第07章+磁電式傳感器

第7章磁電式傳感器7.1磁電感應(yīng)式傳感器7.2霍爾式傳感器17.1磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器。由于它輸出功率大，且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），所以得到普遍應(yīng)用。27.1.1磁電感應(yīng)式傳感器工作原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為(7-1)式中:B——穩(wěn)恒均勻磁場的磁感應(yīng)強度；l——導(dǎo)體有效長度；v——導(dǎo)體相對磁場的運動速度。3如果在線圈運動部分的磁場強度B是均勻的，則當線圈與磁場的相對速度為υ時，線圈的感應(yīng)電動勢：α為運動方向與磁場方向間夾角，當α＝90°，線圈的感應(yīng)電動勢為：當N、B和la恒定不變時，E與υ=dx/dt成正比，根據(jù)感應(yīng)電動勢E的大小就可以知道被測速度的大小。上一頁下一頁返回4若線圈作旋轉(zhuǎn)運動，它的工作方式類似于一只發(fā)電機，線圈在磁場中轉(zhuǎn)動的感應(yīng)電勢5若線圈作旋轉(zhuǎn)運動，它的工作方式類似于一只發(fā)電機，線圈在磁場中轉(zhuǎn)動的感應(yīng)電勢為：其中B為磁感應(yīng)強度，A為每匝線圈的平均截面積。6當結(jié)構(gòu)參數(shù)B、l、A、W確定后，那么感應(yīng)電動勢就只是的函數(shù)，且成正比，故可用來測振動和轉(zhuǎn)速。7當一個W匝線圈相對靜止地處于隨時間變化的磁場中時，設(shè)穿過線圈的磁通為φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢e與磁通變化率dφ/dt有如下關(guān)系：根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。(7-2)二、磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)和分類變磁通式恒磁通式分類感生電動勢原理動生電動勢原理8根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為B穩(wěn)恒均勻磁場的磁感應(yīng)強度；l導(dǎo)體有效長度；v導(dǎo)體相對磁場的運動速度。1、恒磁通式工作原理磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式），動圈式（圖7-2（a））和動鐵式（圖7-2(b)）的工作原理是完全相同的。當殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，當振動頻率足夠高（遠大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。恒定磁通式應(yīng)用10圖7-2恒定磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖（a）動圈式；(b)動鐵式11(7-3)式中：B0——工作氣隙磁感應(yīng)強度；l——每匝線圈平均長度；W——線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù)；v——相對運動速度。該電動勢與速度呈一一對應(yīng)關(guān)系，可直接測量速度，經(jīng)過幾分或微分電路便可測量位移或加速度。12三、磁電式傳感器測量電路磁電式傳感器直接輸出電動勢，且通常具有高的靈敏度，一般不需要高增益放大器。磁電式傳感器是速度傳感器，若要獲得被測位移或加速度信號，則需配用積分電路或微分電路。圖7-1（a）為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨被測體一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪上齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。

f=Z·n/60(Z為被測轉(zhuǎn)速，n為齒輪個數(shù))變磁通式

變磁通式又稱為磁阻式，圖7-1是變磁通式磁電傳感器，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。

14圖7-1變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖(a)開磁路；(b)閉磁路f

=

Z·n/60見P87圖7-515圖7-1(b)為閉磁路變磁通式傳感器，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時，外齒輪不動，內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動，內(nèi)、外齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動勢。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。16被測轉(zhuǎn)軸1帶動橢圓形鐵芯2在磁場氣隙中作周期性轉(zhuǎn)動，使氣隙平均長度發(fā)生周期性變化，磁路的磁阻也發(fā)生周期性變化，磁通發(fā)生變化，故線圈3中感應(yīng)電動勢的頻率正比于2的轉(zhuǎn)速。17特點：

傳感器的輸出電勢取決于線圈中磁場變化速度，因而它是與被測速度成一定比例關(guān)系的。當轉(zhuǎn)速太低時，輸出電勢很小，以致無法測量。所以這種傳感器有一個下限工作頻率，一般為50Hz左右，閉磁路轉(zhuǎn)速傳感器的下限頻率可降低到30Hz左右。其上限工作頻率可達100Hz。

