磁敏式傳感器課件

磁敏式傳感器固態(tài)傳感器

以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等為敏感材料，在力、磁、熱、光、射線、氣體、濕度等因素作用下引起材料物理特性變化，通過檢測(cè)其物理特性變化即可反映被測(cè)參數(shù)值。優(yōu)點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小型輕量；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，輸出為電量；易實(shí)現(xiàn)集成化、多功能化、圖像化、智能化；功耗低，安全可靠。缺點(diǎn)：線性范圍窄、易受溫度影響、參數(shù)離散性大。代表傳感器的重要發(fā)展方向（磁敏、光敏、氣敏、濕敏）磁敏式傳感器磁電式傳感器霍爾傳感器磁敏電阻磁敏二極管、磁敏晶體管種類：變氣隙（磁通）式（變磁阻式），由被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)改變磁阻，線圈與磁鐵之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)；

恒磁通式（動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式），線圈與磁鐵之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。原理：根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在任何電路或與磁通φ交鏈的w匝線圈中，當(dāng)φ隨時(shí)間變化時(shí)，將感應(yīng)出與磁通變化速率成正比的電壓或電勢(shì)：磁電式傳感器例1：閉磁路變磁通式由被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)引起磁阻變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。頻數(shù)轉(zhuǎn)速偏心量振動(dòng)量磁電式傳感器例2：動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式，線圈和磁鐵間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。B0——工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；L——每匝線圈平均長(zhǎng)度；W——線圈匝數(shù)；v——相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度構(gòu)成線速度傳感器磁電式傳感器磁電式傳感器

應(yīng)用測(cè)振式傳感器航空發(fā)動(dòng)機(jī)、各種大型電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、機(jī)床、車輛、軌枕振動(dòng)臺(tái)、化工設(shè)備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與研究。

質(zhì)量為m、彈簧剛度為k，阻尼系數(shù)為b的單自由度機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，要求選擇較大的質(zhì)量塊m和較小的彈簧常數(shù)k。

磁電式力發(fā)生器與激振器

磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，如果給速度傳感器的線圈輸入電量，那么其輸出量即為機(jī)械量。扭矩測(cè)量、流量測(cè)量

磁電式傳感器扭矩測(cè)量當(dāng)線圈不受扭矩時(shí)，兩線圈輸出信號(hào)相同，相位差為零；當(dāng)被測(cè)軸感受扭矩時(shí)，軸的兩端產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，因此傳感器輸出的兩個(gè)感生電勢(shì)將因扭矩而有附加相位差。磁電式檢測(cè)頭磁電式檢測(cè)頭轉(zhuǎn)軸齒輪液體流動(dòng)方向由外到內(nèi)磁電式傳感器電磁流量計(jì)——在導(dǎo)電的、非磁性液體外部建立激勵(lì)磁場(chǎng)，將產(chǎn)生與磁場(chǎng)和流動(dòng)方向垂直的電動(dòng)勢(shì)。磁電式傳感器

此方法適用于導(dǎo)電、非磁性液體，輸出與液體密度、溫度、粘滯度等無關(guān)，可用于血液流量測(cè)量。

置于磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻柺絺鞲衅骰魻柺絺鞲衅骰驹磔d流子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而形成電場(chǎng)E，當(dāng)載流子受到的電場(chǎng)力與洛倫茲力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，累積電荷形成穩(wěn)定的電勢(shì)UH

。其中——霍爾常數(shù)

——磁場(chǎng)與元件平面法線方向的夾角

d——與磁場(chǎng)方向一致的霍爾元件厚度 由得知，d越小，越大，則感生電動(dòng)勢(shì)越大，故一般霍爾元件是由霍爾系數(shù)很大的N型半導(dǎo)體材料制作的薄片，厚度微米級(jí)?；魻柺絺鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)a、a’——激勵(lì)電極、控制電極，b、b’——霍爾電極霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。

霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料（高的電阻率和載流子的遷移率）。目前最常用的霍爾元件材料有N型鍺(Ge)、N型硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導(dǎo)體材料。封裝——非磁性金屬、陶瓷、環(huán)氧樹脂?；魻柺絺鞲衅鞯牟牧匣魻柺絺鞲衅鞯臏y(cè)量電路

R——調(diào)節(jié)電阻

RL——負(fù)載電阻在實(shí)際使用中，可以把激勵(lì)電流I或外磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度B作為輸入信號(hào)，而輸出信號(hào)正比于I或B，或兩者的乘積?；倦娐坊魻柺絺鞲衅鞯臏y(cè)量電路

