傳感器課件：第6章 磁敏式傳感器

第6章磁敏式傳感器6.1磁電感應式傳感器16.2霍爾式傳感器6.3磁敏電阻器36.4磁敏式傳感器的應用42

磁敏式傳感器是通過磁電作用將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。磁敏式傳感器種類不同，其原理也不完全相同，因此各有各的特點和應用范圍。

概述

霍爾傳感器為載流半導體在磁場中有電磁效應（霍爾效應）而輸出電動勢的一種傳感器。

置于磁場中的靜止載流導體，當它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應，該電勢稱霍爾電勢，半導體薄片稱霍爾元件。6.2霍爾傳感器6.2.1霍爾效應及霍爾元件1）霍爾效應圖6-5霍爾效應原理圖6.2霍爾傳感器

導電板中的電流是金屬中自由電子在電場作用下的定向運動。此時，每個電子受洛侖磁力Fm的作用，F(xiàn)m的大小為：

式中：e-電子電荷；v-電子運動平均速度；B-磁場的磁感應強度。

6.2霍爾傳感器

附加內(nèi)電場EH，稱霍爾電場，該電場強度為:

則

6.2霍爾傳感器

◆

若金屬導電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n，電子定向運動平均速度為v，則激勵電流I=nvbd（-e），則: （6-14）將式（6-14）代入式（6-12）得: （6-15）將上式代入式（6-10）得:（6-16）

6.2霍爾傳感器◆式中令RH=-1/（ne），稱之為霍爾常數(shù)，其大小取決于導體載流子密度，則:式中:KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度?！粲墒剑?-17）可見，霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應強度，其靈敏度與霍爾常數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。6.2霍爾傳感器（6-17）◆一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很??；而絕緣材料電阻率極高，但載流子遷移率極低。故只有半導體材料適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有：鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導體材料。其中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度好。書中表6-2為常用國產(chǎn)霍爾元件的技術參數(shù)。6.2霍爾傳感器霍爾元件的結(jié)構很簡

單，它由霍爾片、引

線和殼體組成，如圖

6-6（a）所示?；魻柶?/p>

是一塊矩形半導體單晶薄片，引出四個引線。1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極?；魻栐んw由非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號表示，如圖6-6（b）所示。6.2霍爾傳感器圖6-6霍爾元件2）霍爾元件基本結(jié)構3）霍爾元件基本特性●額定激勵電流和最大允許激勵電流●輸入電阻和輸出電阻●不等位電勢和不等位電阻●寄生直流電勢●霍爾電勢溫度系數(shù)6.2霍爾傳感器圖6-7不等位電阻6.2.2霍爾傳感器的基本電路1）簡單的恒電壓工作電路恒電壓工作電路

如圖6-8所示，是

一種非常簡單的

施加控制電流的

方法。恒電壓工

作電路比較適合于精度要求不是很高的數(shù)字方面的應用，例如錄像機的電動機位置檢測等。6.2霍爾傳感器圖6-8霍爾傳感器的恒電壓工作電路

霍爾效應傳感器的恒電流

工作電路適于高精度測

量，可以充分發(fā)揮霍爾效

應傳感器的性能。在恒電

流工作時輸出特性不受輸

入電阻溫度系數(shù)以及磁阻效應的影響。當然，與恒電壓工作電路相比，某些電路會變得復雜，不過這個問題不那么嚴重?；魻栃獋鞲衅鞯暮汶娏鞴ぷ麟娐啡鐖D6-9所示。6.2霍爾傳感器圖6-9霍爾傳感器的恒電流工作電路2）簡單的恒電流工作電路

6.2霍爾傳感器圖6-10a一個運算放大器構成的差動放大器3）霍爾效應傳感器放大電路基本的差動放大電路◆霍爾效應傳感器的輸出電壓通常只有數(shù)毫伏至數(shù)百毫伏，因而需要有放大電路?；魻栃獋鞲衅魇且环N4端器件，為了消除非磁場因素引入的同向電壓的影響，必須構成差動放大器，如圖6-10。圖6-10b3個運算放大器構成的差動放大器6.2霍爾傳感器6.2.3霍爾元件的補償電路1）霍爾元件不等位電勢補償不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超過霍爾電勢，因而必須采用補償?shù)姆椒?。如圖6-12所示。6.2霍爾傳感器圖6-12不等位電勢補償電路2）霍爾元件溫度補償◆霍爾元件是采用半導體材料制成的，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)?！魹榱藴p小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供電是個有效措施，可以使霍爾電勢穩(wěn)定。但也只能減小由于輸入電阻隨溫度變化而引起的激勵電流I變化所帶來的影響?；魻栐撵`敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，它隨溫度的變化引起霍爾電勢的變化?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的關系可寫成： （6-23）6.2霍爾傳感器式中：