187.1.2磁電感應(yīng)式傳感器基本特性當測量電路接入磁電傳感器電路時，如圖7-1所示，磁電傳感器的輸出電流Io為（7-4)式中：Rf——測量電路輸入電阻；

R——線圈等效電阻。傳感器的電流靈敏度為（7-5)19而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為(7-6)(7-7)當傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、受到機械振動或沖擊時，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測量誤差，其相對誤差為(7-8)20電磁流量計工作原理21此式表明：感應(yīng)電勢與流速分布的形態(tài)無關(guān)，對一定的導(dǎo)管直徑和感應(yīng)強度，感應(yīng)電勢取決于瞬時流量。22霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng),但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件,由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。霍爾傳感器廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。

1.霍爾效應(yīng)置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體,當它的電流方向與磁場方向不一致時,載流導(dǎo)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(yīng)。該電勢稱霍爾電勢。第二節(jié)霍爾傳感器2324霍爾：1879年設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體，當通電流I時FL=qvB一、霍爾效應(yīng)UHbldIFFvB當電場力與洛侖茲力相等時，達到動態(tài)平衡，有qEH=qvB霍爾電場的強度為EH=vB霍爾電壓UH可表示為UH=EHb=vBb流過霍爾元件的電流為I=dQ/dt=bdvnq；v=I/nqbdUH=BI/nqd；若取RH=1/nq則有RH被定義為霍爾元件的霍爾系數(shù)。霍爾系數(shù)由半導(dǎo)體材料性質(zhì)決定，反映材料霍爾效應(yīng)的強弱。一、霍爾效應(yīng)UHbldIFFvB霍爾電壓為霍爾元件的靈敏度：

一個霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強度時產(chǎn)生的霍爾電壓的大小。KH即為霍爾元件的靈敏度?；魻栯妷号c材料的性質(zhì)有關(guān)；與元件的尺寸有關(guān)。如果磁場與霍爾元件的法線有的夾角，則金屬材料中自由電子濃度n很高，因此很RH小，使輸出UH很小，不宜作霍爾元件?；魻柺絺鞲衅髦械幕魻栐际怯冒雽?dǎo)體材料制成。27對霍爾片材料的要求,希望有較大的霍爾常數(shù)RH,霍爾元件激勵極間電阻R=ρL/（bd）,同時R=UI/I=EIL/I=vL/（μnevbd）,其中UI為加在霍爾元件兩端的激勵電壓，EI為霍爾元件激勵極間內(nèi)電場，v為電子移動的平均速度。載流子的遷移率（則(9)解得RH=μρ（10）從式（10）可知,霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率μ的乘積。若要霍爾效應(yīng)強,則RH值大,因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。28一般金屬材料載流子遷移率很高,但電阻率很小;而絕緣材料電阻率極高,但載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)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(dǎo)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。表5-1為常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)。29

2.霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單,它由霍爾片、引線和殼體組成,如圖5-2(a)所示?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)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(dǎo)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5-2(b)所示。3031控制電流端引線分別焊在位移晶片長度走向的兩個端面上，通常為紅色導(dǎo)線，其焊接處叫控制電流極；霍爾輸出引線位于晶片的寬度走向上，分別焊接在兩側(cè)面的中心位置，通常為綠色導(dǎo)線，其焊接處叫霍爾電極。要求它們的焊接都是歐姆焊接，即接觸電阻很小，且呈純電阻（無電容和電感效應(yīng)）?；魻栯姌O引線的寬度與長度比不能小于0.1，否則影響輸出。殼體是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。

32基本連接方式與測量電路二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性2、霍爾元件的測量電路WUHRLE

3.霍爾元件基本特性1）額定激勵電流和最大允許激勵電流當霍爾元件自身溫升10℃時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而增加,所以,使用中希望選用盡可能大的激勵電流,因而需要知道元件的最大允許激勵電流,改善霍爾元件的散熱條件,可以使激勵電流增加。2）輸入電阻和輸出電阻激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢對外電路來說相當于一個電壓源,其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強度為零且環(huán)境溫度在20℃±5℃時確定的。34（4）霍爾溫度系數(shù)在一定的磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率。（3）不平衡（等位）電勢在額定控制電流下，不加磁場時霍爾電極間的空載霍爾電勢。AIU0BCD霍爾元件測量誤差及補償霍爾元件在使用中，存在多種因素影響測量精度，主要原因有兩類：半導(dǎo)體制造工藝和半導(dǎo)體固有特性。其表現(xiàn)為零位誤差和溫度誤差而引起的測量誤差。

