傳感器及檢測技術(shù)課件-第5章

第5章磁敏傳感器及檢測5.1概述5.2磁敏檢測方法5.3霍爾傳感器 5.1概述

磁敏傳感器,顧名思義就是對磁信號變化敏感的傳感器。磁敏傳感器是對磁場參量(B,H,￠)敏感的元器件或裝置,具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號的功能,它們的主要作用是在有效范圍內(nèi)感知磁性物體的存在或者磁性強度。這些磁性材料除永磁體外,還包括順磁材料(鐵、鈷、鎳及其它們的合金),可以感知磁場的變化,當(dāng)然也可包括感知通電(直、交)線包或?qū)Ь€周圍的磁場。 5.2磁敏檢測方法

5.2.1磁電感應(yīng)法測磁場

磁電感應(yīng)法測磁場的理論基礎(chǔ)為電磁感應(yīng)定律。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,當(dāng)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(5－1)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。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理,采用某些特殊技術(shù)研制成的測磁裝置,可用于測量交變場中的磁場變化率。即穿過某一線圈的變化磁通將在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,如圖5－1所示,若被測磁場是交流磁場,且按正弦規(guī)律變化,則穿過測量線圈的磁通也按正弦規(guī)律變化,即(5－2)在線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為(5－3)可求出(5－4)圖5－1磁電感應(yīng)法測磁場原理式中:ω——被測磁場的角頻率;

N——被測線圈的匝數(shù);

U——感應(yīng)電動勢e的有效值。

如果能夠測量出感應(yīng)電動勢e的有效值U,再算出穿過線圈的磁通幅值￠m,若測量線圈的面積是S,則被測磁場的感應(yīng)強度的幅值Bm和磁場的幅值Hm為(5－5)(5－6)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。

變磁通式又稱為磁阻式,圖5－2所示是變磁通式磁電傳感器,用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。其中,(a)圖為開磁路變磁通式,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,線圈中所產(chǎn)生感應(yīng)電勢的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。(b)圖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(dāng)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。圖5－2變磁通式磁電感應(yīng)傳感器5.2.2磁通門磁強計測磁場

磁通門式磁敏傳感器又稱為磁飽和式磁敏傳感器。它是利用某些高導(dǎo)磁率的軟磁性材料(如坡莫合金)作磁芯,以其在交變磁場作用下的磁飽和特性及法拉第電磁感應(yīng)原理研制成的測磁裝置。圖5－3磁通門磁強計的探頭結(jié)構(gòu)磁通門磁強計由探頭和測量電路兩部分組成。探頭實際上是一個磁傳感器,由高導(dǎo)磁低矯頑力的軟磁材料制成,其上繞有勵磁線圈N1和測量線圈N2,結(jié)構(gòu)示意圖如圖5－3所示。勵磁線圈N1中流有三角波恒流源勵磁電流i1(當(dāng)然也可以是方波、正弦波等波形,還可以是恒壓源),電流i1足夠大,使鐵芯充分飽和。假設(shè)鐵芯有如圖5－4(a)所示的折線型磁特性,鐵芯中的直流磁場h0=0,在圖5－4(b)中所示的交流三角波勵磁磁場H作用下,鐵芯中的磁感應(yīng)強度B(或磁通)是對稱的梯形波,如圖5－4(c)所示。對稱的梯形波的上升沿和下降沿在測量線圈中感應(yīng)出的電動勢e將是對稱的方波,如圖5－4(d)所示,圖中t1=t2。對該方波進行諧波分析發(fā)現(xiàn),其中只有奇次諧波而沒有偶次諧波。圖5－4磁通門磁強計探頭工作原理圖若把探頭放在待測的直流磁場H0中,鐵芯中除了交流磁場H外,還有直流磁場H0,鐵芯中的合成勵磁磁場H′如圖5－4(b)中所示。在交流磁場與直流磁場方向相同的半周中,鐵芯提前進入飽和區(qū),滯后退出飽和區(qū)。相反的半周中,鐵芯滯后進入飽和區(qū),提前退出飽和區(qū)。因此,在鐵芯中的磁感應(yīng)強度B′是不對稱的梯形波,如圖5－4(e)所示。在測量線圈中感應(yīng)出的電動勢e′也是不對稱的方波,如圖5－4(f)所示。圖中,t2>t1。如果直流磁場是-H0,則T1>T2。對此方波進行諧波分析發(fā)現(xiàn),其中不但有奇次諧波,還含有偶次諧波,偶次諧波的大小和相位分別反映了直流磁場的幅值和方向,測量出測量線圈中偶次諧波電壓的幅值和相位即可測得直流磁場的大小和方向。圖5－5磁芯的種類5.2.3磁阻效應(yīng)測磁場

