第四章磁力传感器

ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT第四章磁传感器教学目的与要求：要求学生了解磁传感器的分类及特点;理解感应式磁敏传感器的原理；掌握霍尔传感器的工作原理、特性及应用。教学重点：霍尔传感器的工作电路、特性及应用教学难点：霍尔效应ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT磁敏传感器是对磁场参量(B,H,φ)敏感的元器件或装置,具有把磁学物理量转换为电信号的功能。第四章磁传感器质子旋进式磁敏传感器光泵式磁敏传感器SQUID（超导量子干涉器）磁敏传感器磁通门式磁敏传感器感应式磁敏传感器半导体磁敏传感器霍尔器件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻机械式磁敏传感器光纤式磁敏传感器ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT一、霍耳磁敏传感器通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。+I+++++++++++－－－－－－Ｂlwd霍耳效应原理图VH它是利用霍耳元件基于霍耳效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。1、霍耳效应ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。霍尔效应演示ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT霍耳电势VH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。dIBRVHHHR—霍耳系数，由载流材料物理性质决定。型）（型）（PqpRNqnRHH11μ—载流子迁移率,μ=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。金属材料，电子μ很高但ρ很小，绝缘材料，ρ很高但μ很小。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。q—电子电量ρ—材料电阻率ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT设KH=RH/dKH—霍耳器件的乘积灵敏度。它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霍耳电势的大小。若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为θ时，霍耳电势应为：VH＝KHIBVH＝KHIBcosθ由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米。ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT2、霍尔元件(1)霍耳元件的基本电路基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端或输出端。电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。H霍耳器件符号AAABBBCCCDDDch4磁传感器传感器与测试技术EXIT控制电流I；霍耳电势VH；控制电压V；霍耳负载电阻R3；霍耳电流IH。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。ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成，霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。当外加磁场时,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压,经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍耳线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出两种。（2）霍耳线性集成传感器ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT霍耳线性集成传感器的输出特性如下图：ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT单端输出传感器的电路结构框图23输出+－稳压VCC1霍耳元件放大地H稳压H3VCC地4输出输出18675双端输出传感器的电路结构框图单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT典型应用􀁺电流传感器、转速检测、电机控制、铁质金属检测、􀁺位置传感器、磁码读取、振动检测、液位传感器、􀁺压力传感器ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。（3）霍耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器的应用领域：点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等。ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。霍耳开关集成传感器内部结构框图23输出+－稳压VCC1霍耳元件放大BT整形地Hch4磁传感器传感器与测试技术EXIT3020T输出VoutR=2kΩ+12V123（b）应用电路（a）外型霍耳开关集成传感器的外型及应用电路123ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞BH，图中的BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。霍耳开关集成传感器的工作特性曲线VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB0当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用。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。应用这类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。3、霍耳磁敏传感器特点及应用实例霍耳元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，结构简单、体积小、无触点、频带宽，动态性能好以及寿命长。ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT测量磁场的大小和方向电位差计mAESNR霍耳磁敏传感器测磁原理示意图ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT测量铁心气隙的B值霍尔元件霍尔传感器用于测量磁场强度ch4磁传感器传感器与测试技术EXITch4磁传感器传感器与测试技术EXIT霍尔压力传感器结构原理ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT无触点开关ch4磁传感器传感器与测试技术EXITn=60f4(r/min)软铁分流翼片开关型霍尔ICT霍尔式接近开关用于转速测量演示ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT测转速：（教材P157图4-20）ch4磁传感器传感器与测试技术EXITSN线性霍尔磁铁在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。霍尔转速表ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT计数装置(导磁产品)ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT电流传感器当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。ch4磁传感器传感器与测试技术EXITch4磁传感器传感器与测试技术EXIT铁心线性霍尔ICEH=KHIB霍尔电流传感器演示ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT铁磁材料裂纹检测NSch4磁传感器传感器与测试技术EXIT霍尔效应钢丝断丝检测装置1—钢丝绳2—霍尔元件3—永久磁铁ch4磁传感器传感器与测试技术EXIT带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用Anti-lockBrakingSystemch4磁传感器传感器与测试技术EXITch4磁传感器传感器与测试技术EXITP209：4-3本章要点：1、霍尔线性集成传感器2、霍尔开关集成传感器原理、特性、应用作业题：