第7章磁電式傳感器

第七章磁電傳感器1磁電型傳感器是將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或電參量的裝置。利用磁場(chǎng)作為媒介可以檢測(cè)很多物理量，如位移、振動(dòng)、力、轉(zhuǎn)速、加速度、流量、電流、電功率等。它不僅可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，并且不從磁場(chǎng)中獲取能量。常用的磁電式傳感器有磁電感應(yīng)式傳感器、磁柵式傳感器、霍爾式傳感器及各種磁敏元件等。2第一節(jié)霍爾傳感器霍爾傳感器是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的一種磁敏傳感器?；魻杺鞲衅骼么艌?chǎng)作為媒介，可以檢測(cè)很多的物理量，如微位移、加速度、轉(zhuǎn)速、流量、角度等；也可用于制作高斯計(jì)、電流表、功率計(jì)、乘法器、接近開(kāi)關(guān)和無(wú)刷直流電機(jī)等。它可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，而且在很多情況下，可采用永久磁鐵來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，不需附加能源。因此，這種傳感器廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、電磁檢測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域中。

3霍爾傳感器有霍爾元件和霍爾集成電路兩種類型。目前，霍爾傳感器已從分立型結(jié)構(gòu)發(fā)展到集成電路階段。霍爾集成電路是把霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源等做在一個(gè)芯片上的集成電路型結(jié)構(gòu)。與前者相比，霍爾集成電路更具有微型化、可靠性高、壽命長(zhǎng)、功耗低以及負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，正越來(lái)越受到人們的重視，應(yīng)用日益廣泛。4一、霍爾效應(yīng)在半導(dǎo)體薄片上垂直施加磁場(chǎng)B，在薄片兩個(gè)短邊b方向通入控制電流I，則在磁場(chǎng)洛倫茲力FL作用下，在薄片兩長(zhǎng)邊方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)。輸出電壓L、d、b為霍爾元件的幾何參數(shù)5令霍爾傳感器輸出電壓當(dāng)霍爾元件的材料、幾何尺寸確定后，其輸出電壓UH與控制電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。6二、霍爾元件的基本特性UH-I特性

KH和B為常數(shù)是，輸出電壓UH與控制電流的關(guān)系。2.UH-B特性3.UH-IB特性7三、測(cè)量電路1.基本電路控制電流I；霍耳電勢(shì)VH；控制電壓V；輸出電阻R2；輸入電阻R1；霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流IH。

圖中控制電流I由電源E供給,R為調(diào)節(jié)電阻,保證器件內(nèi)所需控制電流I。霍耳輸出端接負(fù)載R3,R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)B垂直通過(guò)霍耳器件,在磁場(chǎng)與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本電路R實(shí)際使用時(shí),器件輸入信號(hào)可以是I或B，或者IB,而輸出可以正比于I或B,或者正比于其乘積IB。8霍爾傳感器輸出信號(hào)一般為mV級(jí)，需要放大。可以選擇運(yùn)算放大器放大電路，輸出線性電壓Vo=KUH在一些場(chǎng)合，只需要輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)，這時(shí)運(yùn)放的負(fù)反饋電阻RF？9四、誤差及補(bǔ)償零位誤差及補(bǔ)償