1.磁阻效應(yīng)

所謂磁阻效應(yīng),是指某些材料在加上外磁場時,其電阻值隨磁場強弱而變化的現(xiàn)象。

當(dāng)溫度恒定時,在弱磁場范圍內(nèi),磁阻與磁感應(yīng)強度B的平方成正比。對于只有電子參與導(dǎo)電的最簡單的情況,理論推導(dǎo)磁阻效應(yīng)的表達式為(5-7)式中,B——磁感應(yīng)強度;

μ——電子遷移率;

ρ0——零磁場下的電阻率;

ρB——磁感應(yīng)強度為B時的電阻率。

當(dāng)電阻率變化為Δρ=ρB-ρ0時,電阻率的相對變化為(5－8)式中,K=0.273。由式(5－8)可知,磁場一定時,遷移率高的材料磁阻效應(yīng)明顯。InSb和InAs等半導(dǎo)體的載流子遷移率都很高,適合于制作磁敏電阻。

2.分類及特點

磁敏電阻主要分成兩大類:一類是半導(dǎo)體磁敏電阻;一類是金屬薄膜型磁敏電阻。

半導(dǎo)體磁敏電阻適用于可以放置較強永磁體的各種傳感器,具有原始信號強、靈敏度高、后序處理電路簡單等特點。

在20世紀(jì)80年代后期，日本采用將InSb單晶蒸鍍在襯底基片上,通過熱處理再結(jié)晶化,形成磁敏電阻元件的方法,大大提高了磁敏電阻器件性能的成品率和一致性,同時降低了成本,提高了實用性。金屬薄膜型磁敏電阻是將坡莫合金沉淀在襯底上形成薄膜,經(jīng)光刻制成各種型號的MR芯片。由于坡莫合金材料的各向異性,在外加磁場下,與通電電流平行和垂直的兩個方向所體現(xiàn)的電阻率不同,導(dǎo)致MR元件總電阻變化。金屬薄膜磁敏電阻對弱磁場非常敏感,但磁阻變化率較底。

磁敏電阻元件與霍爾元件相比,除了不能判斷極性外,霍爾元件可以完成的功能,磁敏電阻元件均可以實現(xiàn)。利用磁敏電阻元件開發(fā)的的位移、角度、傾斜角、圖像識別傳感器是霍爾元件難以實現(xiàn)的。5.2.4PN結(jié)效應(yīng)測磁場

1.磁敏二極管

目前實用的磁敏二極管有鍺和硅磁敏二極管兩種,它們與普通的二極管在結(jié)構(gòu)上的不同之處是:普通二極管PN結(jié)的基區(qū)很短,以避免載流子在基區(qū)里復(fù)合,磁敏二極管的PN結(jié)卻有很長的基區(qū),大于載流子的擴散長度,但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的。一般鍺磁敏二極管用ρ=40Ωcm左右的P型或N型單晶做基區(qū)(鍺本征半導(dǎo)體的ρ=50Ωcm),在它的兩端有P型和N型鍺并行引出。若γ代表長基區(qū),則其PN結(jié)實際上是由Pγ結(jié)和γN結(jié)共同組成的。圖5－6所示為磁敏二極管的構(gòu)造,在基區(qū)γ的上表面,通過噴砂法破壞晶格表面使之形成復(fù)合速率很高的薄層,用Sγ表示這薄層里的復(fù)合速率,和它相對的下表面則是光潔面,復(fù)合速率為S0,且Sγ>>S0。在上述PN結(jié)上施加正向電壓,便會形成正向電流,即在Pγ結(jié)向基區(qū)注入空穴,在γN結(jié)向基區(qū)注入電子。圖5－6中小圈代表空穴,黑點代表電子。圖5－6磁敏二極管的結(jié)構(gòu)在垂直于紙面方向上有磁感應(yīng)強度B時,電子和空穴受洛侖茲力作用,其運動路徑都偏向高復(fù)合區(qū),如圖中箭頭所示。這樣一來,載流子復(fù)合速率加大了,空穴和電子一旦復(fù)合就失去導(dǎo)電作用,意味著基區(qū)的等效電阻加大,電流減小。反之,如果磁感應(yīng)強度B的方向與原方向相反,會使載流子偏向低復(fù)合區(qū),基區(qū)等效電阻減小,電流加大。

