霍尔传感器优秀PPT.ppt
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1、主要内容:主要内容:基本磁学量及测量方法基本磁学量及测量方法磁电感应式传感器磁电感应式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器.第第第第4 4 4 4章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器4.1 基本磁学量及测量方法一、基本磁学量一、基本磁学量磁感应强度磁感应强度B磁场强度磁场强度H磁通磁通 磁化强度磁化强度M4.1 基本磁学量及测量方法基本磁学量及测量方法 磁感应强度磁感应强度B:某处垂直于磁场的某处垂直于磁场的电流元电流元所受的力为该处磁感应强所受的力为该处磁感应强度的大小,即度的大小,即 在国际单位制中在国际单位制中B的单位为的单位为T(特斯拉),即(特斯拉),即在电磁单位制中,
2、在电磁单位制中,B的单位为的单位为GS(高斯),其关系为(高斯),其关系为4.1 基本磁学量及测量方法基本磁学量及测量方法磁场强度磁场强度H 单位点磁荷在所在处受磁场力的大小,单位点磁荷在所在处受磁场力的大小,其方向与正磁荷在该处所受磁场力的方向一样。其方向与正磁荷在该处所受磁场力的方向一样。设点磁极的磁荷为设点磁极的磁荷为 ,它在磁场某处受,它在磁场某处受力为力为F,该处磁场强度为,该处磁场强度为在国际单位制中,在国际单位制中,H的单位为的单位为A/m(安每米)(安每米).在电磁单位制中,在电磁单位制中,H的单位为的单位为Oe(奥斯特),关系为(奥斯特),关系为4.1 基本磁学量及测量方法基
3、本磁学量及测量方法磁通磁通 (磁力线、磁感应线)磁力线、磁感应线)规定穿过某一闭合轮廓界定面规定穿过某一闭合轮廓界定面S的磁感应线的数目为与该面的磁感应线的数目为与该面(或闭合轮廓)相交链的磁通量(或闭合轮廓)相交链的磁通量,其表达式为其表达式为 式中,式中,dS为面积元矢量。为面积元矢量。的正方向与闭合轮廓的绕行方向符合右手的正方向与闭合轮廓的绕行方向符合右手螺旋定则,即与界定面的正法线方向一样。螺旋定则,即与界定面的正法线方向一样。在国际单位制中,磁通的单位为在国际单位制中,磁通的单位为 (),或称),或称Wb(韦伯)。(韦伯)。在电磁单位制中,磁通的单位为在电磁单位制中,磁通的单位为Mx
4、(麦克斯韦),其关系为(麦克斯韦),其关系为4.1 基本磁学量及测量方法基本磁学量及测量方法磁化强度磁化强度M为描述磁介质的磁化状态,磁化强度矢量定义为为描述磁介质的磁化状态,磁化强度矢量定义为单位体积内分子磁矩的矢量和,即单位体积内分子磁矩的矢量和,即式中式中 为体积为体积 内全部分子磁矩的矢量和。内全部分子磁矩的矢量和。在国际单位制中,在国际单位制中,M的单位为的单位为A/m(安每米),其电(安每米),其电磁单位制的关系为磁单位制的关系为4.1 基本磁学量及测量方法基本磁学量及测量方法二、测量方法介绍二、测量方法介绍力和力矩法力和力矩法 利用铁磁体或载流体在磁场利用铁磁体或载流体在磁场中受
5、的力进行测量,是一种经典的测量中受的力进行测量,是一种经典的测量方法。方法。电磁感应法电磁感应法 以法拉第电磁感应定律为基以法拉第电磁感应定律为基础,是一种基本的测量方法。它可用于础,是一种基本的测量方法。它可用于测量直流磁场,沟通磁场和脉冲磁场。测量直流磁场,沟通磁场和脉冲磁场。霍尔效应法霍尔效应法 利用半导体内载流子在磁场利用半导体内载流子在磁场中受力作用进行磁场测量的方法。中受力作用进行磁场测量的方法。磁阻效应法磁阻效应法 利用物质在磁场作用下电阻利用物质在磁场作用下电阻发生变更的特性进行磁场测量的方法。发生变更的特性进行磁场测量的方法。4.1 基本磁学量及测量方法基本磁学量及测量方法磁
6、通门法磁通门法 利用铁磁材料的沟通饱和磁特性对利用铁磁材料的沟通饱和磁特性对恒定磁场进行测量的方法。恒定磁场进行测量的方法。磁共振法磁共振法 利用某些物质在磁场中选择性地吸利用某些物质在磁场中选择性地吸取或辐射确定频率的电磁波,引起微观粒子取或辐射确定频率的电磁波,引起微观粒子(核、电子及原子)的共振跃迁来进行测量的(核、电子及原子)的共振跃迁来进行测量的方法。方法。弱连接超导效应法弱连接超导效应法 利用超导弱连接的磁通量利用超导弱连接的磁通量子化或约瑟夫逊效应制成的磁强计,称为超导子化或约瑟夫逊效应制成的磁强计,称为超导量子干涉仪,是目前世界上最灵敏的磁强计,量子干涉仪,是目前世界上最灵敏的
7、磁强计,主要用于测量微弱磁场。主要用于测量微弱磁场。磁光法磁光法利用传光材料在磁场作用下的法拉第利用传光材料在磁场作用下的法拉第磁光效应和磁致伸缩效应等进行磁场测量的方磁光效应和磁致伸缩效应等进行磁场测量的方法。基于这种方法的光纤传感器具有独特优点,法。基于这种方法的光纤传感器具有独特优点,可用于恶劣环境下的磁场测量可用于恶劣环境下的磁场测量第第第第4 4 4 4章章章章磁磁磁磁电式传感器电式传感器电式传感器电式传感器 磁感强度与磁场源的分布磁感强度与磁场源的分布4.24.2 磁电感应式传感器磁电感应式传感器磁电感应式传感器磁电感应式传感器第第第第4 4 4 4章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器
