中南大学传感与检测pptch9-ch10-磁电和霍尔传感器.

第9章磁电式传感器第10章霍尔式传感器2020/1/82概述磁电式传感器是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、速度等）转换成电信号的一种传感器，也称电磁感应传感器。原理：根据电磁感应定律，当N匝线圈在恒定磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内会产生感应电动势:e=-Nd/dt可见，线圈中感应电势的大小与线圈匝数和穿过线圈的磁通变化率有关。一般情况下，匝数固定，磁通变化率与磁场强度B、磁路磁阻Rm、线圈的运动速度v有关；改变其中任一参数，都会改变线圈中的感应电势。分类：按结构方式不同，分为动圈式和磁阻式两大类。9.磁电式传感器2020/1/839.磁电式传感器9.1动圈式磁电传感器动圈式磁电传感器又可分为线速度型与角速度型。1）线速度型传感器工作原理如图所示，在永久磁铁产生的磁感应强度为B的直流磁场内，放置一可动线圈，当线圈沿垂直磁场的方向以相对磁场的速度v直线运动时，它产生的感应电动势为：e=-NBlv式中，N—线圈匝数；l—单匝线圈的有效长度。上式表明，当B,N和l恒定不变时，可根据感应电动势e的大小计算出被测线速度v的大小。2020/1/849.1动圈式磁电传感器2）角速度型传感器工作原理如图所示，线圈在磁场中以角速度旋转时产生的感应电动势为：e=-kNBS式中,S—单匝线圈的截面积；k—与结构有关的系数，k1。上式表明，当传感器结构确定后，N、B、S和k皆恒定不变，可根据感应电势大小确定被测量。故这种传感器常用于转速测量。需注意的是在上两式中的v、指的是线圈与磁铁的相对速度，不是磁铁的绝对速度。9.磁电式传感器2020/1/859.2磁阻式磁电传感器1）基本原理与动圈式磁电传感器不同，磁阻式磁电传感器工作时，其线圈与磁铁部分是相对静止的，由与被测量连结的物体（导磁材料）的运动来改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，在线圈中产生感应电势。2）应用磁阻式磁电传感器一般常用于测量转速、偏心、振动等，产生感应电动势的频率作为输出，而电势的频率取决于磁通变化的频率。下图a、b、c可测旋转物体的角频率，在圆轮旋转时，圆轮上的凸处的位置发生变化，引起磁路中磁阻变化，从而引起贯穿线圈的磁通量发生变化，产生交变电势。9.磁电式传感器2020/1/869.2磁阻式磁电传感器2）应用被测体转动时线圈产生的交变电势频率：f=n/60=/(2)式中，f—感应电势频率（周/秒）；—圆轮的角速度；n—圆轮的转速（转/分）。测量线圈产生的电势频率，可得其转速。9.磁电式传感器2020/1/879.3磁电式传感器的测量电路磁电式传感器直接输出感应电势，且传感器通常有较高的灵敏度，所以一般不需高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度，需要配积分或微分电路。下图为一般测量电路方框图。其中虚线框内整形及微分部分电路仅用于以频率作为输出时。9.磁电式传感器2020/1/8810.霍尔式传感器概述霍耳效应于1870年代发现。但因其十分微弱，以致其很长一段时间都没进入实用。1950年代末，随着三、五价化合物半导体材料的开发，才找到了电子迁移率非常大的新材料[如：锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）、砷化镓（GaAs）等]，成为霍耳器件制造所必需的材料，使霍耳器件得以广泛应用。随着导体工艺的飞速发展，霍耳器件的水平也大大提高，已发展到单晶、多晶薄膜化和硅霍耳集成化阶段。霍尔传感器是基于霍尔效应的一种磁敏传感器。目前磁敏器件种类较多，不同材料制作的磁敏器件，其工作原理与特性也不相同。随着新的磁特性或磁现象的发现，以及功能材料和IC技术的发展，除了集成霍尔器件和集成磁阻器件外，还出现了基于巨磁阻效应、巨磁阻抗效应的巨磁电阻器件等新型器件。