I=0，B=0時(shí)出現(xiàn)的輸出電壓△UH.叫做零位誤差。（1）產(chǎn)生零位誤差的原因：①直流寄生電勢(shì)②寄生感應(yīng)電勢(shì)③不等位電勢(shì)可以電路方法補(bǔ)償，運(yùn)算放大器有調(diào)零電路也可以利用計(jì)算機(jī)軟件補(bǔ)償。102.溫度誤差及補(bǔ)償半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化?？刂齐娏鞔罂梢蕴岣哽`敏度，但會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱,增大誤差。利用補(bǔ)償電路或者軟件方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償11五、集成霍爾傳感器1.開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路是把霍爾元件的輸出經(jīng)過(guò)處理后輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號(hào)。這種集成電路一般由霍爾元件、穩(wěn)壓電路、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及OC門(集電極開(kāi)路輸出門)電路等部分組成。12開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路的開(kāi)關(guān)形式有單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)兩種，在輸出上有單端輸出和雙端輸出。常用的型號(hào)有UGN-3020系列和CS系列，外形結(jié)構(gòu)有三端T型和四端T型(雙端輸出)，圖8-13為UGN-3020系列開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路外形與內(nèi)部電路框圖。132．線性型霍爾集成電路線性型霍爾集成電路通常由霍爾元件，差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓電路四部分組成。其特點(diǎn)是輸出電壓與外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B呈線性關(guān)系，它有單端輸出和雙端輸出(差動(dòng)輸出)兩種形式。外形結(jié)構(gòu)有三端T型和八腳雙列直插型，其電路框圖和外形結(jié)構(gòu)如圖14六、霍爾傳感器的應(yīng)用部分霍爾傳感器外觀如圖15高斯計(jì)：電流計(jì)：轉(zhuǎn)速計(jì)：霍爾開(kāi)關(guān)：16例：柴油機(jī)防飛車保護(hù)裝置下圖所示是柴油機(jī)防飛車保護(hù)裝置電路。該裝置主體由檢測(cè)傳感部分和控制部分組成。檢測(cè)部分由磁鐵和霍爾傳感器組成。磁鐵用環(huán)氧樹(shù)脂粘合而固定在柴油機(jī)的飛輪一側(cè)上，其隨著飛輪的運(yùn)轉(zhuǎn)，霍爾傳感器（開(kāi)關(guān)型）產(chǎn)生一個(gè)個(gè)計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。控制部分主要由頻率／電壓變換器件、控制繼電器電磁閥組成。17頻率／電壓變換器件將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之呈線性對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，并經(jīng)內(nèi)部運(yùn)放和輸出放大級(jí)后輸出。當(dāng)信號(hào)頻率高于一定值時(shí)，輸出放大級(jí)輸出電壓增大到繼電器的吸合電壓，使繼電器KA吸合，并通過(guò)二級(jí)管VD將LM2917的3腳電位鉗定，從而實(shí)現(xiàn)了超速鎖定的目的。這時(shí)即使信號(hào)頻率下降，控制繼電器KA仍將處于吸合狀態(tài)，直到斷開(kāi)電源為止。繼電器KA吸合，電磁閥YV切斷柴油機(jī)供油，從而迫使柴油機(jī)停車，保護(hù)柴油機(jī)和它的負(fù)載機(jī)械不會(huì)因?yàn)轱w車（過(guò)速）而損壞。18例：照明自動(dòng)控制裝置當(dāng)人打開(kāi)門進(jìn)衛(wèi)生間再關(guān)上門時(shí)，磁鋼G離開(kāi)霍爾集成傳感器HG（CS-3020），HG輸出高電平脈沖，觸發(fā)單穩(wěn)電路A1，A1的1腳輸出高電平信號(hào)，此高電平信號(hào)又觸發(fā)A2，A2的13腳輸出高電平，經(jīng)VT放大驅(qū)動(dòng)VS雙向晶閘管導(dǎo)通，EL燈亮，同時(shí)LED發(fā)光。經(jīng)任意長(zhǎng)時(shí)間，拉門出來(lái)再關(guān)上門時(shí)，磁鋼G再次離開(kāi)HG，HG輸出一正脈沖，使A1又一次輸出高電平，A2再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，腳13變?yōu)榈碗娖剑琕T和VS均截止，EL和LED熄滅。19第二節(jié)、磁敏電阻一、