8、式传感器式传感器式传感器 磁磁磁磁电电电电感感感感应应应应式式式式传传传传感感感感器器器器是是是是利利利利用用用用电电电电磁磁磁磁感感感感应应应应原原原原理理理理,将将将将运运运运动动动动速速速速度度度度、位位位位移移移移等等等等物物物物理理理理量量量量转转转转换换换换成成成成线线线线圈圈圈圈中中中中的的的的感感感感应应应应电电电电动动动动势势势势输输输输出出出出。工工工工作作作作时时时时不不不不须须须须要要要要外外外外加加加加电电电电源源源源,可可可可干干干干脆脆脆脆将将将将被被被被测测测测物物物物体体体体的的的的机机机机械械械械能能能能转换为电量输出。是典型的有源传感器。转换为电量输出。是
9、典型的有源传感器。转换为电量输出。是典型的有源传感器。转换为电量输出。是典型的有源传感器。特特特特点点点点:输输输输出出出出功功功功率率率率大大大大,稳稳稳稳定定定定牢牢牢牢靠靠靠靠,可可可可简简简简化化化化二二二二次次次次仪仪仪仪表表表表,但但但但频频频频率率率率响响响响应应应应低低低低。通通通通常常常常在在在在10100HZ,10100HZ,10100HZ,10100HZ,适适适适合合合合作作作作机机机机械械械械振振振振动动动动测测测测量、转速测量。传感器尺寸大、重。量、转速测量。传感器尺寸大、重。量、转速测量。传感器尺寸大、重。量、转速测量。传感器尺寸大、重。磁电式传感器机机械械能能电电
10、 量量原理原理法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律线圈所交链的磁线圈所交链的磁通通 发生变更时,线圈中将产生感应电动势发生变更时,线圈中将产生感应电动势 第第第第4 4 4 4章章章章磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器4.24.2 磁电感应式传感器磁电感应式传感器磁电感应式传感器磁电感应式传感器l 磁场检测方法磁场检测方法l 1.固定线圈法:用于测交变磁场的探测线圈固固定线圈法:用于测交变磁场的探测线圈固定在被测定在被测 l 磁场中某位置不变。磁场中某位置不变。l2.抛移线圈法抛移线圈法:将线圈从被测场位置快速移动将线圈从被测场位置快速移动到无磁场到无磁场l 处,主要测恒定磁场。
11、处,主要测恒定磁场。l3.旋转线圈法(测量发电机法):适用于测量旋转线圈法(测量发电机法):适用于测量恒定磁场。恒定磁场。第第第第4 4 4 4章章章章磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器4.24.2 磁电感应式传感器磁电感应式传感器磁电感应式传感器磁电感应式传感器4.3 4.3 4.3 4.3 霍尔霍尔霍尔霍尔传传感器感器感器感器 第第4 4章章磁磁电式传感器电式传感器n 磁磁敏敏元元件件基基于于磁磁电电转转换换原原理理,60,60年年头头西西门门子子公公司司研研制制了了第第一一个个磁磁敏敏元元件件,68,68年年索索尼尼公公司司研研制制成成磁敏二极管磁敏二极管,目前磁敏元件应用
12、广泛。目前磁敏元件应用广泛。磁 敏 元 件磁敏传感器主要有:磁敏传感器主要有: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;霍尔式磁敏传感器。霍尔式磁敏传感器。4.3 4.3 4.3 4.3 霍尔霍尔霍尔霍尔传传感器感器感器感器 第第第第4 4 4 4章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 霍霍霍霍尔尔尔尔传传传传感感感感器器器器属属属属于于于于磁磁磁磁敏敏敏敏元元元元件件件件,磁磁磁磁敏敏敏敏元元元元件件件件是是是是基基基基于于于于磁磁磁磁电电电电转转转转换原理,磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。换原理,磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。换原理
13、,磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。换原理,磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。随随随随着着着着半半半半导导导导体体体体技技技技术术术术的的的的发发发发展展展展,磁磁磁磁敏敏敏敏元元元元件件件件得得得得到到到到应应应应用用用用和和和和发发发发展展展展,广广广广泛泛泛泛用用用用于于于于自自自自动动动动限限限限制制制制、信信信信息息息息传传传传递递递递、电电电电磁磁磁磁场场场场、生生生生物物物物医医医医学学学学等等等等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。方面的电磁、压力、加速度、振动测量。方面的电磁、压力、加速度、振动测量。方面的电磁、压力、加速度、振动测量。特点:结构简洁、体积小、动态特性
