傳感器_08磁電式傳感器

1、傳感器原理及應(yīng)用2014年5月24日Principles and Applications of Transducer機械與汽車工程學院機械與汽車工程學院 主主 講：黃海鴻講：黃海鴻 電電 郵：郵： 地地 址：機械樓址：機械樓417室室1有源 vs 無源傳感器n傳感器按照能量關(guān)系分類n有源傳感器：傳感器直接由被測對象輸入能量使其工作，屬于能量轉(zhuǎn)換型。如：壓電式傳感器、光電池等。n無源傳感器：傳感器從外部獲得能量使其工作，由被測量的變化控制外部供給能量的變化。由于不能直接轉(zhuǎn)換能量形式，必須通過由外部提供激勵源（電源等），傳感器控制對應(yīng)的輸出值，從而反映被測量的某種特性，屬于能量控制型。如：電阻式

2、、電感式等。I光 P NI IIIII IV2光生伏特效應(yīng)n光線照射半導體的PN結(jié)負極正極IIIIIIIV3光生伏特效應(yīng)n將摻有不同雜質(zhì)的P、N型半導體置于同一塊硅片上，在它們的交界處形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)nP型半導體中有許多帶正電荷的空穴和帶負電荷的電離雜質(zhì)?？昭ㄔ陔妶鲎饔孟驴梢宰杂梢苿樱婋x雜質(zhì)（離子）始終固定不動。N型半導體中有許多負電子和正離子n當P、N型半導體接觸時，在界面附近空穴從P-N區(qū)域擴散，而電子從N-P區(qū)域擴散；空穴和電子相遇而復合，載流子消失。在界面附近的結(jié)區(qū)中，沒有載流子，但分布著帶電的固定離子，該區(qū)域稱為空間電荷區(qū)。正、負離子在界面附近產(chǎn)生電場，阻止載流子進一步

3、擴散，達到平衡，形成耗盡區(qū)小圓圈空穴小黑點電子(a) (b)4光生伏特效應(yīng)n平衡狀態(tài)（無外加電壓）n加正向偏壓：電流從P-N，空穴和電子都向界面運動，空間電荷區(qū)變窄甚至消失，電流通過n加反向偏壓：空穴和電子向反方向運動，空間電荷區(qū)變寬，電流不能通過IIIIII5光電池和光敏二極管的比較n光電池n硅光電池使用一個PN結(jié)。當光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，界面層附近的電子和空穴在復合之前，將通過空間電荷的電場作用被相互分離。在內(nèi)電場作用下，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，使N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P

4、區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢n由于PN結(jié)面積較大，極間電容大，因此頻率特性較差（硅光電池的頻率特性較好）I光 PNmA6光電池和光敏二極管的比較n光電池的光照特性n短路電流與光強基本成線性關(guān)系，而開路電壓與光強成非線性關(guān)系。因此，在作為測量元件時，應(yīng)將其作為電流源使用，而不是電壓源n內(nèi)阻抗無窮大，能夠輸出一定電流信號的電源裝置稱為“電流源”。而當電源內(nèi)阻大于負載阻抗十倍以上時，即可將其視為電流源n內(nèi)阻抗等于零，能夠輸出一定電壓信號的電源裝置稱為“電壓源”。而當電源內(nèi)阻小于負載阻抗十倍以上時，即可將其視為電壓源 L/klx 0.50.40.30.20.100.10.20

5、.30.40.5246810開路電壓開路電壓Uoc /VIsc/mA短路電流短路電流硅光電池的光照特性02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx50 10010005000RL=0不同負載下的光照特性7光電池和光敏二極管的比較n光敏二極管n基本結(jié)構(gòu)也是一個PN結(jié)，在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)n在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，光敏二極管處于截止狀態(tài)n受光照射時，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加。在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，從而使

6、通過PN結(jié)的反向電流大為增加，形成了光電流，光敏二極管處于導通狀態(tài)RL 光PN連接電路8光電池和光敏二極管的比較n光電池 vs 光敏二極管n光敏二極管的PN結(jié)的面積小，因此頻率特性特別好n均應(yīng)用光生伏特效應(yīng)，光照時在PN結(jié)之間產(chǎn)生光生電勢，但光敏二極管的輸出電流普遍比光電池小，一般為幾A到幾十An光電池相當于一個大面積的光敏二極管n光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用硅光電池在光照下可以輸出一定的電能(開路電壓約為0.50.6V，短路電流約為0.1A)光敏二極管主要是用光來控制電流（利用光對PN結(jié)反向電流的調(diào)制作用），本身幾乎不發(fā)電 9第八章 磁電式傳感器n以電磁感應(yīng)原理為基