2.磁敏三極管

磁敏三極管有PNP型和NPN型結(jié)構(gòu),按半導(dǎo)體材料的不同,又有鍺和硅磁敏三極管之分。磁敏三極管是以長基區(qū)為主要特征,以鍺管為例,其結(jié)構(gòu)示意和工作原理如圖5－7所示。圖5－7鍺磁敏三極管結(jié)構(gòu)和管理鍺磁敏三極管有兩個PN結(jié),其中發(fā)射極E和基極B之間的PN結(jié)是由長基區(qū)二極管構(gòu)成,同時又設(shè)置了高復(fù)合區(qū),即圖5－7中粗黑線部分。圖5－7(a)表示在磁場B作用下,載流子受洛侖茲力而偏向高復(fù)合區(qū),使集電極C的電流減小。圖5－7(b)是反向磁場作用下載流子背離高復(fù)合區(qū),集電極電流增大。可見,即使基極電流IB恒定,靠外加磁場同樣可以改變集電極電流IC,這是和普通三極管不一樣之處。因為基區(qū)長度大于載流子有效擴散長度,所以共發(fā)射極直流電流增益β＜1,但是其集電極電流有很高的磁靈敏度,主要依靠磁場來改變IC。綜上所述,磁敏三極管的工作原理與磁敏二極管的完全相同。無外界磁場作用時,由于高復(fù)合區(qū)較長,在橫向電場作用下,發(fā)射極電流大部分形成基極電流,小部分形成集電極電流。在正向或反向磁場作用下,會引起集電極電流的減小或增加,即三極管的β值是隨磁場變化而變化的。因些,可以用磁場方向控制集電極電流的增加或減小,用磁場的強弱控制集電極電流增加或減小的變化量。5.2.5磁敏檢測應(yīng)用領(lǐng)域

1.霍爾元件

霍爾元件用于磁場測量時,用做高斯計(特斯拉計)的檢測探頭。

霍爾元件用于電流檢測時,用做電流傳感器/變送器的一次元件。電流傳感器:國內(nèi)有包括沈陽儀表科學(xué)研究院(思賓尼斯公司)、西南自動化所等二、三十家大小不同的企業(yè)在生產(chǎn)和銷售電流傳感器/變送器,其市場競爭已經(jīng)白熱化。該領(lǐng)域是國內(nèi)磁敏傳感器應(yīng)用最早、最普及、最成熟的領(lǐng)域?；魻栐米髦绷鳠o刷電機時,用于檢測轉(zhuǎn)子位置并提供激勵信號。直流無刷電機領(lǐng)域:InSb霍爾元件為主,主要用于直流無刷電機轉(zhuǎn)子位置檢測,并提供定子線圈電流換向的激勵信號。目前年需求量在幾億只,價格卻僅有0.3元人民幣左右。該領(lǐng)域是磁敏傳感器用量最大的領(lǐng)域,但是在國內(nèi)目前未形成工業(yè)化生產(chǎn)。

霍爾元件還用于集成開關(guān)型霍爾器件的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測量。

2.強磁體薄膜磁阻器件

強磁體薄膜磁阻器件用于位移傳感器時,主要作磁尺的線性長距離位移測量。

強磁體薄膜磁阻器件用于角位移傳感器時,主要作轉(zhuǎn)動角度測量,廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)。

