2024/7/231磁敏傳感器定義

磁敏傳感器是基于磁電轉(zhuǎn)換原理將磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。磁敏傳感器分類

體型：霍耳傳感器，磁敏電阻。結(jié)型：磁敏二極管，磁敏晶體管。4.1磁敏傳感器的種類1856年，發(fā)現(xiàn)磁阻效應(yīng)；1879年，發(fā)現(xiàn)霍耳效應(yīng)。以上效應(yīng)，為磁敏傳感器的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。2024/7/2324.2磁電效應(yīng)

（一）霍耳效應(yīng)

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)，EH稱為霍耳電勢。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時的情況cdab2024/7/233

作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍耳電勢也就越高?；舳妱軪H可用下式表示：

EH=RHJB磁感應(yīng)強(qiáng)度B較大時的情況2024/7/234霍耳效應(yīng)演示

當(dāng)磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍耳電勢。cdab2024/7/235*磁場不垂直于半導(dǎo)體薄片時

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于半導(dǎo)體薄片，而是與其法線成某一角度

時，實(shí)際上作用于半導(dǎo)體薄片上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向的分量，即Bcos

，這時的霍耳電勢為：

EH=RHJBcos

UH=KIHBcos

結(jié)論：霍耳電勢與輸入電流密度J、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時，霍耳電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍耳電勢為同頻率的交變電勢。

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（二）磁阻效應(yīng)和形狀效應(yīng)半導(dǎo)體外加磁場時，電阻值增加的物理現(xiàn)象可分為兩種情況：

1.磁阻效應(yīng)

半導(dǎo)體外加磁場時，自身電阻率增加的現(xiàn)象，磁阻效應(yīng)直接反映固體的物性。

2.形狀效應(yīng)半導(dǎo)體外加磁場時，在金屬電極附近電流路徑增長而使電阻值增加的現(xiàn)象，形狀效應(yīng)與電極和元件的形狀有關(guān)。2024/7/237ABCDR1R2R3R4(d)等效電路霍耳元件基本結(jié)構(gòu)：4.3霍耳元件(a)外形結(jié)構(gòu)示意圖(b)圖形符號單端輸出雙端輸出(c)電路符號激勵電極1、1′——被稱為器件電流端子、控制電流端子或輸入電流端子。霍耳電極2、2′——被稱為霍耳端子或輸出電壓端子。流入到器件內(nèi)的電流，稱為器件電流、控制電流或輸入電流。若霍耳端子間連接負(fù)載，成為霍耳負(fù)載電阻或霍耳負(fù)載。電流電極間的電阻，稱為輸入電阻或者控制內(nèi)阻?；舳俗娱g的電阻，稱為輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻。2024/7/238霍耳元件的主要外特性參數(shù)

最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM:

上圖所示霍耳元件的線性范圍是多少？線性區(qū)2024/7/239霍耳元件的主要外特性參數(shù)最大激勵電流IM:以霍耳元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵電流稱為最大允許激勵電流。

由于霍耳電勢隨激勵電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大，霍耳元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍耳電勢的溫漂增大，因此每種型號的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。2024/7/2310圖中控制電流I由電源E供給,R為調(diào)節(jié)電阻,保證器件內(nèi)所需控制電流I。霍耳輸出端接負(fù)載R3,R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場B垂直通過霍耳器件,在磁場與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓?？刂齐娏鱅；霍耳電勢VH；控制電壓V；輸出電阻R2；輸入電阻R1；霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流IH。

VHR3VBIEIH霍耳元件基本測量電路R實(shí)際使用時,器件輸入信號可以是I或B，或者IB,而輸出可以正比于I或B,或者正比于其乘積IB。2024/7/2311霍耳元件的溫度補(bǔ)償溫度變化，導(dǎo)致霍爾元件內(nèi)阻、霍爾靈敏度等變化，給測量帶來一定誤差，即溫度誤差。為了減小溫度誤差，需采取溫度補(bǔ)償措施。采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻選取合適的負(fù)載電阻RL

采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻采用溫度補(bǔ)償元件

2024/7/23124.4霍耳集成元件霍耳集成元件是霍耳元件與運(yùn)放一體化的結(jié)構(gòu)，可分為線性輸出型和開關(guān)輸出型兩大類。線性型集成電路是將霍耳元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍耳元件方便得多。線性型三端霍耳集成電路2024/7/2313線性輸出型霍耳集成元件單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675

雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖三端器件，輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線性響應(yīng)，典型產(chǎn)品是SL3501T。8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零，典型產(chǎn)品是SL3501M。2024/7/2314線性輸出型霍耳集成元件特性右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性霍耳器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場為零時，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場為正向(磁鋼的S極對準(zhǔn)霍耳器件的正面)時，輸出為正；磁場反向時，輸出為負(fù)。線性范圍2024/7/2315開關(guān)輸出型霍耳集成元件開關(guān)型霍耳集成電路是將霍耳元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門等電路做在同一個芯片上。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖剑划?dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平?；舳_關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖霍耳元件雙端輸入單端輸出的運(yùn)放施密特出發(fā)器OC門2024/7/2316典型開關(guān)輸出型霍耳集成器件——UGN3020（b）應(yīng)用電路

（a）外型

霍耳開關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路2024/7/2317開關(guān)輸出型霍耳集成元件應(yīng)用實(shí)例2024/7/2318?2024/7/2319開關(guān)輸出型霍耳集成傳感器構(gòu)成的接口電路

2024/7/2320*霍耳傳感器的應(yīng)用

利用霍耳電勢與外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制電流，對磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量、機(jī)械量和非電量等進(jìn)行測量和控制。應(yīng)用這類特性制作的器具有磁通計、電流計、磁讀頭、位移計、速度計、振動計、羅盤、轉(zhuǎn)速計、無觸點(diǎn)開關(guān)等。2024/7/2321霍耳特斯拉計(高斯計)及其使用霍耳元件磁鐵2024/7/2322霍耳傳感器用于測量磁場強(qiáng)度

霍耳元件測量鐵心氣隙的B值2024/7/2323霍耳轉(zhuǎn)速表

當(dāng)齒對準(zhǔn)霍耳元件時，磁力線集中穿過霍耳元件，可產(chǎn)生較大的霍耳電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍耳元件時，輸出為低電平。（一）工作原理2024/7/2324

在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍耳器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍耳器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍耳磁鐵（二）實(shí)際應(yīng)用2024/7/2325霍耳轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍耳轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍耳傳感器鋼質(zhì)霍耳2024/7/2326霍耳式無刷電動機(jī)

霍耳式無刷電動機(jī)取消了換向器和電刷，采用霍耳元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無刷電動機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。普通直流電動機(jī)使用的電刷和換向器霍耳式無刷電動機(jī)2024/7/2327無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用

電動自行車可充電電池組無刷電動機(jī)2024/7/2328電動自行車的無刷電動機(jī)及控制電路去速度控制器

利用PWM調(diào)速2024/7/2329霍耳式接近開關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動作距離時，霍耳式接近開關(guān)動作?；舳咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。2024/7/2330霍耳式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍耳IC2024/7/2331霍耳電流傳感器

將被測電流的導(dǎo)線穿過霍耳電流傳感器的檢測孔。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過霍耳元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍耳電壓。2024/7/2332霍耳電流傳感器演示鐵心線