7、礎(chǔ)，以霍爾效應(yīng)、壓磁效應(yīng)或動生電動勢為依據(jù)，將磁信號轉(zhuǎn)變成電信號的器件n測量對象：電流、磁場、位移、壓力、壓差、轉(zhuǎn)速等物理量n第一節(jié) 霍爾傳感器n第二節(jié) 磁電感應(yīng)式傳感器108.1 霍爾傳感器n利用半導體材料的霍爾效應(yīng)進行測量的一種傳感器。它可以直接測量磁場及微位移量，也可以間接測量液位、壓力等工業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)n霍爾效應(yīng)n在置于磁場的導體或半導體中通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上產(chǎn)生電勢差(a) 無外加磁場 (b) 加垂直于半導體的磁場118.1 霍爾傳感器n產(chǎn)生的霍爾電勢EH與作用于半導體薄片上的磁場強度B之間的關(guān)系為： EH = KH IB 式中，I為控制電流；K

8、H為靈敏度系數(shù)n當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在薄片c、d方向的端面之間產(chǎn)生霍爾電勢c cd da ab b128.1 霍爾傳感器n若磁感應(yīng)強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度 時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，此時霍爾電勢為 EH=KHIBcos n霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強度B成正比，且當B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。若所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。138.1 霍爾傳感器n在與磁場垂直的半導體薄片上通以電流I，假設(shè)載流子為電子(如N型半導體材料)，它沿與電流I相反的方

9、向運動。由于洛侖茲力fL的作用，電子將向一側(cè)偏轉(zhuǎn)(如圖中虛線箭頭方向)，并使該側(cè)形成電子的積累。而另一側(cè)形成正電荷積累，于是元件的橫向便形成了電場。n電場力fE阻止電子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當電子所受到的電場力fE與洛侖茲力fL相等時，電子的積累達到動態(tài)平衡。這時在兩端橫面之間建立的電場稱為霍爾電場EH，相應(yīng)的電勢稱為霍爾電勢UH 。148.1 霍爾傳感器n霍爾元件n具有霍爾效應(yīng)的元件稱為霍爾元件，霍爾傳感器是由霍爾元件組成的n霍爾元件由霍爾片、引線和殼體組成n霍爾片是一塊矩形半導體薄片（如：鍺、銻化銦和砷化銦）n在短邊的兩個端面上焊出兩根控制電流端引線1-1，在長邊中點以點焊形式焊出兩根霍爾電勢輸

10、出端引線2-2，焊點要求接觸電阻小n殼體一般為非磁性金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂材料158.1 霍爾傳感器n霍爾電壓UH與材料的性質(zhì)有關(guān)n材料的電阻率、載流子的遷移率大，RH就大。金屬的雖然很大，但很小，故不宜做成元件。在半導體材料中，由于電子的遷移率比空穴的大，且NP，所以霍爾元件一般采用N型半導體材料n霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)n薄片厚度d 愈小，則KH（是霍爾系數(shù)RH與厚度d的比值）愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但d太小，會使元件的輸入、輸出電阻增加n霍爾元件的厚度一般在0.2mm左右168.1 霍爾傳感器n霍爾元件的測量電路n控制電流由電源E供給，R為調(diào)整電阻，以保證元件

11、中得到所需要的控制電流?；魻栞敵龆私迂撦dRL，RL是普通電阻或放大器輸入電阻。n輸出霍爾電壓UH符號測量電路178.1 霍爾傳感器n霍爾元件的電磁特性nUH-I 特性：當磁場恒定時，在一定溫度下測定控制電流I與霍爾電勢UH，可以得到良好的線性關(guān)系。直線斜率稱為控制電流靈敏度KI： KI ( UH / I )B=const KI KH Bn靈敏度KH大的元件，其控制電流靈敏度KI一般也很大。當磁場恒定時，霍爾電勢輸出UH與控制電流I、靈敏度KH成正比。188.1 霍爾傳感器n霍爾元件的電磁特性nUH-B 特性：當控制電流I保持不變時，元件的開路霍爾輸出隨磁場的增加不完全呈線性關(guān)系，而有非線性偏離

12、。n右圖給出了這種偏離程度，從圖中可以看出：銻化銦的霍爾輸出對磁場的線性度不如鍺。n通?；魻栐ぷ髟?.5T（特斯拉）以下時線性度較好。1特斯拉104高斯地磁場約為零點幾高斯198.1 霍爾傳感器n霍爾元件的應(yīng)用n根據(jù)霍爾輸出與控制電流I和磁感應(yīng)強度B的乘積成正比的關(guān)系，大致有三類用途：n保持控制電流恒定，此時元件的輸出正比于磁感應(yīng)強度，因此可用于測定恒定和交變磁場強度，如高斯計等n保持元件感受的磁感應(yīng)強度不變，此時元件的輸出與控制電流成正比，該方面的應(yīng)用包括測量交、直流的電流表、電壓表等n當元件的控制電流和磁感應(yīng)強度均變化時，元件輸出與兩者乘積成正比，這方面的應(yīng)用有乘法器、功率計等n此外，