強磁體薄膜磁阻器件用于脈沖發(fā)訊傳感器時,主要作流量檢測和轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測量,如電子水表和流量計的發(fā)訊傳感器。在流量計量領(lǐng)域,低功耗薄膜磁體磁阻器件用于電子水表、電子煤氣表、流量計等流量發(fā)訊傳感器中。日前,該產(chǎn)品由沈陽儀表科學(xué)院匯博思賓尼斯傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn),市場空間可觀。該領(lǐng)域是磁敏傳感器國內(nèi)最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d應(yīng)用領(lǐng)域,目前處于市場成長期。此器件制成的專用測量儀表有高斯計,它用于磁場檢測,在磁性材料生產(chǎn)及應(yīng)用方面用量較多,國內(nèi)有沈陽儀表院、思賓尼斯公司、北京師范學(xué)院等幾家公司生產(chǎn),其中思賓尼斯公司的高斯計已經(jīng)批量出口美國。

3.半導(dǎo)體磁阻器件

半導(dǎo)體磁阻器件在微弱磁場檢測方面,主要用于偽鈔識別;在脈沖測量方面,主要用于轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測量。

4.超半導(dǎo)磁敏器件(SQUID)

在深部地球物理方面,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(biāo)準(zhǔn)、計算機中存儲器、通信電纜等;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,也均得到廣泛應(yīng)用。

另外,國內(nèi)的磁敏傳感器在轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測量、偽鈔識別等領(lǐng)域,也均有應(yīng)用,但沒有形成規(guī)模。 5.3霍爾傳感器

5.3.1霍爾傳感器的工作原理

1.霍爾效應(yīng)

圖5－8所示為霍爾效應(yīng)的原理圖。在一半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I,并在薄片的垂直方向上施加磁感應(yīng)強度為B的磁場,設(shè)薄片的長度為l,寬度為w,厚度為d;又設(shè)電子以均勻的速度v運動,則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強度B的作用下,電子受到的洛侖茲力為(5－9)式中:q——電子電量(1.62×10-19C);

v——電子運動速度。圖5－8霍爾效應(yīng)原理圖同時,由于電子向一個方向運動,使半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電動勢(稱為霍爾電勢或霍爾電壓),霍爾電勢產(chǎn)生后,又對電子施加電場力,電場力與洛侖茲力的方向相反,大小為(5－10)式中:q——電子電荷;

UH——霍爾電壓。當(dāng)達到動態(tài)平衡時,有(5－11)(5－12)若以n代表半導(dǎo)體內(nèi)單位體積中的載流子數(shù),則可得(5－13)(5－14)式中,負號表示電流方向與電子運動方向相反。將式(5－14)代入式(5－12),可得式中:RH——霍爾系數(shù),RH=1/(nq),其大小取決于半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)(即材料的載流子密度),它反映元件霍爾效應(yīng)的強弱;

KH——霍爾靈敏度,KH=RH/H,其大小與霍爾系數(shù)成正比,與半導(dǎo)體厚度成反比。通過式(5－15)、式(5－16)可以得出以下結(jié)論:

(1)霍爾電壓的UH的大小與材料性質(zhì)有關(guān)。單位體積內(nèi)導(dǎo)電粒子數(shù)越少,霍爾效應(yīng)越強。

(2)霍爾電壓UH與半導(dǎo)體的厚度d成反比。元件越厚,霍爾電壓越小。

(3)霍爾電壓UH與控制電流I成正比。控制電流越大,霍爾電壓越大。

(4)霍爾電壓UH與磁感應(yīng)強度B成正比。磁感應(yīng)強度越大,霍爾電壓越大。

從結(jié)論(3)、(4)可見,霍爾元件可用來測量磁場,當(dāng)霍爾元件的材料、厚度確定,并且施加一恒定的控制電流時,霍爾電壓與磁場成正比;同樣地,也可以用霍爾元件測量電流,當(dāng)半導(dǎo)體的材料、厚度確定,并且施加一恒定的磁場時,霍爾電壓與控制電流成正比。當(dāng)KH和B恒定時,I越大,UH越大,但電流不宜過大,否則會燒壞霍爾元件。同樣,當(dāng)KH和I恒定時,B越大,UH也越大。當(dāng)磁場改變方向,UH也改變方向,當(dāng)磁場方向不垂直于元件平面,而是與元件平面的法線成一角度θ時,實際作用于元件上的有效磁場是其法線方向的分量,即Bcosθ,這時霍爾元件的輸出為

