1、1第7章 磁電式傳感器 7.1 磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器7.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 27.1 磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器 磁電感應式傳感器又稱磁電式傳感器， 是利用電磁感應原理將被測量（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的一種傳感器。它不需要輔助電源， 就能把被測對象的機械量轉換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器。 由于它輸出功率大， 且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（101000 Hz），所以得到普遍應用。 37.1.1 磁電感應式傳感器工作原理磁電感應式傳感器工作原理 根據(jù)電磁感應定律， 當導體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導體內產(chǎn)生的感應電勢為 Blvdtd

2、xBldtde(7-1)式中: B穩(wěn)恒均勻磁場的磁感應強度；l導體有效長度；v導體相對磁場的運動速度。 4如果在線圈運動部分的磁場強度如果在線圈運動部分的磁場強度B是均勻的，是均勻的，則當線圈與磁場的相對速度為則當線圈與磁場的相對速度為時，線圈的感應電動勢：時，線圈的感應電動勢： sinaNBlE 為運動方向與磁場方向間夾角，當為運動方向與磁場方向間夾角，當90，線圈的感應電，線圈的感應電動勢為：動勢為：aNBlE 當當N、B和和la恒定不變時，恒定不變時，E與與=dx/dt成正比，成正比，根據(jù)感應電動勢根據(jù)感應電動勢E的大小就可以知道被測速度的大小。的大小就可以知道被測速度的大小。 上一頁下

3、一頁返 回5若線圈作旋轉運動，它的工作方式類似于一若線圈作旋轉運動，它的工作方式類似于一只發(fā)電機，線圈在磁場中轉動的感應電勢只發(fā)電機，線圈在磁場中轉動的感應電勢6 若線圈作旋轉運動，它的工作方式類似于一只發(fā)電機，線圈在磁場中轉動的感應電勢為： 其中B為磁感應強度，A為每匝線圈的平均截面積。7 當結構參數(shù)B、l、A、W確定后，那么感應電動勢就只是 的函數(shù)，且成正比，故可用來測振動和轉速。 , v8 當一個W匝線圈相對靜止地處于隨時間變化的磁場中時，設穿過線圈的磁通為，則線圈內的感應電勢e與磁通變化率d/dt有如下關系： dtdWe 根據(jù)以上原理，人們設計出兩種磁電式傳感器結構：變磁變磁通式和恒磁

4、通式通式和恒磁通式。(7-2) 二、磁電式傳感器的結構和分類二、磁電式傳感器的結構和分類變磁通式變磁通式恒磁通式恒磁通式分分類類感生電動勢原理感生電動勢原理動生電動勢原理動生電動勢原理EXITEXITEXIT根據(jù)電磁感應定律，當導體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂根據(jù)電磁感應定律，當導體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導體內產(chǎn)生的感應電勢為直磁場方向運動時，導體內產(chǎn)生的感應電勢為 B穩(wěn)恒均勻磁場的磁感應強度；穩(wěn)恒均勻磁場的磁感應強度；l導體有效長度；導體有效長度；v導體相對磁場的運動速度。導體相對磁場的運動速度。 BlvdtdxBtdtdE1 1、恒磁通式工作原理、恒磁通式工作原理10 磁路系統(tǒng)

5、產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。 其運動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式），動圈式（圖7-2（a）和動鐵式（圖7-2(b)）的工作原理是完全相同的。 當殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質量相對較大， 當振動頻率足夠高（遠大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動， 近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，線， 從而從而產(chǎn)生感應電勢。

6、產(chǎn)生感應電勢。恒定磁通式應用恒定磁通式應用11圖7-2 恒定磁通式磁電傳感器結構原理圖（a） 動圈式； (b) 動鐵式 12lvWBe0(7-3) 式中：B0工作氣隙磁感應強度； l每匝線圈平均長度； W線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù)； v相對運動速度。 該電動勢與速度呈一一對應關系，可直接測該電動勢與速度呈一一對應關系，可直接測量速度，經(jīng)過幾分或微分電路便可測量位移或加量速度，經(jīng)過幾分或微分電路便可測量位移或加速度。速度。EXITEXITEXIT三、磁電式傳感器測量電路三、磁電式傳感器測量電路 磁電式傳感器直接輸出電動勢，且通常具有高的靈敏度，一般磁電式傳感器直接輸出電動勢，且通常具有高的靈敏度

7、，一般不需要高增益放大器。不需要高增益放大器。磁電式傳感器是速度傳感器，若要獲得被測位移或加速度信號，磁電式傳感器是速度傳感器，若要獲得被測位移或加速度信號，則需配用積分電路或微分電路。則需配用積分電路或微分電路。14 圖7-1（a）為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動線圈、磁鐵靜止不動， 測測量齒輪安裝在被測旋轉體上，隨被測體一起轉動。量齒輪安裝在被測旋轉體上，隨被測體一起轉動。每轉動一個齒， 齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次， 線圈中產(chǎn)生感應電勢，其變化頻率等于被測轉速與測量齒輪上齒數(shù)的乘積。這種傳感器結結構簡單，但輸出信號較小，且因高構簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝

8、齒輪較危險而不宜測量高轉速的場合。速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉速的場合。 f=Zn/60(Z為被測轉速，n為齒輪個數(shù))變磁通式變磁通式 變磁通式又稱為磁阻式， 圖7-1是變磁通式磁電傳感器，用來測量旋轉物體的角速度。 15圖7-1 變磁通式磁電傳感器結構圖(a) 開磁路； (b) 閉磁路 f = Zn/60見P87圖7-516 圖7-1(b)為閉磁路變磁通式傳感器，它由裝在轉軸上的內齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應線圈組成，內外齒輪齒數(shù)相同。 當轉軸連接到被測轉軸上時，外齒輪不動，內齒輪隨被測軸而轉動，內、外齒輪的相對轉動使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內產(chǎn)生周期性

9、變化的感應電動勢。 顯然， 感應電勢的頻率與被測轉速成正比。 17 被測轉軸1帶動橢圓形鐵芯2在磁場氣隙中作周期性轉動，使氣隙平均長度發(fā)生周期性變化，磁路的磁阻也發(fā)生周期性變化，磁通發(fā)生變化，故線圈3中感應電動勢的頻率正比于2的轉速。18特點： 傳感器的輸出電勢取決于線圈中磁場變化傳感器的輸出電勢取決于線圈中磁場變化速度，因而它是與被測速度成一定比例關速度，因而它是與被測速度成一定比例關系的。當系的。當轉速太低時，輸出電勢很小轉速太低時，輸出電勢很小，以，以致無法測量。所以這種傳感器有一個下限致無法測量。所以這種傳感器有一個下限工作頻率，一般為工作頻率，一般為50Hz左右，閉磁路轉速左右，閉磁

10、路轉速傳感器的下限頻率可降低到傳感器的下限頻率可降低到30Hz左右。其左右。其上限工作頻率可達上限工作頻率可達100Hz。 197.1.2 磁電感應式傳感器基本特性磁電感應式傳感器基本特性 當測量電路接入磁電傳感器電路時，如圖7-1所示，磁電傳感器的輸出電流Io為 fofoRRlWvBRREI（7-4) 式中： Rf測量電路輸入電阻； R線圈等效電阻。 傳感器的電流靈敏度為 fooIRRlWBvIS（7-5) 20而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為 ffooUffofooRRlWRBvUSRRlWvRBRIU(7-6) (7-7) 當傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、受到機械振動或

11、沖擊時，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測量誤差，其相對誤差為 RdRldlBdBSdSII(7-8) 21電磁流量計 工作原理22此式表明：感應電勢與流速分布的形態(tài)無關，對一定的導管直徑和感應強度，感應電勢取決于瞬時流量。23 霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應, 但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。隨著半導體技術的發(fā)展, 開始用半導體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應顯著而得到應用和發(fā)展。 霍爾傳感器廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。 1. 霍爾效應霍爾效應 置于磁場中的靜止載流導體, 當它的電流方向與磁場方

12、向不一致時, 載流導體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢, 這種現(xiàn)象稱霍爾效應。該電勢稱霍爾電勢。 第二節(jié) 霍爾傳感器24EXITEXITEXIT霍爾：霍爾：1879年年設霍爾元件為設霍爾元件為N型半導體，型半導體，當通電流當通電流I時時FL = qvB一、霍爾效應一、霍爾效應UHbldIFFvB當電場力與洛侖茲力相等時，當電場力與洛侖茲力相等時，達到動態(tài)平衡，有達到動態(tài)平衡，有qEH=qvB霍爾電場的強度為霍爾電場的強度為EH=vB霍爾電壓霍爾電壓UH可表示為可表示為UH = EH b = vBb流過霍爾元件的電流為流過霍爾元件的電流為I=dQ/dt=bdvnq；v=I/nqbd

13、UH=BI/nqd；若取；若取RH = 1/nq則有則有dIBRUHHEXITEXITEXITRH被定義為霍爾元件的霍爾被定義為霍爾元件的霍爾系數(shù)。系數(shù)。霍爾系數(shù)由半導體材料性質霍爾系數(shù)由半導體材料性質決定，反映材料霍爾效應的強弱。決定，反映材料霍爾效應的強弱。一、霍爾效應一、霍爾效應UHbldIFFvB霍爾電壓為霍爾電壓為霍爾元件的靈敏度：霍爾元件的靈敏度： 一個霍爾元件在單位控制電一個霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應強度時產(chǎn)生的霍爾流和單位磁感應強度時產(chǎn)生的霍爾電壓的大小。電壓的大小。dIBRUHHdRKHHIBKUHHnqRH1nqdKH1KH即為霍爾元件的靈敏度。即為霍爾元件的靈敏度