13、在非電量測量技術(shù)領(lǐng)域中，利用霍爾元件可制成位移、壓力、流量等傳感器208.1 霍爾傳感器n霍爾元件的應(yīng)用n用半導體材料制成的霍爾元件具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單而牢靠、成本低廉、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，因此，將其廣泛應(yīng)用于電磁測量、非電量測量、自動控制、計算與通訊裝置中。n主要用途 n測量磁場 n測量半導體特性 n磁流體發(fā)電n電磁無損探傷n霍爾傳感器218.1 霍爾傳感器n高斯計（特斯拉計）n用于測量磁感應(yīng)強度的儀器。高斯計的探頭是一個霍爾元件。高斯計的表盤以磁感應(yīng)強度標記，只要把高斯計插入待測磁場中，便可以讀出磁感應(yīng)強度B。n霍爾元件能測量交、直流磁場，是其最大的優(yōu)

14、點。n如果要求被測磁場精度較高，通常選用砷化鎵霍爾元件，具有較高的靈敏度；如果要求被測磁場精度較低，體積要求不高，可選用硅和鍺霍爾元件。228.1 霍爾傳感器n無損探傷n霍爾效應(yīng)無損探傷方法安全、可靠、實用，并能實現(xiàn)無速度影響檢測，因此，被應(yīng)用在設(shè)備故障診斷、材料缺陷檢測之中。其探傷原理是建立在鐵磁性材料的高磁導率特性之上。采用霍爾元件檢測該泄漏磁場B的信號變化，可以有效地檢測出缺陷存在。n鋼絲繩作為起重、運輸、提升及承載設(shè)備中的重要構(gòu)件，被應(yīng)用于礦山、運輸、建筑、旅游等行業(yè)，但由于使用環(huán)境惡劣，在它表面會產(chǎn)生斷絲、磨損等各種缺陷，所以，及時對鋼絲繩探傷檢測顯得尤為重要。目前，國內(nèi)外公認的最可

15、靠、最實用的方法就是漏磁檢測方法，根據(jù)這一檢測方法設(shè)計的斷絲探傷檢測裝置，如EMTC系列鋼絲繩無損檢測儀。238.1 霍爾傳感器n鋼絲繩檢測儀n俄羅斯INTRON公司生產(chǎn)的鋼絲繩檢測儀MH6-64能非破損地檢測鋼絲繩的金屬截面積損失和局部缺陷，如斷絲、銹坑、壓傷、磨損等。nINTROS鋼絲繩檢測儀采用強磁磁頭磁化鋼絲繩，使其充分磁化。通過內(nèi)部的霍爾元件檢測鋼絲繩外部磁回路的磁力線，檢測得到鋼絲繩任意位置的磁通量和漏磁量。然后通過軟件分析得到想要得到的缺陷圖形。TCKTCK鋼絲繩鋼絲繩探傷儀探傷儀？248.1 霍爾傳感器n霍爾位移傳感器n霍爾電勢UH與位移量x的關(guān)系為： UH K x 式中，K傳

16、感器輸出靈敏度n可見，輸出霍爾電勢與位移量成線性關(guān)系，并且霍爾電勢的極性反映了元件位移的方向。實踐證明，磁場變化率越大，靈敏度越高；磁場變化率越小，則線性度越好。當霍爾元件位于磁鋼中間位置時，即x 0時，UH 0，這是由于在此位置元件同時受到方向相反、大小相等的磁通作用的結(jié)果。n基于霍爾效應(yīng)制成的位移傳感器一般可用來測量12mm的小位移或機械振動，其特點是慣性小，響應(yīng)速度快。258.1 霍爾傳感器n霍爾位移傳感器n用于移動測量和接近檢測器：n(a)在迎面移動工作方式中，移動導致永磁體與檢測器之間距離的變化。如果霍爾傳感器切斷電路起開關(guān)作用，便構(gòu)成了接近檢測器。n(b)在側(cè)移工作方式也用在接近檢

17、測器中。使用接近檢測器的例子包括汽車座位上的安全帶傳感器、安全氣囊彈射傳感器、電動窗傳感器、車門是否關(guān)緊傳感器和冰箱門傳感器。n(c)中若采用切換傳感器，則適于轉(zhuǎn)速測量。26278.1 霍爾傳感器n測量轉(zhuǎn)動n按圖所示的各種方法設(shè)置磁體，將它們和霍爾開關(guān)電路組合起來可以構(gòu)成各種旋轉(zhuǎn)傳感器。霍爾電路通電后，磁體每經(jīng)過霍爾電路一次，便輸出一個電壓脈沖。n由此可對轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、角度、角速度等物理量進行檢測。在轉(zhuǎn)軸上固定一個葉輪和磁體，用流體（氣體、液體）去推動葉輪轉(zhuǎn)動，便可構(gòu)成流速、流量傳感器。在車輪轉(zhuǎn)軸上裝上磁體，在靠近磁體的位置上裝上霍爾開關(guān)電路，可制成車速表，里程表等。(a)徑向磁極 (