UH=KHIBcosθ

(5－17)2.霍爾元件的基本測量電路

圖5－9為霍爾元件的基本測量電路。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?；魻栞敵龆私迂撦dR3,R3可以是一般電阻或放大器的輸入電阻,或表頭內(nèi)阻等。磁場B垂直通過霍爾器件,在磁場與控制電流作用下,負載上獲得電壓。實際使用時,器件輸入信號可以是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。圖5－9霍爾器件的基本測量電路設(shè)霍爾片厚度d均勻,電流I和霍爾電場的方向分別平行于長、短邊界,則控制電流I和霍爾電勢UH的關(guān)系式為(5－18)

同樣,若給出控制電壓U,由于U=R1I,可得控制電壓和霍爾電勢的關(guān)系式為(5－19)上兩式是霍爾器件中的基本公式。即:輸入電流或輸入電壓和霍爾輸出電勢完全呈線性關(guān)系。如果輸入電流或電壓中任一項固定時,磁感應(yīng)強度和輸出電勢之間也完全呈線性關(guān)系。5.3.2霍爾元件及材料

1.霍爾元件的結(jié)構(gòu)

霍爾元件是一種半導(dǎo)體四端薄片,一般呈正方形,在薄片的相對兩側(cè)對稱地焊接兩對電極引出線。圖5－10(a)所示為霍爾元件的實際尺寸,圖5－10(b)為其簡化結(jié)構(gòu),圖5－10(c)為霍爾元件的等效電路。其中,A、B端為激勵電流端,C、D端為霍爾電勢輸出端,C、D端一般處于側(cè)面的中點。圖5－10霍爾器件片

(a)實際結(jié)構(gòu)(mm);(b)簡化結(jié)構(gòu);(c)等效電路圖5－11為霍爾元件的常用圖形符號。近年來,已采用外延離心注入工藝或采用濺射工藝制造出尺寸小、性能好的薄膜型霍爾元件,如圖5－12所示。它由襯底、薄膜、引線(電極)及外殼組成,殼體采用塑料、環(huán)氧樹脂、陶瓷等材料封裝,其靈敏度、穩(wěn)定性、對稱性等均比老工藝優(yōu)越得多。圖5－11霍爾器件圖形符號圖5－12霍爾器件外形圖

2.霍爾元件的材料

霍爾元件的輸出與靈敏度有關(guān),KH越大,UH越大。而霍爾靈敏度又取決于元件的材料、性質(zhì)和尺寸,從理論上可以證明霍爾系數(shù)RH等于霍爾元件材料的電阻率ρ與電子遷移率μ的乘積(即RH=ρ*μ)。若要霍爾效應(yīng)強,則RH值要盡可能得大,因此要求霍爾元件的材料有較大的電阻率和載流子遷移率。

絕緣材料具有很大的電阻率,但其載流子遷移率卻極小;而金屬導(dǎo)體的載流子遷移率很大,但電阻率很低,因而以上兩種材料的霍爾系數(shù)都很低,不能用作霍爾元件。半導(dǎo)體既有很高的載流子遷移率,又具有電阻率較大的特點,因而一般用半導(dǎo)體材料作為霍爾元件。5.3.3霍爾集成電路

1.線性型霍爾集成電路

線性型霍爾集成電路的輸出電壓與外加磁場成線性比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍爾元件和放大器組成,當(dāng)外加磁場時,霍爾元件產(chǎn)生與磁場成線性比例關(guān)系的霍爾電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。在實際電路設(shè)計中,為了提高傳感器的性能,往往在電路中設(shè)置穩(wěn)壓、電流放大輸出級、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路。霍爾開關(guān)集成傳感器的輸出有低電平或高電平兩種狀態(tài),而霍爾線性集成傳感器的輸出卻是對外加磁場的線性感應(yīng)。因此線性型霍爾集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制。圖5－13是典型的線性型霍爾集成電路。圖5－13(a)是集成電路芯片的外形與尺寸。圖5－13(b)是集成電路內(nèi)部元件,它主要由霍爾元件、恒流源、放大電路組成,由恒流源提供穩(wěn)定的激勵電流,霍爾電勢輸出接入放大電路,輸出電壓較高,使用方便,應(yīng)用廣泛。圖5－13(c)是這種集成電路的輸出特性,集成電路的輸出電壓與霍爾元件感受的磁場變化近似呈線性關(guān)系,它主要用于對被測量進行線性測量的場合,如角位移、壓力、電流等的測量。圖5－13線性型霍爾集成電路(a)外形與尺寸;