14、。霍爾電壓與材料的性質有關霍爾電壓與材料的性質有關；與元件的尺寸有關。與元件的尺寸有關。27 如果磁場與霍爾元件的法線有的夾角，則 金屬材料中自由電子濃度n很高，因此很RH小，使輸出UH很小，不宜作霍爾元件?；魻柺絺鞲衅髦械幕魻栐际怯冒雽w材料制成。cosHHUk IB28 對霍爾片材料的要求, 希望有較大的霍爾常數(shù)RH, 霍爾元件激勵極間電阻R=L/（bd）, 同時R=UI/I=EIL/I=vL/（nevbd）, 其中UI為加在霍爾元件兩端的激勵電壓，EI為霍爾元件激勵極間內電場，v為電子移動的平均速度。載流子的遷移率 （ 則 (9)解得 RH= （10）從式（10）可知, 霍爾常數(shù)等于

15、霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積。若要霍爾效應強, 則RH值大, 因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。 nebdLbdL/ v E1nq29 一般金屬材料載流子遷移率很高, 但電阻率很小; 而絕緣材料電阻率極高, 但載流子遷移率極低。故只有半導體材料適于制造霍爾片。 目前常用的霍爾元件材料有: 鍺、 硅、砷化銦、 銻化銦等半導體材料。 其中N型鍺容易加工制造, 其霍爾系數(shù)、 溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好, 其霍爾系數(shù)、 溫度性能同N型鍺相近。 銻化銦對溫度最敏感, 尤其在低溫范圍內溫度系數(shù)大,但在室溫時其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小, 溫度系數(shù)也較小, 輸出

16、特性線性度好。 表5 - 1 為常用國產(chǎn)霍爾元件的技術參數(shù)。 30 2. 霍爾元件基本結構霍爾元件基本結構 霍爾元件的結構很簡單, 它由霍爾片、 引線和殼體組成, 如圖 5-2(a)所示。 霍爾片是一塊矩形半導體單晶薄片， 引出四個引線。1、1兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；2、2引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極。 霍爾元件殼體由非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。 在電路中霍爾元件可用兩種符號表示，如圖5-2(b)所示。 3132 控制電流端引線分別焊在位移晶片長度走向的兩個端面上，通常為紅色紅色導線導線，其焊接處叫控制電流極；霍爾輸出引線位于晶片的寬度走向上，分別焊接在兩側面的中心

17、位置，通常為綠色導線，其焊接處叫霍爾電極。 要求它們的焊接都是歐姆焊接，即接觸電阻很小，且呈純電阻（無電容和電感效應）。霍爾電極引線的寬度與長度比不能小于0.1，否則影響輸出。殼體是用非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。 EXITEXITEXIT基本連接方式與測量電路基本連接方式與測量電路二、霍爾元件的結構與特性二、霍爾元件的結構與特性2 2、霍爾元件的測量電路、霍爾元件的測量電路WUHRLEBIIBUH34 3. 霍爾元件基本特性霍爾元件基本特性 1） 額定激勵電流和最大允許激勵電流 當霍爾元件自身溫升10時所流過的激勵電流稱為額額定激勵電流定激勵電流。 以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流

18、稱為最大允許激勵電流最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而增加, 所以, 使用中希望選用盡可能大的激勵電流, 因而需要知道元件的最大允許激勵電流, 改善霍爾元件的散熱條件, 可以使激勵電流增加。 2） 輸入電阻和輸出電阻 激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢對外電路來說相當于一個電壓源, 其電源內阻即為輸出電輸出電阻阻。以上電阻值是在磁感應強度為零且環(huán)境溫度在205時確定的。 EXITEXITEXIT（4）霍爾溫度系數(shù)）霍爾溫度系數(shù)在一定的磁感應強度和在一定的磁感應強度和控制電流下，溫度變化控制電流下，溫度變化1時，時，霍爾電勢變化的百分率?；魻栯妱葑兓陌俜致省＃?

19、）不平衡（等位）電勢）不平衡（等位）電勢在額定控制電流下，不加磁場在額定控制電流下，不加磁場時霍爾電極間的空載霍爾電勢。時霍爾電極間的空載霍爾電勢。)1(tUUHoHt AIU0BCD36霍爾元件測量誤差及補償霍爾元件測量誤差及補償 霍爾元件在使用中，存在多種因素影響測量精度，主要原因有兩類：半導體制造工藝和半導體固有特性。其表現(xiàn)為零位誤差和溫度誤差而引起的測量誤差。 1 零位誤差及補償零位誤差及補償u 不等位電勢不等位電勢是零位誤差中最主要的一種是零位誤差中最主要的一種 當霍爾元件的激勵電流為I時, 若元件所處位置磁感應強度為零, 則它的霍爾電勢應該為零, 但實際不為零。 這時測得的空載霍爾