電磁特性——UH–I特性

直線斜率稱為控制電流靈敏度：控制電流為交流時(shí)頻率可達(dá)幾千兆赫茲，且元件噪音很小。圖中HZ表示鍺霍爾元件霍爾式傳感器的測(cè)量電路

電磁特性——UH–B特性

當(dāng)控制電流不變時(shí)，元件開路霍爾電勢(shì)隨磁場(chǎng)的增加不完全呈線性關(guān)系，通常在0.5T以下時(shí)線性度較好?；魻栐霓D(zhuǎn)換效率較低，可將幾個(gè)霍爾元件的輸出串聯(lián)或采用運(yùn)算放大器放大，以獲得較大的UH。將霍爾元件與放大、整形等電路集成在同一芯片上，具有體積小、靈敏度高、價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)?；魻柺絺鞲衅鞯臏y(cè)量電路霍爾集成傳感器有線性型和開關(guān)型兩種。線性型霍爾集成傳感器將霍爾元件、恒流源和線性放大器等集成在一塊芯片上，輸出電壓較高（伏級(jí)），使用方便。線性型霍爾式傳感器開關(guān)型霍爾集成傳感器將霍爾元件、穩(wěn)壓器、差分放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在一塊芯片上。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到或超過工作點(diǎn)時(shí)，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出為低電平；當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出變?yōu)楦唠娖?。開關(guān)型霍爾式傳感器誤差分析及其補(bǔ)償不等位電勢(shì)誤差及其補(bǔ)償B=0，當(dāng)霍爾電極2、2’不在同一等位面上時(shí)，輸出電壓將不為零，補(bǔ)償?shù)哪康氖鞘闺姌蚧謴?fù)平衡，常用的方法是采用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。誤差分析及其補(bǔ)償不等位電勢(shì)誤差補(bǔ)償線路誤差分析及其補(bǔ)償

溫度誤差及其補(bǔ)償

霍爾元件對(duì)溫度變化十分敏感，設(shè)基準(zhǔn)溫度為T0：溫度上升為T時(shí)：誤差分析及其補(bǔ)償令：整理后得：將上式展開，并略去項(xiàng)，整理后得：

由于霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)和補(bǔ)償電阻溫度系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于霍爾元件內(nèi)阻溫度系數(shù)，即：，當(dāng)元件確定后，可根據(jù)下式確定補(bǔ)償電阻值。應(yīng)用：磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器（高斯計(jì)）；電流、電壓傳感器；位移、壓力、加速度傳感器等。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大(輸出電勢(shì)變化范圍可達(dá)1000:1)、壽命長(zhǎng)等?；魻柺睫D(zhuǎn)速測(cè)量傳感器——根據(jù)霍爾傳感器的輸出脈沖數(shù)可計(jì)算出車輪轉(zhuǎn)速霍爾式傳感器的應(yīng)用

霍爾器件在x方向上長(zhǎng)度為b，x0是位于氣隙下的初始長(zhǎng)度。此傳感器常采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。霍爾式位移傳感器ΔxUH0計(jì)數(shù)傳感器霍爾式計(jì)數(shù)傳感器霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾電流傳感器霍爾電壓傳感器

目前汽車中大部分使用的還是接觸型的傳感器，非接觸型傳感器的價(jià)格不占優(yōu)勢(shì)，但它卻具有環(huán)保、耐用、抗震、易安裝等接觸型傳感器無法匹敵的優(yōu)點(diǎn)，向非接觸傳感方向發(fā)展將是大勢(shì)所趨。在非接觸型傳感器中，憑借著高可靠性等優(yōu)勢(shì)，霍爾效應(yīng)傳感器(HallEffectSensor)在汽車領(lǐng)域贏得廣泛的應(yīng)用空間。如檢測(cè)齒輪齒速、油門位置、尾氣再循環(huán)閥位置、馬達(dá)與傳動(dòng)的速度和位置、用于防鎖閘和牽引系統(tǒng)的車輪速度傳感器、腳踏板、座椅安全帶、剎車與離合器的位置、車鎖、車窗及油耗等諸多方面。/ART_8800413543_480501_NT_5b2ad997.HTM

當(dāng)一載流半導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，其電阻值會(huì)隨磁場(chǎng)而變化的這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。在磁場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體片內(nèi)電流分布是不均勻的，改變磁場(chǎng)的強(qiáng)弱就影響電流密度的分布，故表現(xiàn)為半導(dǎo)體片的電阻變化。式中：ρ0——零磁場(chǎng)時(shí)的電阻率；