(b)集成電路內(nèi)部元件;(c)輸出特性

1)單端輸出型

圖5－14所示為單端輸出型霍爾集成電路,它是一個塑料封裝的扁平三端器件,它的輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線性響應(yīng)。通常將它的輸出電壓用電容交連到外接放大器,以將輸出電壓放大到較高的電平。單端輸出型有U型、T型兩種型號,T型和U型的區(qū)別是厚度不同,T型厚度為2.03mm,U型厚度為1.54mm。其典型產(chǎn)品是SL3501T、UGN－3501T。圖5－14單端輸出型的霍爾集成電路的電路結(jié)構(gòu)框圖

SL3501T的霍爾輸出與磁感應(yīng)強度的關(guān)系如圖5－15所示。從圖中可以看出,在-0.22～0.2T磁感應(yīng)強度范圍內(nèi),集成電路SL3501T具有較好的線性,而當(dāng)磁感應(yīng)強度超出此范圍時,線性較差。圖5－15

SL3501T傳感器的輸出特性

2)雙端輸出型

雙端輸出型霍爾集成電路是一個8腳雙列直插封裝的器件,它可提供差動射極跟隨輸出,還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是SL3501M,如圖5－16所示。圖5－16雙端輸出型霍爾集成電路的電路結(jié)構(gòu)框圖

SL3501M采用8腳封裝,其1、8兩腳為差動輸出,2腳懸空,3腳為正電源,4腳接地,5、6、7三腳之間外接電位器,主要用于對不等位電勢進行補償,還可以改善線性,但靈敏度有所降低。若允許有不等位電勢輸出,則該電位器可以不接。

圖5－17為SL3501M的霍爾輸出與磁感應(yīng)強度的關(guān)系。由圖可知:

(1)當(dāng)5、6、7三腳之間外接電位器的電阻恒定時,磁感應(yīng)強度越大,霍爾輸出越大。

(2)當(dāng)磁感應(yīng)強度恒定時,5、6、7三腳之間外接電位器的阻值越大,霍爾輸出越低,但是其線性度越好。

另外,SL3501的1、8兩腳的輸出極性與磁場方向有關(guān),當(dāng)磁場方向相反時,其輸出極性與之相反。圖5－17

SL3501M傳感器的輸出特性曲線

2.開關(guān)型霍爾集成電路

開關(guān)型霍爾集成電路是利用霍爾效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器,它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量,并以開關(guān)信號形式輸出。霍爾開關(guān)集成傳感器具有使用壽命長、無觸點磨損、無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點。常用的型號有UGN－3000。

1)開關(guān)型霍爾集成電路的原理

圖5－18是典型的開關(guān)型霍爾集成電路。集成電路的內(nèi)部元件主要有霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大電路、施密特觸發(fā)器、開關(guān)輸出等五部分組成。當(dāng)有磁場作用在開關(guān)型霍爾傳感器上時，霍爾元件輸出霍爾電壓，該電壓經(jīng)放大后，送至施密特整形電路。當(dāng)放大后的霍爾電壓大于“開啟”閾值時，施密特電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電壓，使三極管導(dǎo)通；當(dāng)放大后的霍爾電壓低于“關(guān)閉”閾值時，施密特電路輸出低電平，使三極管VT截止。圖5－18開關(guān)型霍爾集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

2)開關(guān)型霍爾集成電路的外形及特性

開關(guān)型集成電路的外形及應(yīng)用如圖5－19所示。圖5－19開關(guān)型霍爾集成電路的外形及應(yīng)用電路(a)外形;(b)應(yīng)用電路圖5－20工作特性曲線從工作特性曲線上可以看出,工作特性有一定的磁滯BH,這對開關(guān)動作的可靠性非常有利。圖中的BOP為工作點“開”的磁感應(yīng)強度,BRP為釋放點“關(guān)”的磁感應(yīng)強度。