1零位誤差及補償不等位電勢——是零位誤差中最主要的一種當霍爾元件的激勵電流為I時,若元件所處位置磁感應(yīng)強度為零,則它的霍爾電勢應(yīng)該為零,但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。36即：產(chǎn)生的原因有:

①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上;②半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻（如片厚薄不均勻等）;③激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。這些工藝上問題都將使等位面歪斜，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電勢。37式中:U0——不等位電勢;r0——不等位電阻;IH——激勵電流。由上式（11）可以看出,不等位電勢就是激勵電流流經(jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓。

（11）不等位電阻不等位電勢也可用不等位電阻表示38

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,而實用中要消除不等位電勢是極其困難的,因而必須采用補償?shù)姆椒?。由于不等位電勢與不等位電阻是一致的,可以采用分析電阻的方法來找到不等位電勢的補償方法。

如圖5-4所示,其中A、B為激勵電極,C、D為霍爾電極,極分布電阻分別用R1、R2、R3、R4表示。理想情況下,R1=R2=R3=R4,即可取得零位電勢為零（或零位電阻為零）。實際上,由于不等位電阻的存在,說明此四個電阻值不相等,可將其視為電橋的四個橋臂,則電橋不平衡。為使其達到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻（如圖5-4（a）所示）,或在兩個橋臂上同時并聯(lián)電阻（如圖5-4(b)所示）。39霍爾元件不等位電動勢也叫傳感器輸出電壓的零位誤差。三、霍爾元件測量誤差和補償1、零位誤差及補償方法AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4不等位電動勢與等效電路電橋補償原理：在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻。41寄生直流電勢

當不加外磁場，控制電流改用額定交流電流時，交流電流有效值為，霍爾電極間的空載電勢為直流和交流電勢之和，其中交流電勢與前述的零位電勢相對應(yīng)，而直流電勢是個寄生量，叫寄生直流電勢V。產(chǎn)生寄生直流電勢V的原因有：1控制電極及霍爾電極的接觸不良，形成非歐姆接觸，形成整流效果所致；2兩個霍爾電極大小不對稱，造成連個電極點的熱容量不同，散熱狀態(tài)不同，于是形成極間溫差電勢，表現(xiàn)為直流寄生電勢中的一部分。42感應(yīng)零電勢：霍爾元件在交變磁場中，即使不加控制電流，霍爾端也有電勢輸出。即感應(yīng)零電勢。產(chǎn)生原因：霍爾電極的陰線布置不合理。大小正比于磁場變化頻率。（注：補償方法）自激場零電勢435.2.2溫度誤差及其補償◆溫度誤差霍爾元件是采用半導(dǎo)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)。當溫度變化時,霍爾元件的電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化,從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差?；魻栰`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成霍爾元件的輸入電阻與溫度變化的關(guān)系可寫成（12）44◆恒流源的分流電阻溫度補償法

為了減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。

大多數(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(yīng)地減小,并能保持乘積不變,也就抵消了靈敏系數(shù)增加的影響。圖5-5就是按此思路設(shè)計的一個既簡單、補償效果又較好的補償電路。。45恒流源的分流電阻溫度補償法常采用圖5-5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)。當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時,旁路分流電阻Rp自動地加強分流,減少了霍爾元件的激勵電流I,從而達到補償?shù)哪康?。在圖5-5所示的溫度補償電路中,設(shè)初始溫度為T0,霍爾元件輸入電阻為Ri0,靈敏系數(shù)為KHI,分流電阻為Rp0,根據(jù)分流概念得IH0=