20、電勢稱不等位電勢。37即：產(chǎn)生的原因有產(chǎn)生的原因有: 霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上; 半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻（如片厚薄不均勻等）; 激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。 這些工藝上問題都將使等位面歪斜，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電勢。 000BHIBKU38 式中: U0不等位電勢; r0不等位電阻; IH激勵電流。 由上式（11）可以看出, 不等位電勢就是激勵電流流經(jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓。 HIUr00（11）u 不等位電阻不等位電阻 不等位電勢也可用不等位電阻表示39u 霍爾元件不等位電勢補償霍爾元件不等位電勢補償 不

21、等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級, 有時甚至超過霍爾電勢, 而實用中要消除不等位電勢是極其困難的, 因而必須采用補償?shù)姆椒ā?由于不等位電勢與不等位電阻是一致的, 可以采用分析電阻的方法來找到不等位電勢的補償方法。 如圖 5-4 所示, 其中A、B為激勵電極, C、D為霍爾電極, 極分布電阻分別用R1、 R2、 R3、 R4表示。理想情況下, R1=R2=R3=R4, 即可取得零位電勢為零（或零位電阻為零）。 實際上, 由于不等位電阻的存在, 說明此四個電阻值不相等, 可將其視為電橋的四個橋臂, 則電橋不平衡。為使其達到平衡， 可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻（如圖5-4（a）所示）, 或在兩個

22、橋臂上同時并聯(lián)電阻（如圖 5-4 (b)所示）。 EXITEXITEXIT霍爾元件不等位電動勢也叫傳霍爾元件不等位電動勢也叫傳感器輸出電壓的零位誤差。感器輸出電壓的零位誤差。三、霍爾元件測量誤差和補償三、霍爾元件測量誤差和補償1 1、零位誤差及補償方法、零位誤差及補償方法AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4不等位電動勢與等效電路不等位電動勢與等效電路電橋補償原理：電橋補償原理：在阻值較大的在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻。橋臂上并聯(lián)電阻。ABCDWABCDWABCDW1R2R4R3RWABCDI4142寄生直流電勢寄生直流電勢 當不加外磁場，控制電流改用額定交流電流時，交流電流有效值為 ，霍爾

23、電極間的空載電勢為直流和交流電勢之和，其中交流電勢與前述的零交流電勢與前述的零位電勢相對應，而直流電勢是個寄生量，叫寄生位電勢相對應，而直流電勢是個寄生量，叫寄生直流電勢直流電勢V。 產(chǎn)生寄生直流電勢V的原因有： 1 控制電極及霍爾電極的接觸不良，形成非歐姆接觸，形成整流效果所致； 2 兩個霍爾電極大小不對稱，造成連個電極點的熱容量不同，散熱狀態(tài)不同，于是形成極間溫差電勢，表現(xiàn)為直流寄生電勢中的一部分。 HI43 感應零電勢：霍爾元件在交變磁場中，即使不加控制電流，霍爾端也有電勢輸出。即感應零電勢。 產(chǎn)生原因：霍爾電極的陰線布置不合理。大小正比于磁場變化頻率。（注：補償方法注：補償方法） 自激

24、場零電勢445.2.2 溫度誤差及其補償溫度誤差及其補償溫度誤差 霍爾元件是采用半導體材料制成的, 因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當溫度變化時, 霍爾元件的電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化, 從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差?；魻栰`敏度系數(shù)與溫度的關系可寫成霍爾元件的輸入電阻與溫度變化的關系可寫成 )1 (0TKKHH)1 (0TRRii（12）45恒流源的分流電阻溫度補償法 為了減小霍爾元件的溫度誤差, 除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外, 由UH=KHIB可看出：采用恒流源供電是個有效措施, 可以使霍爾電勢穩(wěn)定。 但也只能減小由于輸只能減小由于輸入電阻隨溫度變化而引起的激勵電流入電阻隨

25、溫度變化而引起的激勵電流I變化所帶來的影響變化所帶來的影響。 大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)是正值是正值, 它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加（1+T）倍。如果,與此同時讓激勵電流I相應地減小, 并能保持 乘積不變, 也就抵消了靈敏系數(shù) 增加的影響。圖 5-5 就是按此思路設計的一個既簡單、 補償效果又較好的補償電路。IKHKH46 恒流源的分流電阻溫度補償法常采用圖5-5的補償電路電路中用一個分流電阻Rp與霍爾元件的激勵電極相并聯(lián)。 當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時, 旁路分流電阻Rp自動地加強分流, 減少了霍爾元件的激勵電流I, 從而達到補償?shù)哪康摹?在圖 5-5 所示