該曲線反映了外加磁場與傳感器輸出電平的關(guān)系。當(dāng)外加磁感強度高于BOP時,輸出電平由高變低,傳感器處于開狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強度低于BRP時,輸出電平由低變高,傳感器處于關(guān)狀態(tài)。

霍爾開關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)包括工作電壓、磁感應(yīng)強度、輸出截止電壓、輸出導(dǎo)通電流、工作溫度、工作點等。5.3.4霍爾傳感器應(yīng)用實例

利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾器件,不僅在磁場測量方面,而且在測量技術(shù)、無線電技術(shù)、計算技術(shù)和自動化技術(shù)等領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用。

利用霍爾電勢與外加磁通密度成比例的特性,可借助于固定元件的控制電流,對磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量、機械量和非電量進行測量和控制。根據(jù)前面講過霍爾電壓與材料的厚度d、激勵電流I和磁感應(yīng)強度B的關(guān)系(UH=KHIBcosθ),通?？梢詮囊韵氯矫鎽?yīng)用霍爾傳感器。

(1)維持元件的輸入激勵電流I不變,而使元件所感受的磁感應(yīng)強度B變化或使元件與磁場的相對位置、相對角度改變,從而引起霍爾電勢的改變。這方面的應(yīng)用有測量磁場強度的高斯計、測量轉(zhuǎn)速的霍爾轉(zhuǎn)速表、角位移測量儀、磁性產(chǎn)品計數(shù)器、霍爾式角度編碼器、霍爾加速計及微壓力計等。

(2)當(dāng)I與B兩者都作為變量時,傳感器的輸出與IB的乘積成正比,這方面的應(yīng)用有模擬乘法器、功率計等。

(3)保持磁感應(yīng)強度不變,利用霍爾電壓與I成比的關(guān)系,可以做過流控制裝置。

1.霍爾電流計

如圖5－21所示,將霍爾元件垂直置于磁環(huán)開口氣隙中,讓載流導(dǎo)體穿過磁環(huán),由于磁環(huán)氣隙的磁感應(yīng)強度B與待測電流I成正比,當(dāng)霍爾元件控制電流IH一定時,霍爾輸出電壓UH則正比于待測電流I,這種非接觸檢測安全簡便,適用于高壓線電流檢測。圖5－21霍爾電流計

2.霍爾高斯計

高斯計是利用霍爾元件測量磁感應(yīng)強度B的一種儀表，測量時保持霍爾元件與磁場垂直，控制電流保持常值，則霍爾電壓與磁感應(yīng)強度成正比。將霍爾電壓放大后,并通過校準(zhǔn)便可直讀被測磁感應(yīng)強度的高斯值。圖5－22所示為高斯計測量原理圖,用此方法可以測量恒定或交變磁場的高斯數(shù)。早期的高斯計多用電壓表指示,現(xiàn)在有不少采用數(shù)字表頭顯示的數(shù)字高斯計。圖5－22高斯計測量原理圖

3.多用途霍爾固態(tài)傳感器

1)轉(zhuǎn)速測量

將傳感器安裝在齒輪旁,離齒頂0.1～5mm左右,齒輪每轉(zhuǎn)過一個齒,霍爾電壓和放大器輸出電壓都變化一周,放大器輸出電壓的頻率便與齒輪轉(zhuǎn)速成比例,即(5－20)式中:

N——齒輪的轉(zhuǎn)速(r／min);

Z——齒輪的齒數(shù)。這種傳感器的低速性能很好。圖5－23是傳感器裝在齒頂上方時,緩慢轉(zhuǎn)動齒輪,用高斯計測量的永久磁鐵端面上的磁感應(yīng)強度B與齒輪轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系。由圖可以看出,齒輪轉(zhuǎn)過一個齒時,B近似地作正弦變化一周,從而霍爾電壓也變化一周。該曲線是逐點測量而得,這時齒輪轉(zhuǎn)速是非常緩慢的,所以這種傳感器可以測量超低轉(zhuǎn)速。同時它也能測量高速旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速。

現(xiàn)有渦輪流量計中測量渦輪轉(zhuǎn)速的傳感器是電磁感應(yīng)式的。在小流量時電磁感應(yīng)電壓很小,所以現(xiàn)有渦輪流量計在小流量時無信號輸出。若將電磁感應(yīng)式的轉(zhuǎn)速傳感器換為霍爾固態(tài)傳感器,則可測出較小的流量。圖5－23磁感應(yīng)強度與齒輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系