（13）當溫度升至T時,電路中各參數(shù)變?yōu)閳D5-5分流電阻補電路示意圖UH46Ri=Ri0（1+δΔT）（14）Rp=Rp0（1+βΔT）（15）式中:δ——霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù);β——分流電阻溫度系數(shù)。則雖然溫度升高ΔT,為使霍爾電勢不變,補償電路必須滿足溫升前、后的霍爾電勢不變,即47UH0=UHKH0IH0B=KHIHB（16）則KH0IH0=KHIH（17）將式（12）、（13）、（16）代入上式,經(jīng)整理并略去α、β、(ΔT)2高次項后得（18）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（18）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。482、溫度誤差及補償方法（2）熱敏電阻補償對于用溫度系數(shù)大的半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件，常采用熱敏電阻進行補償。負溫度系數(shù)的霍爾輸出隨溫度升高而下降，只要能使控制電流隨溫度升高而上升，就能補償。RRt輸入回路補償：在輸入回路串入熱敏電阻，當溫度上升時其阻值下降，從而使控制電流上升。2、溫度誤差及補償方法（2）熱敏電阻補償輸出回路補償：在負載RL上的霍爾電勢隨溫度上升而下降的量被熱敏電阻阻值減小所補償。實際使用熱敏電阻補償時，熱敏電阻最好與霍爾元件封在一起或靠近，溫度變化一致。RLRRt橋路溫度補償法如圖5-6所示是霍爾電勢的橋路溫度補償法，霍爾元件的不等位電勢U0用RP來補償，在霍爾輸出極上串聯(lián)一個溫度補償電撟，電撟的三個臂為錳銅電阻，其中一臂為錳銅電阻并聯(lián)熱敏電阻RX，當溫度變化時，由于RX發(fā)生變化，使電橋的輸出發(fā)生變化，從而使整個回路的輸出得到補償。仔細調(diào)整電撟的溫度系數(shù)，可使在±40℃的溫度變化范圍內(nèi)，傳感器的輸出與溫度基本無關(guān)。

圖5-6橋路溫度補償電路51測量電路1）霍爾元件的基本測量電路

RL通常放大器的輸入電阻或測量儀表的內(nèi)阻。由于霍爾元件必須在磁場和控制電流的作用下，才會產(chǎn)生霍爾電勢，所以可以把乘積）I、B、作為輸入信號，霍爾元件的輸出電勢分別正比于522）霍爾元件的連接方式為了獲得較大的霍爾電勢輸出，除基本測量電路外，可采用幾片霍爾元件疊加的連接方式，如圖所示。

53（a）為直流供電情況，控制電流端并聯(lián)，由W1和W2調(diào)節(jié)兩個電位器元件的輸出霍爾電勢，A、B為輸出端，輸出電勢為單塊霍爾元件的2倍。（b）為交流供電情況，控制電流端串聯(lián)，各元件輸出端接輸出變壓器的初級繞組，變壓器B的次級便有霍爾電勢信號的疊加值輸出。543）霍爾電勢的輸出電路霍爾元件是一種四端器件，輸出電勢一般在毫伏量級，實際使用中必須加差分放大器?；魻栐煞譃榫€性測量和開關(guān)狀態(tài)兩種使用方式，輸出電路有兩種結(jié)構(gòu)

55圖（a）為線性應(yīng)用，后接比例放大器，圖（b）為開關(guān)應(yīng)用，后接射極跟隨器。當用霍爾元件作線性測量時，應(yīng)選穩(wěn)定性和線性度好、靈敏度低一點的霍爾元件。56霍爾式傳感器的應(yīng)用優(yōu)點:

結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，頻帶寬，動態(tài)特性好和壽命長應(yīng)用：電磁測量：測量恒定的或交變的磁感應(yīng)強度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數(shù)；自動檢測系統(tǒng)：多用于位移、壓力的測量。上一頁下一頁返回57檢測磁場是霍爾式傳感器最典型的應(yīng)用之一?；魻柶骷龀筛鞣N形式的探頭，放在被測磁場中，使磁力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測磁場的磁感應(yīng)強度成線性正比的電壓。1、霍爾元件檢測磁場電位差計mAESNR霍爾磁敏傳感器測磁場原理四、霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半部磁場方向向下。從a端通人電流I，左和右半部產(chǎn)生霍爾電勢UH1和UH2，方向相反。因此，c、d兩端電勢為UH1-UH2。若霍爾元件在初始位置時UH1=UH2，則輸出為零。改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時，可得輸出電壓，大小正比于位移量。2、霍爾式位移傳感器四、霍爾傳感器的應(yīng)用加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對位移，改變作用到霍爾元件上的磁場，從而改變它的輸出電壓UH。由事先校準的P～f(UH)曲線即可得到被測壓力的值。3、霍爾式壓力傳感器霍爾元件磁鋼壓力P波登管NSSN四、霍爾傳感器的應(yīng)用4、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)輸入軸輸入軸霍爾式傳感器四、霍爾傳感器的應(yīng)用2.磁場的測量 在控制電流恒定條件下，霍爾電勢大小與磁感應(yīng)強度成正比，由于霍爾元件的結(jié)構(gòu)特點，它特別適用于微小氣隙中的磁感應(yīng)強度、高梯度磁場參數(shù)的測量?；魻栯妱菔谴艌龇较蚺c霍爾基片法線方向之間夾角的函數(shù)。應(yīng)用：霍爾式磁羅盤、霍爾式方位傳感器、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器上一頁返回62一、磁敏電阻式傳感器