磁阻效應(yīng)某些半導(dǎo)體材料在磁場(chǎng)作用下，其電阻的阻值隨磁場(chǎng)的變化而變化，這種現(xiàn)象叫磁阻效應(yīng)（MR）。利用這種效應(yīng)制成的元件稱為磁敏電阻。金屬和半導(dǎo)體材料都有磁阻效應(yīng)，由于半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)更顯著，故目前生產(chǎn)的磁敏電阻都是用半導(dǎo)體材料制成的。利用該現(xiàn)象制作的電阻，就是磁敏電阻20二、磁敏電阻的特性包括三方面磁阻靈敏度詞組特性磁阻溫度系數(shù)21三、應(yīng)用直線位移傳感器磁卡22第三節(jié)、磁敏二極管和磁敏三極管一、磁敏二極管具有二極管結(jié)構(gòu)，其輸出隨外界磁性量變化而變化的磁敏元件

利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)。磁敏二極管工作時(shí)需要加正向偏壓磁場(chǎng)變化→磁敏二極管電阻變化→UO變化。溫度對(duì)磁敏二極管影響較大，一般需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。單管——用熱敏電阻補(bǔ)償二管——差動(dòng)半橋電路 四管——差動(dòng)全橋選擇電阻R——類似于晶體管電路選擇靜態(tài)工作點(diǎn)。9V+-UOR23（2）磁電特性在給定條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場(chǎng)間的變化關(guān)系，叫做磁敏二極管的磁電特性。磁敏二極管的磁電特性曲線（a）單個(gè)使用時(shí)（b）互補(bǔ)使用時(shí)B/0.1T1.02.03.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0

3kΩREE=12V（18V）Td=20℃（a）（b）ΔU/VΔU/V下圖表示的是磁敏二極管單個(gè)使用和互補(bǔ)使用時(shí)的磁電特性曲線。24二、磁敏三極管在磁敏二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的器件。比磁敏二極管溫度特性好。主要用于磁檢測(cè)、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)和近接開(kāi)關(guān)等。25特性與普通晶體管的伏安特性曲線類似。由圖可知，磁敏三極管的電流放大倍數(shù)小于1。(1)伏安特性Uce/VIb=0Ib=5mA1.00.80.60.40.20246810Ic/mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mA(1)為不受磁場(chǎng)作用時(shí)Uce/VIb=3mA,B=-1kG1.00.80.60.40.20246810Ic/mAIb=3mA,B=0Ib=3mA,B=1kG(2)磁場(chǎng)為1kGs

基極為3mA26(2)磁電特性磁敏三極管的磁電特性是應(yīng)用的基礎(chǔ)，右圖為國(guó)產(chǎn)NPN型3BCM(鍺)磁敏三極管的磁電特性，在弱磁場(chǎng)作用下，曲線接近一條直線。-3-2-112345B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.13BCM磁敏三極管的磁電特性27(3)溫度特性及其補(bǔ)償磁敏三極管對(duì)溫度比較敏感，使用時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。對(duì)于鍺磁敏三極管如3ACM、3BCM，其磁靈敏度的溫度系數(shù)為0.8％/0C；硅磁敏三極管(3CCM)磁靈敏度的溫度系數(shù)為-0.6％/0C。

因此，實(shí)際使用時(shí)必須對(duì)磁敏三極管進(jìn)行溫度補(bǔ)償。28具體補(bǔ)償電路如圖所示。當(dāng)溫度升高時(shí)，V1管集電極電流IC增加．導(dǎo)致Vm管的集電極電流也增加，從而補(bǔ)償了Vm管因溫度升高而導(dǎo)致IC

的下降。對(duì)于硅磁敏三極管因其具有負(fù)溫度系數(shù)，可用正溫度系數(shù)的普通硅三極管來(lái)補(bǔ)償因溫度而產(chǎn)生的集電極電流的漂移。ECR1μAmAV1VmReR2補(bǔ)償電路(a)29利用鍺磁敏二極管電流隨溫度升高而增加的特性，使其作為硅磁敏三極管的負(fù)載，從而當(dāng)溫度升高時(shí)，可補(bǔ)償硅磁敏三極管的負(fù)溫度漂移系數(shù)所引起的電流下降。WVmU0EC補(bǔ)償電路(b)補(bǔ)償用磁