第7章磁电式传感器.

1第七章磁电传感器2磁电型传感器是将磁信号转换成电信号或电参量的装置。利用磁场作为媒介可以检测很多物理量，如位移、振动、力、转速、加速度、流量、电流、电功率等。它不仅可实现非接触测量，并且不从磁场中获取能量。常用的磁电式传感器有磁电感应式传感器、磁栅式传感器、霍尔式传感器及各种磁敏元件等。3第一节霍尔传感器霍尔传感器是目前国内外应用最为广泛的一种磁敏传感器。霍尔传感器利用磁场作为媒介，可以检测很多的物理量，如微位移、加速度、转速、流量、角度等；也可用于制作高斯计、电流表、功率计、乘法器、接近开关和无刷直流电机等。它可以实现非接触测量，而且在很多情况下，可采用永久磁铁来产生磁场，不需附加能源。因此，这种传感器广泛应用于自动控制、电磁检测等各个领域中。4霍尔传感器有霍尔元件和霍尔集成电路两种类型。目前，霍尔传感器已从分立型结构发展到集成电路阶段。霍尔集成电路是把霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等做在一个芯片上的集成电路型结构。与前者相比，霍尔集成电路更具有微型化、可靠性高、寿命长、功耗低以及负载能力强等优点，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。5一、霍尔效应在半导体薄片上垂直施加磁场B，在薄片两个短边b方向通入控制电流I，则在磁场洛伦兹力FL作用下，在薄片两长边方向产生电动势，这种现象叫做霍尔效应。)27()(bLfBIdRUHHH输出电压控制电流磁感应强度霍尔常数霍尔元件形状系数------I------B------R)(HbLfHL、d、b为霍尔元件的几何参数6令)37(KHBIUH)(KbLfdRHHH霍尔传感器输出电压当霍尔元件的材料、几何尺寸确定后，其输出电压UH与控制电流I、磁感应强度B成正比。7二、霍尔元件的基本特性1.UH-I特性KH和B为常数是，输出电压UH与控制电流的关系。2.UH-B特性3.UH-IB特性8三、测量电路1.基本电路控制电流I；霍耳电势VH；控制电压V；输出电阻R2；输入电阻R1；霍耳负载电阻R3；霍耳电流IH。图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍耳输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本电路R实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。9霍尔传感器输出信号一般为mV级，需要放大。可以选择运算放大器放大电路，输出线性电压Vo=KUHHREUEIUH-+UoR1RFR2R3在一些场合，只需要输出一个开关量信号，这时运放的负反馈电阻RF？10四、误差及补偿1.零位误差及补偿I=0，B=0时出现的输出电压△UH.叫做零位误差。（1）产生零位误差的原因：①直流寄生电势②寄生感应电势③不等位电势可以电路方法补偿，运算放大器有调零电路也可以利用计算机软件补偿。112.温度误差及补偿半导体材料的电阻率随温度变化。控制电流大可以提高灵敏度，但会导致发热,增大误差。利用补偿电路或者软件方法进行温度补偿12五、集成霍尔传感器1.开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。这种集成电路一般由霍尔元件、稳压电路、差分放大器、施密特触发器以及OC门(集电极开路输出门)电路等部分组成。13开关型霍尔集成电路的开关形式有单稳态和双稳态两种，在输出上有单端输出和双端输出。常用的型号有UGN-3020系列和CS系列，外形结构有三端T型和四端T型(双端输出)，图8-13为UGN-3020系列开关型霍尔集成电路外形与内部电路框图。142．线性型霍尔集成电路线性型霍尔集成电路通常由霍尔元件，差分放大、射极跟随输出及稳压电路四部分组成。其特点是输出电压与外加磁感应强度B呈线性关系，它有单端输出和双端输出(差动输出)两种形式。外形结构有三端T型和八脚双列直插型，其电路框图和外形结构如图15六、霍尔传感器的应用部分霍尔传感器外观如图161.高斯计：2.电流计：3.转速计：4.霍尔开关：17例：柴油机防飞车保护装置下图所示是柴油机防飞车保护装置电路。该装置主体由检测传感部分和控制部分组成。检测部分由磁铁和霍尔传感器组成。磁铁用环氧树脂粘合而固定在柴油机的飞轮一侧上，其随着飞轮的运转，霍尔传感器（开关型）产生一个个计数脉冲信号。控制部分主要由频率／电压变换器件、控制继电器电磁阀组成。18频率／电压变换器件将频率信号转换为与之呈线性对应的电压信号，并经内部运放和输出放大级后输出。当信号频率高于一定值时，输出放大级输出电压增大到继电器的吸合电压，使继电器KA吸合，并通过二级管VD将LM2917的3脚电位钳定，从而实现了超速锁定的目的。这时即使信号频率下降，控制继电器KA仍将处于吸合状态，直到断开电源为止。继电器KA吸合，电磁阀YV切断柴油机供油，从而迫使柴油机停车，保护柴油机和它的负载机械不会因为飞车（过速）而损坏。