14、好、寿命长。特点:结构简洁、体积小、动态特性好、寿命长。特点:结构简洁、体积小、动态特性好、寿命长。特点:结构简洁、体积小、动态特性好、寿命长。磁敏传感器磁磁学学量量电电信信号号4.3 4.3 4.3 4.3 霍霍霍霍尔尔式式式式传传感器感器感器感器 4.3.1 4.3.1 4.3.1 4.3.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应第第第第4 4 4 4章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 霍霍尔尔传传感感器器就就是是基基于于霍霍尔尔效效应应,把把一一个个导导体体(半半导导体体薄薄片片)两两端端通通以以控控制制电电流流I I,在在薄薄片片垂垂直直方方向向施施加加磁磁感感强强度
15、度B B的的磁磁场场,在在薄薄片片的的另另外外两两侧侧会会产产生生一一个个与与控控制制电电流流I I和和磁磁场场强强度度B B的的乘乘积积成成比比例例的电动势的电动势 .通通电电的的导导体体(半半导导体体)放放在在磁磁场场中中,电电流流I I与与磁磁场场B B方方向向垂垂直直,在在导导体体另另外外两两侧侧会会产产生生感感应应电电动动势势,这种现象称这种现象称霍尔效应霍尔效应。4.3 4.3 4.3 4.3 霍霍霍霍尔尔式式式式传传感器感器感器感器 4.3.1 4.3.1 4.3.1 4.3.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应第第第第4 4 4 4章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感
16、器式传感器 在磁场中导体自由电子在磁场的作用下做定向运动。在磁场中导体自由电子在磁场的作用下做定向运动。每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧:每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧:霍尔电场霍尔电场霍尔电场作用于电子的力霍尔电场作用于电子的力4.3 4.3 4.3 4.3 霍霍霍霍尔尔式式式式传传感器感器感器感器 4.3.1 4.3.1 4.3.1 4.3.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应第第第第4 4 4 4章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器 当两作用力相等时电荷不再向两边积累,当两作用力相等时电荷不再向两边积累,达到动态平衡:达到动态平衡:通过(半)导体薄片
17、的电流通过(半)导体薄片的电流I与载流子浓度与载流子浓度n,电子运动速度电子运动速度v,薄片横截面积,薄片横截面积 b*d 有关:有关:霍尔电势:霍尔电势:4.3 4.3 4.3 4.3 霍霍霍霍尔尔式式式式传传感器感器感器感器 4.3.1 4.3.1 4.3.1 4.3.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应第第第第4 4 4 4章章章章磁电磁电磁电磁电式传感器式传感器式传感器式传感器霍尔系数灵敏度4.3 4.3 4.3 4.3 霍霍霍霍尔尔式式式式传传感器感器感器感器 4.3.1 4.3.1 4.3.1 4.3.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应第第第第4 4 4 4章章章章磁电式磁电式磁
18、电式磁电式传感器传感器传感器传感器探讨:探讨:任何材料在确定条件下都能产生霍尔电势,但不任何材料在确定条件下都能产生霍尔电势,但不 是都可以制造霍尔元件是都可以制造霍尔元件 绝缘材料电阻率很大,电子迁移率很小,不适用;绝缘材料电阻率很大,电子迁移率很小,不适用;金属材料电子浓度很高,金属材料电子浓度很高,RHRH很小,很小,UHUH很小。很小。半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率,所以半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率,所以 霍尔元件多接受霍尔元件多接受N N型半导体(多电子)。型半导体(多电子)。由上式可见,厚度由上式可见,厚度d d越小,霍尔灵敏度越小,霍尔灵敏度 KH KH 越大,越大
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