26、的溫度補償電路中, 設初始溫度為T0, 霍爾元件輸入電阻為Ri0, 靈敏系數(shù)為KHI, 分流電阻為Rp0, 根據(jù)分流概念得 IH0= （13）當溫度升至T時, 電路中各參數(shù)變?yōu)?00iPPRRIRI12340PR圖 5-5 分流電阻補電路示意圖分流電阻補電路示意圖UH47 Ri=Ri0（1+T）（14） Rp=Rp0（1+T）（15）式中: 霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù); 分流電阻溫度系數(shù)。則 iPPHRRIRI)1 ()1 ()1 (000TRTRITRiPP 雖然溫度升高T, 為使霍爾電勢不變, 補償電路必須滿足溫升前、 后的霍爾電勢不變, 即 48 UH0=UH KH0IH0B=KHIHB

27、（16）則 KH0IH0=KH IH （17）將式（12）、 （13）、 （16）代入上式, 經(jīng)整理并略去、 (T)2高次項后得 （18） 當霍爾元件選定后, 它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)及霍爾電勢溫度系數(shù)是確定值。由式（18）即可計算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)值。為了滿足R0及兩個條件, 分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合, 這樣雖然麻煩但效果很好。 aRaRi00p)(EXITEXITEXIT2 2、溫度誤差及補償方法、溫度誤差及補償方法（2）熱敏電阻補償）熱敏電阻補償對于用溫度系數(shù)大的半導體對于用溫度系數(shù)大的半導體材料制成的霍爾元件，常采用熱材料制成的霍爾元件，常采用

28、熱敏電阻進行補償。敏電阻進行補償。負溫度系數(shù)的霍爾輸出隨負溫度系數(shù)的霍爾輸出隨溫度升高而下降，只要能使控溫度升高而下降，只要能使控制電流隨溫度升高而上升，就制電流隨溫度升高而上升，就能補償。能補償。輸入回路補償：輸入回路補償：在輸入回在輸入回路串入熱敏電阻，當溫度上升路串入熱敏電阻，當溫度上升時其阻值下降，從而使控制電時其阻值下降，從而使控制電流上升。流上升。EXITEXITEXIT2 2、溫度誤差及補償方法、溫度誤差及補償方法（2）熱敏電阻補償）熱敏電阻補償輸出回路補償：輸出回路補償：在負載在負載RL上的霍爾電勢隨溫度上升而下上的霍爾電勢隨溫度上升而下降的量被熱敏電阻阻值減小所補償。降的量被

29、熱敏電阻阻值減小所補償。實際使用熱敏電阻補償時，熱敏電阻最好與霍爾元件封實際使用熱敏電阻補償時，熱敏電阻最好與霍爾元件封在一起或靠近，溫度變化一致。在一起或靠近，溫度變化一致。51u 橋路溫度補償法橋路溫度補償法 如圖5-6所示是霍爾電勢的橋路溫度補償法，霍爾元件的不等位電勢U0用RP來補償，在霍爾輸出極上串聯(lián)一個溫度補償電撟，電撟的三個臂為錳銅電阻，其中一臂為錳銅電阻并聯(lián)熱敏電阻RX，當溫度變化時，由于RX發(fā)生變化，使電橋的輸出發(fā)生變化，從而使整個回路的輸出得到補償。仔細調整電撟的溫度系數(shù)，可使在40的溫度變化范圍內，傳感器的輸出與溫度基本無關。 圖圖5-6 橋路溫度補償電路橋路溫度補償電路

30、52測量電路測量電路 1）霍爾元件的基本測量電路）霍爾元件的基本測量電路 RL通常放大器的輸入電阻或測量儀表的內阻。由于霍爾元件必須在磁場和控制電流的作用下，才會產(chǎn)生霍爾電勢，所以可以把乘積 ）I、B、作為輸入信號，霍爾元件的輸出電勢分別正比于I BI B53 2）霍爾元件的連接方式）霍爾元件的連接方式 為了獲得較大的霍爾電勢輸出，除基本測為了獲得較大的霍爾電勢輸出，除基本測量電路外，可采用幾片霍爾元件疊加的連量電路外，可采用幾片霍爾元件疊加的連接方式，如圖所示。接方式，如圖所示。 54 （a）為直流供電情況，控制電流端并聯(lián)，由W1和W2調節(jié)兩個電位器元件的輸出霍爾電勢，A、B為輸出端，輸出電

31、勢為單塊霍爾元件的2倍。 （b）為交流供電情況，控制電流端串聯(lián)，各元件輸出端接輸出變壓器的初級繞組，變壓器B的次級便有霍爾電勢信號的疊加值輸出。553）霍爾電勢的輸出電路）霍爾電勢的輸出電路 霍爾元件是一種四端器件，輸出電勢一般在毫伏霍爾元件是一種四端器件，輸出電勢一般在毫伏量級，實際使用中必須加差分放大器?；魻栐考墸瑢嶋H使用中必須加差分放大器。霍爾元件可分為線性測量和開關狀態(tài)兩種使用方式，輸出可分為線性測量和開關狀態(tài)兩種使用方式，輸出電路有兩種結構電路有兩種結構 56 圖（a）為線性應用，后接比例放大器，圖（b）為開關應用，后接射極跟隨器。 當用霍爾元件作線性測量時，應選穩(wěn)定性和線性度好