19例：照明自动控制装置当人打开门进卫生间再关上门时，磁钢G离开霍尔集成传感器HG（CS-3020），HG输出高电平脉冲，触发单稳电路A1，A1的1脚输出高电平信号，此高电平信号又触发A2，A2的13脚输出高电平，经VT放大驱动VS双向晶闸管导通，EL灯亮，同时LED发光。经任意长时间，拉门出来再关上门时，磁钢G再次离开HG，HG输出一正脉冲，使A1又一次输出高电平，A2再次发生翻转，脚13变为低电平，VT和VS均截止，EL和LED熄灭。20第二节、磁敏电阻一、磁阻效应某些半导体材料在磁场作用下，其电阻的阻值随磁场的变化而变化，这种现象叫磁阻效应（MR）。利用这种效应制成的元件称为磁敏电阻。金属和半导体材料都有磁阻效应，由于半导体材料的磁阻效应更显著，故目前生产的磁敏电阻都是用半导体材料制成的。利用该现象制作的电阻，就是磁敏电阻21二、磁敏电阻的特性包括三方面•磁阻灵敏度•词组特性•磁阻温度系数22三、应用1.直线位移传感器2.磁卡23第三节、磁敏二极管和磁敏三极管一、磁敏二极管具有二极管结构，其输出随外界磁性量变化而变化的磁敏元件利用半导体材料的磁阻效应。磁敏二极管工作时需要加正向偏压磁场变化→磁敏二极管电阻变化→UO变化。温度对磁敏二极管影响较大，一般需要进行温度补偿。单管——用热敏电阻补偿二管——差动半桥电路四管——差动全桥选择电阻R——类似于晶体管电路选择静态工作点。9V+-UOR24（2）磁电特性在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场间的变化关系，叫做磁敏二极管的磁电特性。磁敏二极管的磁电特性曲线（a）单个使用时（b）互补使用时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/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.03kΩREE=12V（18V）Td=20℃（a）（b）ΔU/VΔU/V下图表示的是磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线。25二、磁敏三极管在磁敏二极管的基础上发展起来的器件。比磁敏二极管温度特性好。主要用于磁检测、无触点开关和近接开关等。26特性与普通晶体管的伏安特性曲线类似。由图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于1。(1)伏安特性Uce/VIb=0Ib=5mA1.00.80.60.40.20246810Ic/mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mA(1)为不受磁场作用时Uce/VIb=3mA,B=-1kG1.00.80.60.40.20246810Ic/mAIb=3mA,B=0Ib=3mA,B=1kG(2)磁场为1kGs基极为3mA27(2)磁电特性磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，右图为国产NPN型3BCM(锗)磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用下，曲线接近一条直线。-3-2-112345B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.13BCM磁敏三极管的磁电特性28(3)温度特性及其补偿磁敏三极管对温度比较敏感，使用时必须进行温度补偿。对于锗磁敏三极管如3ACM、3BCM，其磁灵敏度的温度系数为0.8％/0C；硅磁敏三极管(3CCM)磁灵敏度的温度系数为-0.6％/0C。因此，实际使用时必须对磁敏三极管进行温度补偿。29具体补偿电路如图所示。当温度升高时，V1管集电极电流IC增加．导致Vm管的集电极电流也增加，从而补偿了Vm管因温度升高而导致IC的下降。对于硅磁敏三极管因其具有负温度系数，可用正温度系数的普通硅三极管来补偿因温度而产生的集电极电流的漂移。ECR1μAmAV1VmReR2补偿电路(a)30利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的特性，使其作为硅磁敏三极管的负载，从而当温度升高时，可补偿硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降。WVmU0EC补偿电路(b)补偿用磁敏二极管31下图是采用两只特性一致、磁极相反的磁敏三极管组成的差动电路。这种电路既可以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿，它是一种行之有效的温度补偿电路。U0W1RLVm1Vm2ECW2RLRe补偿电路(c)32（4）频率特性3BCM锗磁敏三极管对于交变磁场的频率响应特性为10kHz。（5）磁灵敏度磁敏三极管的磁灵敏度有正向灵敏度h+和负向灵敏度h-两种。其定义如下：T/%BIIIhCCCB10000