KHO--溫度T0時的KH值；ΔT=T-T0--溫度變化量；α--霍爾電勢溫度系數(shù)?！舨⑶掖蠖鄶?shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值，它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加（1+αΔT）倍。如果，與此同時讓激勵電流I相應地減小，并能保持KHI乘積不變，也就抵消了靈敏系數(shù)KH增加的影響。圖6-13就是按此思路設計的一個既簡單、補償效果又較好的補償電路。電路中用一個分流電阻Rp與霍爾元件的激勵電極相并聯(lián)從而達到補償?shù)哪康摹?/p>

6.2霍爾傳感器◆當霍爾元件選定后，它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)δ及霍爾電勢溫度系數(shù)α是確定值。由式（6-27）即可計算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)β值。為了滿足R0及β兩個條件，分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合，這樣雖然麻煩但效果很好。6.2霍爾傳感器磁敏電阻器是基于磁阻效應的磁敏元件。磁敏電阻是磁阻位移傳感器、無觸點開關等的核心部件。

6.3.1磁阻效應◆當一載流導體置于磁場中，其電阻會隨磁場而變化，這種現(xiàn)象被稱為磁阻效應。當溫度恒定時，在磁場內(nèi)，磁阻和磁感應強度B的平方成正比。理論推導出來的磁阻效應方程為：式中，是磁感應強度為B的電阻率；是零磁場下的電阻率；μ是電子遷移率；B是磁感應強度。6.3磁敏電阻器◆當電阻率的變化為時，則電阻率的相對變化為：◆可以看出，在磁感應強度Ｂ一定時，遷移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半導體材料）磁阻效應越明顯。從微觀上講，材料的電阻率增加是因為電流的流動路徑因磁場的作用而加長所致。6.3磁敏電阻器磁敏二極管和磁敏三極管

磁敏二極管和磁敏三極管是一種PN結(jié)型的新型磁電轉(zhuǎn)換器件，它具有輸出信號大、靈敏度高（約為霍爾元件的數(shù)百至數(shù)千倍）、工作電流小、體積小等特點，在磁場、轉(zhuǎn)速、探傷等檢測與控制中應用廣泛。6.3磁敏電阻器6.4.1非接觸式交流電流檢測器該非接觸式交流電流檢測器使用的是MS-F06型磁敏電阻器，只要將MS-F06型半導體磁敏電阻器靠在電流線上就會得到輸出電壓。MS-F06型磁敏電阻器在35℃時電阻值減小到室溫時的1/2。因此，很少只使用一個磁敏電阻器，而是使用兩個磁敏電阻器，以使其溫度特性能夠得到補償。6.4磁敏式傳感器的應用圖6-17MS-F06型磁敏電阻器的電阻值-磁場特性6.4磁敏式傳感器的應用◆MS-F06型磁敏電阻器的電阻值-磁場特性如圖6-17所示。在磁場強度為0時的電阻值（初始電阻值）為800Ω，MS-F06具有0.075T的偏置磁場。在圖6-17中可以看到，R0.7G=1kΩ，R1.7G=1.5kΩ。即每增加0.0001T的磁場可以使磁敏電阻的電阻值增加到原來的1.5倍。6.4磁敏式傳感器的應用◆圖6-18是MS-F06的溫度特性。圖6-19是MS-F06和銅導線之間的距離與輸出電壓的關系。當它緊貼直徑0.1mm的銅導線時，對應于50Hz的100mA電流，輸出的電壓為0.27mVRMS。圖6-18MS-F06的溫度特性圖6-18MS-F06的間隔特性6.4磁敏式傳感器的應用圖6-20非接觸式電流監(jiān)測器6.4磁敏式傳感器的應用◆圖6-20是利用MS-F06制作的非接觸式電流檢測器的電路圖。20A時磁敏電阻的輸出電壓US為：US=（0.27mV/0.1A）×20A=54mV◆由于是在電力導線外測量，所以其輸出值大約為上述理論值的1/5，即10mV。要想在圖6-20所示電路輸出2V的電壓，放大器U2A的增益應當為200。在電路設計中采取了100~1000倍的可調(diào)方式。6.4磁敏式傳感器的應用6.4.2基于霍爾傳感器的通用型高斯計◆在測量磁通密度的儀器中有一種叫做高斯計。對測量范圍要求如果不過分苛刻的話，在0.2T/2T兩個量程之間相互切換的特拉斯計較易制作，實際電路圖如圖6-21所示。傳感器使用THS103A型GaAs霍爾效應傳感器，采用恒電流工作模式，滿刻度的溫度系數(shù)最大值可以控制在-0.06%/℃，典型值可以控制在-0.03%/℃~-0.04%/℃。TL499A為可變輸出系列的開關調(diào)節(jié)器，其輸出為正10V電壓，LCL7660為