32、、靈敏度低一點的霍爾元件 。57霍爾式傳感器的應用優(yōu)點: 結構簡單，體積小，重量輕，頻帶寬，動態(tài)特性好和壽命長應用：電磁測量：測量恒定的或交變的磁感應強度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數(shù)；自動檢測系統(tǒng)：多用于位移、壓力的測量。上一頁下一頁返 回EXITEXITEXIT檢測磁場是霍爾式傳感器檢測磁場是霍爾式傳感器最典型的應用之一。最典型的應用之一。霍爾器件做成各種形式的霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，使磁探頭，放在被測磁場中，使磁力線和器件表面垂直，通電后力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測磁場的磁感應即可輸出與被測磁場的磁感應強度成線性正比的電壓。強度成線性正比的電壓。

33、1 1、霍爾元件檢測磁場、霍爾元件檢測磁場電位差計電位差計mAESNR霍爾磁敏傳感器測磁場原理霍爾磁敏傳感器測磁場原理四、霍爾傳感器的應用四、霍爾傳感器的應用EXITEXITEXIT霍爾元件置于磁場中，左半部磁霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半部磁場方向向下。場方向向上，右半部磁場方向向下。從從a端通人電流端通人電流I，左和右半部產(chǎn)，左和右半部產(chǎn)生霍爾電勢生霍爾電勢UH1和和UH2，方向相反。因，方向相反。因此，此，c、d兩端電勢為兩端電勢為UH1-UH2。若 霍 爾 元 件 在 初 始 位 置 時若 霍 爾 元 件 在 初 始 位 置 時UH1=UH2，則輸出為零。，則輸出為零。改

34、變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時，可得輸出電壓，大小正比于位置時，可得輸出電壓，大小正比于位移量。位移量。2 2、霍爾式位移傳感器、霍爾式位移傳感器四、霍爾傳感器的應用四、霍爾傳感器的應用EXITEXITEXIT加上壓力后，加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對位移，件間產(chǎn)生相對位移，改變作用到霍爾元改變作用到霍爾元件上的磁場，從而件上的磁場，從而改變它的輸出電壓改變它的輸出電壓UH。由 事 先 校 準由 事 先 校 準的的Pf(UH)曲線即曲線即可得到被測壓力的可得到被測壓力的值。值。 3 3、霍爾式壓力傳感器、霍爾式壓力傳感器四、霍爾傳感器的應

35、用四、霍爾傳感器的應用EXITEXITEXIT4 4、霍爾式轉速傳感器、霍爾式轉速傳感器四、霍爾傳感器的應用四、霍爾傳感器的應用622. 磁場的測量磁場的測量在控制電流恒定條件下，霍爾電勢大小與磁感應強度成正比，由于霍爾元件的結構特點，它特別適用于微小氣隙中的磁感應強度、高梯度磁場參數(shù)的測量。cosBIKUHH霍爾電勢是磁場方向與霍爾基片法線方向之間夾角的函數(shù)?；魻栯妱菔谴艌龇较蚺c霍爾基片法線方向之間夾角的函數(shù)。應用：應用：霍爾式磁羅盤、霍爾式方位傳感器、霍爾式轉速傳感器霍爾式磁羅盤、霍爾式方位傳感器、霍爾式轉速傳感器上一頁返 回63一、磁敏電阻式傳感器一、磁敏電阻式傳感器（一）磁阻效應 將一

36、載流導體 置于外磁場中，其電阻會隨磁場而變化，這種現(xiàn)象稱磁電阻效應，簡稱磁阻效應。當溫度恒定時，磁阻與磁感應強度B的平方成正比。220(1 0.273)Bu BB磁感應強度u電子遷移率0B零磁場下的電阻率磁感應強度為B時的電阻率第三節(jié) 其它類型磁傳感器64磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度影響較大，因此使用時必須先了解其特性曲線，然后制定溫度補償方案。65（二）形狀效應 形狀效應系數(shù) 磁敏元件的長度 b 磁敏元件的寬度 這種由于磁敏元件的幾何尺寸變化而引起的磁阻大小變化的現(xiàn)象，叫形狀效應。20() 1( /)k uBf l b( / )f l bl66 磁阻元件是利用半導體的磁阻效應和形

37、狀效應研制而成。(1)長方形磁阻元件其長度其長度L大于寬度大于寬度b，在兩端部制成電極，構成兩端器件在兩端部制成電極，構成兩端器件67(2)科爾賓元件 在園盤形元件得外圓周邊和中心處，裝上電流電極，將具有這種結構的磁阻元件稱為科爾賓元件。68(3)平面電極元件 為了加大磁阻效應就要使電阻變大。從原理上講，如果把L/b比值小的元件多個串連，就能解決問題，盡管這樣的結構較好，但是制作困難，不能實用。以研磨或鍍膜的辦法制成以研磨或鍍膜的辦法制成InSb（銻化銦）薄膜，銻化銦）薄膜，盡管真空鍍膜阻值會增加，但是生產(chǎn)效率高，價格低廉盡管真空鍍膜阻值會增加，但是生產(chǎn)效率高，價格低廉平面電極元件的結構平面電