2)位移與振動測量

圖5－24(a)是用霍爾傳感器測量它與導(dǎo)磁體之間的距離x的原理圖。圖5－24(b)是放大器輸出電壓與位移x的關(guān)系。由圖(b)可以看出,其特性曲線是非線性的,只有在x<2mm時,U與x近似呈線性關(guān)系。圖5－24位移測量原理圖及特性曲線

(a)原理圖;(b)特性曲線利用類似的原理,該傳感器便可用來測量振動體的振幅和頻率,如圖5－25所示,傳感器輸出信號的頻率便是振動臺的頻率,傳感器輸出電壓的幅值經(jīng)校準(zhǔn)后表示振動的振幅。圖5－25測量振動與頻率的原理圖

3)霍爾開關(guān)的用途

利用圖5－24所示的測量位移的原理及其特性,可用來做非接觸式的接近開關(guān),例如當(dāng)x<1mm時,傳感器的放大器輸出較大電壓時便可接通一個開關(guān),這便是非接觸式的接近開關(guān)。例如在車床的卡盤與刀架之間便可安裝這樣的接近開關(guān)。讓傳感器的位置固定,它反映卡盤的位置;在刀架運動體上裝一塊導(dǎo)磁體,隨刀架移動。當(dāng)兩者之間的距離小于規(guī)定位時,接近開關(guān)便工作,切斷拖動電機。這樣的安全措施是簡單易行的。這樣的接近開關(guān)也可以做成油(或水等)箱(如飛機油箱等)的高低油(或水等)面信號器。圖5－26便是低油面和高油面信號器的示意圖。油畫高低變化時,浮子和導(dǎo)磁片沿浮子導(dǎo)桿隨液面上下浮動。當(dāng)油面低于規(guī)定的高度Hl時,導(dǎo)磁片與傳感器的距離只剩隔板的厚度(例如0.5mm),傳感器放大器便會發(fā)出一個信號(例如由晶體管繼電器給出)。同理,裝油時,浮子隨油面上升,到規(guī)定的高度Hh時,導(dǎo)磁片與傳感器的距離也只剩下隔板的厚度,傳感器放大器也會發(fā)出一個高油面的信號。圖5－26油箱高低報警測量原理圖

(a)低油面；(b)高油面霍爾開關(guān)不但動態(tài)特性好,而且環(huán)境適應(yīng)性好,既無機械磨損,又無觸點燒蝕缺陷,因而在自動控制及報警器電路中得到廣泛應(yīng)用。

圖5－27是一個開門報警器電路,使用時將TL3019霍爾傳感器裝在門框上,磁鐵裝在門板上。門關(guān)閉時,TL3019輸出保持低電平;門打開時,TL3019輸出電平由低變高,此正脈沖經(jīng)0.1μF電容延時后加到TLC555單穩(wěn)態(tài)定時器的控制端5和復(fù)位端4上,啟動定時器循環(huán)控制,使發(fā)光管TIL220發(fā)光,壓電報警器發(fā)聲,形成聲、光報警。圖中,定時器引腳6和7接1.0μF電容和5.1MΩ電阻,決定TLC555的RC時間常數(shù),即決定聲、光報警器發(fā)出聲、光時間的長短(約5s)。圖5－27霍爾傳感器在開關(guān)門中的應(yīng)用

4.霍爾式汽車無觸點點火裝置

傳統(tǒng)的汽車汽缸點火裝置使用機械式的分電器,存在著點火時間不準(zhǔn)確,觸點易磨損等缺點。利用霍爾開關(guān)無觸點晶體管點火裝置,可以克服上述缺點,提高燃燒效率。汽車四汽缸點火裝置示意圖如圖5－28所示。圖中的磁輪鼓代替了傳統(tǒng)的凸輪及白金觸點。發(fā)動機主軸帶動磁輪鼓轉(zhuǎn)動時,霍爾器件感受磁場極性交替改變,輸出一連串與汽缸活塞運動同步的脈沖信號去觸發(fā)晶體管功率開關(guān),點火線圈二次側(cè)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓,火花塞產(chǎn)生火花放電,完成汽缸點