18、b)軸向磁極 (c)遮斷式288.1 霍爾傳感器n測量轉(zhuǎn)速n當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空檔對準霍爾元件時，輸出為低電平。298.1 霍爾傳感器n測量轉(zhuǎn)速在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用n帶有微型磁鐵的霍爾傳感器n若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小308.1 霍爾傳感器n汽車無觸點電子點火系統(tǒng)中的應(yīng)用n系統(tǒng)由電源、點火開關(guān)、電子點火模塊、高能點火線圈、霍爾式分電器總成、火花塞等部件組成。n霍爾信號發(fā)生器包括：霍爾點火信號傳感器、真空離心點火提前裝置、配電

19、器。n系統(tǒng)工作原理：接通點火開關(guān)ON檔或ST檔，發(fā)動機曲軸帶分電器軸轉(zhuǎn)動時，信號傳感器轉(zhuǎn)子葉片交替穿過霍爾元件氣隙，當轉(zhuǎn)子葉片進入氣隙時，霍爾信號傳感器輸出11.1V11.4V的高電位，高電位信號通過電子點火模塊中的集成電路導通飽和，接通點火線圈初級電流，點火線圈鐵芯儲存磁場能；當轉(zhuǎn)子葉片離開霍爾元件間隙時，霍爾信號傳感器輸出0.3V0.4V的低電位，低電位信號通過電子點火模塊使大功率三極管截止初級電流。驟然消失使次級感應(yīng)出大于20000V高壓電，配電器將高壓電按點火順序準時地送給各工作缸火花塞跳頭。318.1 霍爾傳感器n汽車無觸點電子點火系統(tǒng)中的應(yīng)用n當轉(zhuǎn)子葉片進入永久磁鐵與霍爾觸發(fā)器3之

20、間時，磁力線被轉(zhuǎn)子葉片旁路，不能作用到霍爾觸發(fā)器上；隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，當缺口部分處于磁通和觸發(fā)器之間時，磁力線穿過缺口，霍爾元件輸出霍爾電壓。發(fā)動機工作時，轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的缺口在磁鐵和觸發(fā)器之間交替穿過，產(chǎn)生變化的電壓信號，經(jīng)處理成方波信號輸入到點火控制電路，控制點火系統(tǒng)工作。1 火花塞；2 分電器；3 點火信號發(fā)生器；4 點火控制器；5 點火線圈；6 點火開關(guān)；7 蓄電池328.1 霍爾傳感器n霍爾電流傳感器nYDG-HSD型磁平衡式霍爾電流傳感器，是一種利用霍爾效應(yīng)，采用磁補償原理，原邊與副邊高度電隔離，副邊真實反映被測直流、交流、脈動電流等原邊波形的傳感器。n可以實現(xiàn)電流的“無電位”檢測

21、。即測量電路不必接入被測電路即可實現(xiàn)電流檢測，它們靠磁場進行耦合。因此，檢測電路的輸入、輸出電路是完全電隔離的。338.1 霍爾傳感器n鉗形電流表（交、直流兩用）n測量線路的電流，檢查電機是否過載或堵轉(zhuǎn)鐵芯霍爾元件張建軍，等“直流數(shù)字鉗形電流表的研究”工業(yè)儀表與自動化裝置，2000，（2）：56-58348.1 霍爾傳感器n霍爾接近開關(guān)n當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作?；魻柦咏_關(guān)一般還配備一塊釹鐵硼磁鐵。35思考題n某霍爾壓力計彈簧管最大位移某霍爾壓力計彈簧管最大位移1.5mm，控制電流，控制電流I = 10 mA，要求變送器輸出電動勢，要求變送器輸出電動勢20mV，選用，選用HZ-3霍爾片，其靈敏度系數(shù)霍爾片，其靈敏度系數(shù)KH = 1.2mV/(mA.T)。求所要求線性磁場梯度至少多大？求所要求線性磁場梯度至少多大？368.2 磁電感應(yīng)式傳感器n測量原理n應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，當導體和磁場發(fā)生相對運動、或磁通發(fā)生變化時，將在導體兩端輸出感應(yīng)電動勢，從而將輸入變換成感應(yīng)電勢輸出。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機械能轉(zhuǎn)換成電信號，是一種有源傳感器。n用途n磁電感應(yīng)式傳感器簡稱感應(yīng)式（或電動式）傳感器，它