38、極元件的結構69(4) InSbNiSb共晶磁阻元件 在InSb的晶體中摻雜NiSb，在結晶過程中會析出沿著一定方向排列得細長的NiSb針狀晶體。針狀晶體導電性能良好，其直徑為1m，長度為100m，相當于幾何形狀效應。它是幾何形狀長寬比L/b0.2的扁條狀磁阻元件的串連元件。70未摻雜的InSbNiSb磁阻元件叫D型，摻雜的InSbNiSb磁阻元件叫L、N型摻雜磁阻元件靈敏度下降，但從溫度關系曲線上將會發(fā)現(xiàn)，其溫度特性得到了改善。三種元件的磁阻效應特性三種元件的磁阻效應特性71（5）曲折形磁阻元件（a）所示的單個曲折形結構（b）是用兩個曲折元件組成一個差動式元件，其優(yōu)點是可將磁阻元件阻值在無磁

39、場情況做到數(shù)百歐甚至數(shù)千歐。72（6）磁阻元件的溫度補償圖中RM為磁阻元件，r1、r2為溫度補償元件。溫度特性曲線溫度特性曲線差動式元件溫度補償法差動式元件溫度補償法73磁阻元件的應用使用InSb作為感磁材料的半導體磁阻元件半導體磁阻元件通常是利用平面電極等把許多小的半導體磁阻元件通常是利用平面電極等把許多小的InSb矩形體單元串連在一起構成的。矩形體單元串連在一起構成的。采用這種結構的目的是為了提高靈敏度采用這種結構的目的是為了提高靈敏度,一般用永久磁鐵施加磁偏提高其靈敏度。一般用永久磁鐵施加磁偏提高其靈敏度。74用磁敏電阻讀磁卡75二、磁敏二極管和磁敏三極管 特點：磁靈敏度高、能識別磁場極

40、性、體積小、電路簡單。76磁敏二極管的結構與工作原理磁敏二極管的結構與工作原理1.結構與原理結構與原理 電路符號電路符號: 結構結構:中間為中間為I區(qū)區(qū)(高純度鍺高純度鍺) P區(qū)區(qū) N區(qū)區(qū) r區(qū)區(qū)(高復合區(qū)高復合區(qū),可復合空穴和電子可復合空穴和電子) _77原理:設無外加磁場:很少空穴和電子復合,有穩(wěn)定電流 外加正磁場 ,載流子都受到洛侖茲力 運動偏向r區(qū),電流減小外加反向磁場,仍受洛侖茲力,在I區(qū)載流子數(shù)量增多,電流增大78結論: 載流子的偏移與洛侖茲力有關,洛侖茲力與電場和磁場的乘積成正比.隨著磁場大小方向的變化,可以產(chǎn)生輸出正負電壓的變化. (若磁敏二極管反向偏置,僅有微弱電流.)79

41、注意：1）r和r區(qū)之外的復合能力之差越大，磁敏二極管靈敏度就越大2）磁敏二極管反向偏置時，流過的電流很小，幾乎與磁場無關，二極管兩端電壓不會受到磁場作用而有任何變化。3）由于采用注入載流子的復合效應，它的噪聲很大，頻率特性差，一般限制在10KHz802.磁敏二極管的重要特性 伏安特性: a.給定磁場下，鍺磁敏二極管兩端正向偏壓和通過它的電流關系曲線81磁電特性82 溫度特性833.溫度補償及提高靈敏度的措施 互補式電路溫度特性曲線84差分式電路差分式電路85全橋式電路全橋式電路要求要求:靈敏度高靈敏度高 用交流電源或脈沖電壓源用交流電源或脈沖電壓源86三.磁敏三極管的工作原理和主要特性1.結構

42、和原理 電路符號: 結構:87磁敏三極管88工作原理:a.無磁場:集電極電流小,基極電流大b.加正向磁場 洛侖茲力,基極電流加大,集電極電流更小c.加反向磁場洛侖茲力,集電極電流加大892.磁敏三極管主要特性 伏安特性90磁電特性 (較弱磁場時,Ic與B是線形關系)91溫度特性3ACM 3BCM 磁靈敏度的溫度系數(shù)為.3CCM磁靈敏度的溫度系數(shù)為-0.6% 磁敏三極管的溫度特性：負向靈敏度受溫度影響大，表現(xiàn)為負向靈敏度存在一個無靈敏度的溫度點，當溫度超過此點時，負向靈敏度變?yōu)檎蜢`敏度。923.溫度補償及提高靈敏度的措施 負溫度系數(shù)管 用正溫度系數(shù)普通硅三極管 93正溫度系數(shù)管(3BCM)94

