16、定磁场的大小和方向。根据某一电压下的电流值可确定磁场的大小和方向。（1 1 1 1）伏安特性）伏安特性3.3.主要特性 磁敏二极管正向偏压和磁敏二极管正向偏压和通过其上电流的关系。通过其上电流的关系。不同磁场强度不同磁场强度H H作用作用下，磁敏二极管伏安特性下，磁敏二极管伏安特性不同。不同。第35页/共45页36（2 2 2 2）磁电特性）磁电特性-0.1 0.1 0.2 0.3 -0.1 0.1 0.2 0.3 0.40.42.02.01.5 1.5 1.01.00.50.5 0 0-0.50.5-1.01.0（3 3 3 3）温度特性）温度特性 -40 -20 0 20 40 -40 -

17、20 0 20 40 6060 1.5 1.5 1.0 1.0 0.5 0.5 在给定的条件下，磁敏二在给定的条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加极管输出的电压变化与外加磁场的关系。磁场的关系。输出电压变化量随温度的变化输出电压变化量随温度的变化比较大。比较大。第36页/共45页37（二）磁敏三极管（二）磁敏三极管1.1.1.1.结构结构2.2.2.2.工作原理工作原理复合基区输运基区第37页/共45页38复合基区输运基区复合基区输运基区复合基区输运基区无磁场作用：无磁场作用：e e e e i-b i-b i-b i-b：基极电流：基极电流 输运基区：集电极电流输运基区：集电极电流正向磁场

18、作用：正向磁场作用：载流子偏向发射极一侧，载流子偏向发射极一侧，集电极电流减小集电极电流减小反向磁场作用：反向磁场作用：载流子偏向集电极一侧，载流子偏向集电极一侧，集电极电流增大集电极电流增大第38页/共45页39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。复合基区复合基区复合基区第39页/共45页40（三）（三）应用应用例：漏磁探伤仪例：漏磁探伤仪显示显示仪表仪表激励线圈放大器铁芯钢棒磁敏二极管探头显示显示仪表仪表激励线圈放大器铁芯钢棒裂纹磁敏二极管探头钢棒：转动、磁化钢棒：转动、磁化钢棒：转动、磁化钢棒：转动、磁化无损伤部分：闭合磁路、无泄漏磁

19、通，无输出信号无损伤部分：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裂纹：泄漏磁通、磁敏二极管探头输出信号第40页/共45页411.1.磁电式传感器2.2.磁敏式传感器小结：霍尔传感器霍尔传感器磁敏电阻磁敏电阻磁敏二极管磁敏二极管磁敏三极管磁敏三极管恒磁通式和变磁通式恒磁通式和变磁通式（了解）（重点）理解：工作原理 误差及其补偿了解：结构特性及应用第41页/共45页421.1.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？2.2.已知某霍尔元件尺寸为长L=10mm，宽b=3.5mm，厚d=1mm。沿L 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。求该霍尔元件的灵敏度系数KH和载流子浓度n是多少？作业题：第42页/共45页432.2.霍尔电势的大小与方向和那些因素有关？3.3.总结一下霍尔元件的误差及其补偿的办法。思考题：4.4.简述磁敏二极管和磁敏三极管的工作原理。1.1.磁电式传感器和电感式传感器有哪些不同？第43页/共45页44谢谢！谢谢！第44页/共45页45感谢您的观看！第45页/共45页