2020/1/8910.1霍尔效应与器件1）霍尔效应如图所示，在金属或半导体薄片相对两侧面ab通以控制电流I，在薄片垂直方向上施加磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上，即另两侧面cd会产生一个大小与控制电流I和磁场B乘积成正比的电动势UH，这一现象称为霍尔效应。10.霍尔式传感器2020/1/81010.1霍尔效应2）产生机理如上左图所示，垂直于外磁场B的导体通电流I时，定向运动的载流子受磁场的洛伦兹力FL作用，除了做平行于电流方向的定向运动外，还在FL作用下漂移，使薄板内一侧累积电子，另一侧累积正电荷，形成一个内电场，即霍尔电场。霍尔电场EH的产生使定向运动的电荷除受FL作用外，还因电场力FE=eUH/(cd)的作用渐渐增强而被阻止继续积累。随着内、外侧面累积的电荷增加，霍尔电场增大，当电荷所受FL与霍尔电场力大小相等方向相反，即FE=FL时，电荷不再向两侧面累积而达到平衡状态，形成稳定的霍尔电势。10.霍尔式传感器2020/1/81110.1霍尔效应3）霍耳电势与材料设导电体长l，宽w，厚d。若导电体单位体积内的电子数(电子浓度)为n，电子定向运动平均速度为v，则激励电流(控制电流)I=-nevwd。在垂直方向的磁感应强度B作用下，电子所受洛仑兹力为：FL=evB，其中e为电子电量(1.62×10-19C)。同时，作用于电子的电场力为：FE=eEH=eUH/w。当电荷累计达到动态平衡时，FE=FL，因此：UH=wvB由I=-nevwd得：wv=-I/(ned)所以：UH=wvB=-IB/(ned)10.霍尔式传感器2020/1/81210.1霍尔效应3）霍耳电势与材料令RH=-1/(ne)，称之为霍尔系数(其大小由材料性质决定)，则有：UH=RHIB/d若载流子为空穴(如P型半导体)，设其浓度为p，则：RH=1/(qp)=其中，为材料电阻率；为载流子迁移率。对于金属：很高但很小；对于绝缘材料：很高但很小。因此，为获大的霍尔效应也即大霍尔系数，宜选半导体。设KH=RH/d，则：UH＝KHIB其中KH—霍耳器件灵敏度，与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍耳电势大小。KH与厚度成反比，故霍尔器件一般为薄片。10.霍尔式传感器2020/1/81310.1霍尔效应3）霍耳电势与材料需注意：d并非越薄越好。越薄将会增加霍耳器件的输入和输出阻抗从而增加功耗，对电子迁移率不大的Ge材料来说不适当。若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为，则霍耳电势为：UH＝KHIBcos。显然，控制电流或磁场的方向改变，霍耳电势的方向也改变。但磁场与电流同时变方向时，霍耳电势不改变方向。10.霍尔式传感器2020/1/814霍耳器件(a)实际结构(mm)；(b)简化结构；(c)等效电路外形尺寸:6.4×3.1×0.2;有效尺寸：5.4×2.7×0.210.2霍尔器件1）霍耳元件结构d（b）0.5（a）slw电流极2.15.42.7AB0.20.3CD霍耳电极R4ABCDR1R2R3R4（c）构成：霍尔片+引线+壳体。其中，霍尔片是一矩形半导体薄片，在其四端引四根线，分别为激励电流引线(称激励电极),输出引线(称霍尔电极)。霍尔元件的等效电路如图c所示。10.霍尔式传感器2020/1/815输入电阻Ri：电流电极间的电阻；输出电阻Ro：霍耳端子间内部的电阻；灵敏度KH：乘积灵敏度。不等位电势：额定I下外磁场为零时霍尔输出端的开路电压；由4个电极的几何不对称所致，需要补偿。霍尔电势温度系数：一定的B和I下，温度变化的霍尔电势变化的百分数。最大激励电流IM：最大磁感应强度BM：常用霍尔元件及技术参数霍尔元件型号命名方法如右图所示，技术参数见教材表3-11。10.2霍尔器件2）霍耳元件主要技术参数及影响因素10.霍尔式传感器2020/1/81610.2霍尔器件3）霍尔元件的温度补偿和不等位电势补偿(1)温度补偿下左图所示为各种不同材料的霍尔器件内阻与温度的关系；可知，内阻都受温度影响，但趋势特点不同；右下图所示为不同材料的霍尔输出电势随温度变化的情况；可见，霍尔输出电势随温度变化的特征取决于材料和温度。