43、選擇特性一致,磁性相反 差分式補償電路95靈敏度極高靈敏度極高：可達10-15T，比靈敏度較高的光泵式磁敏傳感器要高出幾個數(shù)量級；第三節(jié)第三節(jié) SQUIDSQUID磁敏傳感器磁敏傳感器SQUID（超導量子干涉器）磁敏傳感器是一種新型的靈敏度極高的磁敏傳感器，是以約瑟夫遜（Jose Phson）效應為理論基礎，用超導材料制成的，在超導狀態(tài)下檢測外磁場變化的一種新型磁測裝置。特點特點頻帶寬：頻帶寬：響應頻率可從零響應到幾kHz。測量范圍寬測量范圍寬：可從零場測量到幾kT；96n深部地球物理深部地球物理：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。n在古地磁考古古地磁考古、

44、測井測井、重力勘探重力勘探及預報天然地震預報天然地震中， SQUID也具有重要作用。n在生物醫(yī)學生物醫(yī)學方面，應用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、腦磁學等新興學科，為醫(yī)學研究開辟了新的領域。n在固體物理固體物理、生物物理生物物理、宇宙空間宇宙空間的研究中，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。nSQUID技術還可用作電流計，電壓標準，計算機中存儲器，通訊電纜等；在超導電機、超導輸電、超導磁流體發(fā)電、超導磁懸浮列車超導磁懸浮列車等方面，均得到廣泛應用。 應用領域應用領域97超導電性：在某一溫

45、度TC以下電阻值突然消失的現(xiàn)象。（a）T/K0T/K 00K0TC（b）電阻隨溫度變化曲線a、正常導體；b、超導體1 1、SQUIDSQUID磁敏傳感器的基本原理磁敏傳感器的基本原理超導體：具有超導電性的物體。臨界溫度(TC)：超導體從具有一定電阻值的正常態(tài)轉變?yōu)殡娮柚低蝗粸榱銜r所對應的溫度,其值一般從3.4K至18K超導體特性：理想導電性理想導電性；完全逆磁性完全逆磁性；磁通量子化磁通量子化。98 該圖是兩塊超導體中間隔著一厚度僅1030的絕緣介質層而形成的 “超導體絕緣層超導體”的結構，通常稱這種結構為超導隧道結，也稱約瑟夫遜結。中間的薄層區(qū)域稱為結區(qū)。這種超導隧道結具有特殊而有用的性質。

46、 超導電子能通過絕緣介質層，表現(xiàn)為電流能夠無阻擋地流過，表明夾在兩超導體之間的絕緣層很薄且具有超導性。約瑟夫遜結能夠通過很小超導電流的現(xiàn)象，稱為超導隧道結的約瑟夫遜效應超導隧道結的約瑟夫遜效應，也稱直流約瑟夫遜效應直流約瑟夫遜效應。超導結在直流電壓作用下可產(chǎn)生交變電流超導結在直流電壓作用下可產(chǎn)生交變電流，從而輻射和吸收電磁波。這種特性稱為交流約瑟夫遜效應交流約瑟夫遜效應。 絕緣層 超導體超導體超導結示意圖2、約瑟夫遜效應99 約瑟夫遜的直流效應受著磁場的影響。而臨界電流IC對磁場亦很敏感，即隨著磁場的加大臨界電流IC逐漸變小，如圖所示。 超導結的Ic-H曲線01234562010H=0Ic3、

47、ICH 特性根據(jù)量子力學理論，超導結允許通過的最大超導電流Imax與的關系式沿介質層及其兩側超導體邊緣透入超導結的磁通量；0磁通量子；臨界電流的起伏周期是磁通量子臨界電流的起伏周期是磁通量子0IC(0)沒有外磁場作用時，超導結的臨界電流。00sin)0()(CCIIIC是的周期函數(shù)100超導結臨界電流隨外加磁場而周期起伏變化的原理,完全可用于測量磁場中。例如,若在超導結的兩端接上電源,電壓表無顯示時,電流表所顯示的電流是為超導電流;電壓表開始有電壓顯示時,則電流表所顯示的電流為臨界電流IC,此時,加入外磁場后,臨界電流將有周期性的起伏,且其極大值逐漸衰減,振蕩的次數(shù)n乘以磁通量子0,可得到透入超導結的磁通量=n0。而磁通量和磁場H成正比關系,如果能求出,磁場H即可求出。同理,若外磁場H有變化,則磁通量亦隨變化,在此變化過程中,臨界電流的振蕩次數(shù)n乘以0即得到磁通量的大小,亦反映了外磁場變化的大小。因而,可利用超導技術測定外磁場的大小及其變化。 臨界電流臨界電流隨外磁場周期起伏變化，這是由于在一定磁場隨外磁場周期起伏變化，這是由于在一定磁場作用下，超導結各點的超導電流具有確定的相位。相位作用下，超導結各點的超導電流具有確定的相位。相位相反的電流互相抵消；相位相