（一）磁阻效應(yīng)

將一載流導(dǎo)體置于外磁場中，其電阻會隨磁場而變化，這種現(xiàn)象稱磁電阻效應(yīng)，簡稱磁阻效應(yīng)。當溫度恒定時，磁阻與磁感應(yīng)強度B的平方成正比。B磁感應(yīng)強度u電子遷移率零磁場下的電阻率磁感應(yīng)強度為B時的電阻率第三節(jié)其它類型磁傳感器63磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度影響較大，因此使用時必須先了解其特性曲線，然后制定溫度補償方案。64（二）形狀效應(yīng)形狀效應(yīng)系數(shù)磁敏元件的長度

b磁敏元件的寬度△這種由于磁敏元件的幾何尺寸變化而引起的磁阻大小變化的現(xiàn)象，叫形狀效應(yīng)。65

磁阻元件是利用半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)和形狀效應(yīng)研制而成。(1)長方形磁阻元件其長度L大于寬度b，在兩端部制成電極，構(gòu)成兩端器件66(2)科爾賓元件在園盤形元件得外圓周邊和中心處，裝上電流電極，將具有這種結(jié)構(gòu)的磁阻元件稱為科爾賓元件。67(3)平面電極元件為了加大磁阻效應(yīng)就要使電阻變大。從原理上講，如果把L/b比值小的元件多個串連，就能解決問題，盡管這樣的結(jié)構(gòu)較好，但是制作困難，不能實用。以研磨或鍍膜的辦法制成InSb（銻化銦）薄膜，盡管真空鍍膜阻值會增加，但是生產(chǎn)效率高，價格低廉平面電極元件的結(jié)構(gòu)68(4)InSb－NiSb共晶磁阻元件在InSb的晶體中摻雜NiSb，在結(jié)晶過程中會析出沿著一定方向排列得細長的NiSb針狀晶體。針狀晶體導(dǎo)電性能良好，其直徑為1μm，長度為100μm，相當于幾何形狀效應(yīng)。它是幾何形狀長寬比L/b＝0.2的扁條狀磁阻元件的串連元件。69未摻雜的InSb－NiSb磁阻元件叫D型，摻雜的InSb－NiSb磁阻元件叫L、N型摻雜磁阻元件靈敏度下降，但從溫度關(guān)系曲線上將會發(fā)現(xiàn)，其溫度特性得到了改善。三種元件的磁阻效應(yīng)特性70（5）曲折形磁阻元件（a）所示的單個曲折形結(jié)構(gòu)（b）是用兩個曲折元件組成一個差動式元件，其優(yōu)點是可將磁阻元件阻值在無磁場情況做到數(shù)百歐甚至數(shù)千歐。71（6）磁阻元件的溫度補償圖中RM為磁阻元件，r1、r2為溫度補償元件。溫度特性曲線差動式元件溫度補償法72磁阻元件的應(yīng)用使用InSb作為感磁材料的半導(dǎo)體磁阻元件半導(dǎo)體磁阻元件通常是利用平面電極等把許多小的InSb矩形體單元串連在一起構(gòu)成的。采用這種結(jié)構(gòu)的目的是為了提高靈敏度,一般用永久磁鐵施加磁偏提高其靈敏度。73用磁敏電阻讀磁卡74二、磁敏二極管和磁敏三極管特點：磁靈敏度高、能識別磁場極性、體積小、電路簡單。75磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.結(jié)構(gòu)與原理