10.霍尔式传感器2020/1/81710.2霍尔器件3）霍尔元件的温度补偿和不等位电势补偿(1)温度补偿为减少由温度变化所引起的温差电势对霍尔元件输出的影响，可根据不同情况，采取一些不同的补偿方法。恒流源补偿：如下图a所示，R=Ri(-)/。利用输出回路的负载进行补偿：如下右图所示，RL=R0/。abc等效电路10.霍尔式传感器2020/1/81810.2霍尔器件3）霍尔元件的温度补偿和不等位电势补偿(2)不等位电势补偿不等位电势的产生，会使霍尔元件或传感器在使用中产生零位误差。所以在高精度测量中，都采用不等位电势补偿的方法来尽量排除它对霍尔输出的影响。当两电极不在同一等位面上时（如r1r2），则电桥失去平衡，U0=0，此时就需进行补偿，其补偿电路如图c所示10.霍尔式传感器2020/1/81910.2霍尔器件3）霍尔元件的温度补偿和不等位电势补偿(2)不等位电势补偿电桥补偿方法即初始平衡的电桥因温度变化而产生不平衡输出，使这个不平衡输出正好抵消霍尔器件因温度变化产生的输出变化。w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt10.霍尔式传感器2020/1/82010.2霍尔器件4）霍尔元件的基本测量电路右图示出了霍尔元件的基本测量电路。为获得较大的霍尔输出，可采用输出叠加的连接方式（如下图所示）。图a为直流供电情况，图b为交流供电情况。10.霍尔式传感器2020/1/82110.2霍尔器件5）霍尔元件使用注意事项(1)驱动方式霍尔元件驱动方式有恒压和恒流两种，电路如图下所示。(2)散热(3)安装①安装应坚实牢固；②不可有扭曲现象。10.霍尔式传感器2020/1/82210.3霍尔集成传感器由霍尔元件及有关电路组成的传感器称为霍尔传感器。随着微电子技术的发展，目前霍尔传感器都已集成化，即把霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源或恒流电源等集成在一个芯片上，由于其外形与集成电路相同，故又称霍尔集成电路。1）霍尔集成传感器分类霍尔传感器的霍尔材料仍以半导体硅作为主要材料，按其输出信号的形式可分为线性型和开关型两种。2）组成与结构组成：稳压电路、霍耳元件、放大与整形电路、开路输出稳压电路：使传感器在较宽电源电压范围内工作；开路输出：方便传感器与各种逻辑电路接口。10.霍尔式传感器2020/1/82310.3霍尔集成传感器3）线性型霍尔集成传感器线性型霍尔集成传感器是将霍尔元件和恒流源，线性放大器等做在同一芯片上，输出电压较高，使用非常方便。例如：UGN3501M是具有双端差动输出特性的线性霍尔器件，UGN3501M的外形、内部电路框图如图。10.霍尔式传感器2020/1/82410.3霍尔集成传感器4）开关型霍尔集成传感器开关型霍尔集成传感器是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门等电路做在同一芯片上。例：开关型霍尔集成电路UGN3019，其外型与内部电路框图如图所示。10.霍尔式传感器2020/1/82510.4霍尔传感器的应用1）应用概述霍尔元件及霍尔传感器的应用十分广泛。在测量领域，可用于磁场、电流、位移、压力、振动、转速等的测量；在通信领域，可用于放大器、振荡器、相敏检波、混频、分频以及微波功率测量等；在自动化技术领域，可用于无刷直流电机、速度传感、位置传感、自动记数、接近开关、霍尔自整角机构成的伺服系统和自动电力拖动系统等。利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等进行测量和控制。磁敏传感器应用一个重要的特点是需要？10.霍尔式传感器2020/1/82610.4霍尔传感器的应用2）简易高斯计霍尔元件及传感器广泛用于磁场测量。下图为一简易高斯计电路，它直接采用线性型霍尔传感器UGN-3501M。3）计数装置下图是一个应用霍尔传感器进行钢球计数的装置及电路。10.霍尔式传感器2020/1/82710.4霍尔传感器的应用4）霍尔接近开关利用开关型霍尔集成电路制作的接近