Δρ——磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)電阻率的變化量；

K——比例因子；

μ——電子遷移率；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；

L，b——分別為磁敏電阻的長(zhǎng)（沿電流方向）和寬；

f(L/b)——形狀效應(yīng)系數(shù)。磁敏電阻磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)及幾何形狀有關(guān)，一般遷移率大的材料，磁阻效應(yīng)愈顯著；元件的長(zhǎng)、寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大。與霍爾效應(yīng)的區(qū)別：霍爾電勢(shì)是指垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應(yīng)則是沿電流方向的電阻變化。磁阻效應(yīng)磁敏電阻常選用銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）和銻化鈮（NiSb）等半導(dǎo)體材料，在絕緣基片上蒸鍍薄的半導(dǎo)體材料，也可在半導(dǎo)體薄片上光刻或腐蝕成型（柵狀結(jié)構(gòu)）。磁敏電阻的結(jié)構(gòu)和特性主要特性：

磁電特性：當(dāng)B<0.3T時(shí)，電阻的變化率與磁場(chǎng)的平方成正比；當(dāng)B>0.3T時(shí)，成線性關(guān)系。與磁場(chǎng)的正負(fù)無關(guān)；

溫度特性：溫度系數(shù)影響大；

頻率特性：工作頻率范圍大，一般為1~10MHz；磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。磁敏電阻的結(jié)構(gòu)和特性接近開關(guān)和無觸點(diǎn)開關(guān)、計(jì)數(shù)器；無接觸線位移傳感器；力、加速度等參數(shù)的測(cè)量；精密傾斜角測(cè)量等。R1、R2磁敏電阻位移傳感器磁敏電阻的應(yīng)用

線性、角度、旋轉(zhuǎn)位移傳感器，可以測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度。磁敏二極管、三極管P型和N型電極由高阻材料制成，I為本征區(qū)。I區(qū)的r面粗糙，設(shè)置成高復(fù)合區(qū)（r區(qū)），目的是使電子－空穴對(duì)易于在粗糙表面復(fù)合而消失；另一面比較光滑。磁敏二極管磁場(chǎng)強(qiáng)度的改變引起電流發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。當(dāng)磁敏二極管受到外界磁場(chǎng)H+作用時(shí)，電子和空穴受到洛侖茲力的作用向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，電子和空穴復(fù)合速度加快，所形成的電流減??；當(dāng)磁敏二極管受到外界磁場(chǎng)H－作用時(shí)，電子和空穴受到洛侖茲力的作用向I區(qū)偏轉(zhuǎn)，電子和空穴復(fù)合速度減慢，所形成的電流增大。磁敏二極管工作原理

如果外加正向偏壓，即P區(qū)接正，N區(qū)接負(fù)，那么將會(huì)有大量空穴從P區(qū)注入到I區(qū)，同時(shí)也有大量電子從N區(qū)注入到I區(qū)，如將這樣的磁敏三極管置于磁場(chǎng)中，則注入的電子和空穴都要受到洛侖茲力的作用而向一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，當(dāng)磁場(chǎng)方向使電子和空穴向r面偏轉(zhuǎn)時(shí)，它們將因復(fù)合而消失，因而電流很??；當(dāng)磁場(chǎng)方向使電子和空穴向光滑面偏轉(zhuǎn)時(shí)它們的復(fù)合率變小，電流就大。磁敏三極管工作原理由此可見，高復(fù)合面與光滑面的復(fù)合率差別愈大，磁敏三極管的靈敏度也就愈高。磁敏三極管在不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向下的伏安特性曲線不同。利用這些特性曲線就能根據(jù)某一偏壓下的電流值來確定磁場(chǎng)的大小和方向。

在正反向磁場(chǎng)作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。當(dāng)受到正向磁場(chǎng)(H+)作用時(shí)，載流子向發(fā)射極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流減小。當(dāng)受到負(fù)向磁場(chǎng)(H-)作用時(shí)，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大。(1)靈敏度高，磁敏三極管的靈敏度比霍爾元件高幾百甚至上千倍，而且線路簡(jiǎn)單，成本低廉，更適合于測(cè)量弱磁場(chǎng)。(2)具有正反磁靈敏度，這一點(diǎn)是磁阻器件所欠缺的。(3)靈敏度與磁場(chǎng)關(guān)系呈線性的范圍比較窄。這一點(diǎn)不如霍爾元件。磁敏三極管