電路符號:

結(jié)構(gòu):中間為I區(qū)(高純度鍺)P區(qū)

N區(qū)

r區(qū)(高復(fù)合區(qū),可復(fù)合空穴和電子)

_76原理:①設(shè)無外加磁場:很少空穴和電子復(fù)合,有穩(wěn)定電流②外加正磁場,載流子都受到洛侖茲力運動偏向r區(qū),電流減?、弁饧臃聪虼艌?仍受洛侖茲力,在I區(qū)載流子數(shù)量增多,電流增大77結(jié)論:

載流子的偏移與洛侖茲力有關(guān),洛侖茲力與電場和磁場的乘積成正比.隨著磁場大小方向的變化,可以產(chǎn)生輸出正負電壓的變化.(若磁敏二極管反向偏置,僅有微弱電流.)78注意：1）r和r區(qū)之外的復(fù)合能力之差越大，磁敏二極管靈敏度就越大2）磁敏二極管反向偏置時，流過的電流很小，幾乎與磁場無關(guān)，二極管兩端電壓不會受到磁場作用而有任何變化。3）由于采用注入載流子的復(fù)合效應(yīng)，它的噪聲很大，頻率特性差，一般限制在10KHz792.磁敏二極管的重要特性

①伏安特性:a.給定磁場下，鍺磁敏二極管兩端正向偏壓和通過它的電流關(guān)系曲線80②磁電特性81

③溫度特性823.溫度補償及提高靈敏度的措施①互補式電路溫度特性曲線83②差分式電路84③全橋式電路要求:靈敏度高用交流電源或脈沖電壓源85三.磁敏三極管的工作原理和主要特性1.結(jié)構(gòu)和原理電路符號:

結(jié)構(gòu):86磁敏三極管87工作原理:a.無磁場:集電極電流小,基極電流大b.加正向磁場

洛侖茲力,基極電流加大,集電極電流更小c.加反向磁場洛侖茲力,集電極電流加大882.磁敏三極管主要特性①伏安特性89②磁電特性(較弱磁場時,Ic與B是線形關(guān)系)90③溫度特性3ACM3BCM磁靈敏度的溫度系數(shù)為０.８％∕℃3CCM磁靈敏度的溫度系數(shù)為-0.6%∕℃

磁敏三極管的溫度特性：負向靈敏度受溫度影響大，表現(xiàn)為負向靈敏度存在一個無靈敏度的溫度點，當溫度超過此點時，負向靈敏度變?yōu)檎蜢`敏度。913.溫度補償及提高靈敏度的措施

①負溫度系數(shù)管用正溫度系數(shù)普通硅三極管

92②正溫度系數(shù)管(3BCM)93③選擇特性一致,磁性相反差分式補償電路94靈敏度極高：可達10-15T，比靈敏度較高的光泵式磁敏傳感器要高出幾個數(shù)量級；第三節(jié)SQUID磁敏傳感器SQUID（超導(dǎo)量子干涉器）磁敏傳感器是一種新型的靈敏度極高的磁敏傳感器，是以約瑟夫遜（JosePhson）效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，用超導(dǎo)材料制成的，在超導(dǎo)狀態(tài)下檢測外磁場變化的一種新型磁測裝置。特點頻帶寬：響應(yīng)頻率可從零響應(yīng)到幾kHz。測量范圍寬：可從零場測量到幾kT；95深部地球物理：用帶有SQUID磁敏傳感器的大地電磁測深儀進行大地電磁測深，效果甚好。在古地磁考古、測井、重力勘探及預(yù)報天然地震中，SQUID也具有重要作用。在生物醫(yī)學(xué)方面，應(yīng)用SQUID磁測儀器可測量心磁圖、腦磁圖等，從而出現(xiàn)了神經(jīng)磁學(xué)、腦磁學(xué)等新興學(xué)科，為醫(yī)學(xué)研究開辟了新的領(lǐng)域。在固體物理、生物物理、宇宙空間的研究中，SQUID可用來測量極微弱的磁場，如美國國家航空宇航局用SQUID磁測儀器測量了阿波羅飛行器帶回的月球樣品的磁矩。SQUID技術(shù)還可用作電流計，電壓標準，計算機中存儲器，通訊電纜等；在超導(dǎo)電機、超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)磁流體發(fā)電、超導(dǎo)磁懸浮列車等方面，均得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域96超導(dǎo)電性：在某一溫度TC以下電阻值突然消失的現(xiàn)象。（a）ρT/K0T/Kρ0ρ0Kρ0TC（b）電阻隨溫度變化曲線a、正常導(dǎo)體；b、超導(dǎo)體1、SQUID磁敏傳感器的基本原理超導(dǎo)體：具有超導(dǎo)電性的物體。臨界溫度(TC)：超導(dǎo)體從具有一定電阻值的正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚低蝗粸榱銜r所對應(yīng)的溫度,其值一般從3.4K至18K超導(dǎo)體特性：理想導(dǎo)電性；完全逆磁性；磁通量子化。97該圖是兩塊超導(dǎo)體中間隔著一厚度僅10～30?的絕緣介質(zhì)層而形成的“超導(dǎo)體—絕緣層—超導(dǎo)體”的結(jié)構(gòu)，通常稱這種結(jié)構(gòu)為超導(dǎo)隧道結(jié)，也稱約瑟夫遜結(jié)。中間的薄層區(qū)域稱為結(jié)區(qū)。這種超導(dǎo)隧道結(jié)具有特殊而有用的性質(zhì)。

超導(dǎo)電子能通過絕緣介質(zhì)層，表現(xiàn)為電流能夠無阻擋地流過，表明夾在兩超導(dǎo)體之間的絕緣層很薄且具有超導(dǎo)性。約瑟夫遜結(jié)能夠通過很小超導(dǎo)電流的現(xiàn)象，稱為超導(dǎo)隧道結(jié)的約瑟夫遜效應(yīng)，也稱直流約瑟夫遜效應(yīng)。超導(dǎo)結(jié)在直流電壓作用下可產(chǎn)生交變電流，從而輻射和吸收電磁波。這種特性稱為交流約瑟夫遜效應(yīng)。絕緣層超導(dǎo)體超導(dǎo)體超導(dǎo)結(jié)示意圖2、約瑟夫遜效應(yīng)98約瑟夫遜的直流效應(yīng)受著磁場的影響。而臨界電流IC對磁場亦很敏感，即隨著磁場的加大臨界電流IC逐漸變小，如圖所示。超導(dǎo)結(jié)的Ic-H曲線01234562010HФ=0Ic3、IC—H特性根據(jù)量子力學(xué)理論，超導(dǎo)結(jié)允許通過的最大超導(dǎo)電流Imax與φ的關(guān)系式φ——沿介質(zhì)層及其兩側(cè)超導(dǎo)體邊緣透入超導(dǎo)結(jié)的磁通量；φ0——磁通量子；臨界電流的起伏周期是磁通量子φ0IC(0)——沒有外磁場作用時，超導(dǎo)結(jié)的臨界電流。IC是的φ周期函數(shù)99超導(dǎo)結(jié)臨界電流隨外加磁場而周期起伏變化的原理,完全可用于測量磁場中。例如,若在超導(dǎo)結(jié)的兩端接上電源,電壓表無顯示時,電流表所顯示的電流是為超導(dǎo)電流;電壓表開始有電壓顯示時,則電流表所顯示的電流為臨界電流IC,此時,加入外磁場后,臨界電流將有周期性的起伏,且其極大值逐漸衰減,振蕩的次數(shù)n乘以磁通量子φ0,可得到透入超導(dǎo)結(jié)的磁通量φ=nφ0。而磁通量和磁場H成正比關(guān)系,如果能求出φ,磁場H即可求出。同理,若外磁場H有變化,則磁通量亦隨變化,在此變化過程中,臨界電流的振蕩次數(shù)n乘以φ0即得到磁通量的大小,亦反映了外磁場變化的大小。因而,可利用超導(dǎo)技術(shù)測定外磁場的大小及其變化。臨界電流隨外磁場周期起伏變化，這是由于在一定磁場作用下，超導(dǎo)結(jié)各點的超導(dǎo)電流具有確定的相位。相位相反的電流互相抵消；相位相同的電流互相迭加。

測磁原理100應(yīng)用（超導(dǎo)量子干涉儀）超導(dǎo)量子干涉儀特點Ic對磁場非常敏感，如圖