1、大庆石油学院传感器原理及应用传感器原理及应用主讲人：康朝海主讲人：康朝海山西工程职业技术学院主要内容：主要内容：4.1 4.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器4.2 4.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 4.3 4.3 磁敏传感器磁敏传感器 山西工程职业技术学院磁电式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。是典型的有源传感器。特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低。通常在10100HZ适合作机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。磁电式传感器机械能机械能电电 量量山西工程职业
2、技术学院概述霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。磁敏传感器磁学量磁学量电信号电信号山西工程职业技术学院磁电传感器磁电传感器概述山西工程职业技术学院4.1 磁电感应式传感器（电动式）根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e。e的大小与穿过线圈的磁通变化率有关。deNdt 0eBlN 4.1.1 工作原理山西工程职业技术学院根据以上原理有两种
3、磁电感应式传感器：恒磁通式：磁路系统恒定磁场运动部件 可以是线圈也可以是磁铁。变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。恒磁通式恒磁通式山西工程职业技术学院4.1.2 4.1.2 基本特性基本特性电压灵敏度：电压灵敏度：0US由由 可得；可得；传感器灵敏度：传感器灵敏度：(常数常数)0eN Blvsv esv0SN Bl 0IISv电流灵敏度电流灵敏度:山西工程职业技术学院4.1.3 磁电感应式传感器的应用 电磁式传感器通常用来做机械振动测量。振动传感器结构大体分两种：动钢型（线圈与壳体固定）动圈型（永久磁铁与壳固定）磁铁与线圈之间相对运动运动速度接近振动速度，磁路空气隙中的线
4、圈切割磁力线，产生于正比振动速度的感应电动势。0eBlN ev山西工程职业技术学院4.1.3 磁电感应式传感器的应用动钢型动钢型动圈型动圈型山西工程职业技术学院4.1.3 磁电感应式传感器的应用 磁电式振动传感器的特性：磁电式振动传感器的特性：磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要 静止的基准参考，可直接装在被测体上。传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械能转化为电能输出。速度传感器的输出电压正比于速度信号 ，便于直接放大。输出阻抗低，对后置电路要求低，干扰小。uv山西工程职业技术学院4.1.3 磁电感应式传感器的应用山西工程职业技术学院4.1.3 磁电感应式传感器的应用山西工程职
5、业技术学院4.1.3 磁电感应式传感器的应用n 山西工程职业技术学院4.1.3 磁电感应式传感器的应用积分电路输出积分电路输出0111()RRUU tFdtdtU dtCCRRC 微分电路输出微分电路输出 0()()()cidU tdU tU tRiRCRCdtdt山西工程职业技术学院4.2 霍尔式传感器 Hall effect multiplier 实际应用中磁敏元件主要用于检测磁场，而与人们相关的磁场范围很宽，一般的磁敏传感器检测的最低磁场只能到 高斯。610 磁场强度与磁场源的分布磁场强度与磁场源的分布山西工程职业技术学院4.2 霍尔式传感器测磁的方法：利用电磁感应作用的传感器（强磁场）
6、如：磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器；利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件；利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器；利用超导效应传感器，SQVID约瑟夫元件；利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，微型化和集成化方向发展。山西工程职业技术学院4.2.1 霍尔效应 霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流I，在薄片垂直方向施加磁感强度B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势 。HU通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I与磁场B方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称
7、霍尔效应。山西工程职业技术学院4.2.1 霍尔效应 在磁场中导体自由电子在磁场的作用下做定向运动。每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：LFe BHHUEb霍尔电场霍尔电场HHFeE霍尔电场作用于电子的力霍尔电场作用于电子的力山西工程职业技术学院4.2.1 霍尔效应 当两作用力相等时电荷不再向两边积累，达到动态平衡：HLFFHeEe BIne bd 通过（半）导体薄片的电流通过（半）导体薄片的电流I与载流子浓度与载流子浓度n，电子运动速度电子运动速度v，薄片横截面积，薄片横截面积 b*d 有关：有关：HUBb霍尔电势：霍尔电势：山西工程职业技术学院4.2.1 霍尔效应代入后：代入后：霍尔常
8、数霍尔常数 与材料有关与材料有关霍尔灵敏度霍尔灵敏度 与薄片尺寸有关与薄片尺寸有关HHHIBIBUBbRK IBnedd 1HRne HHRKd山西工程职业技术学院4.2.1 霍尔效应讨论：任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不 是都可以制造霍尔元件。绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用；金属材料电子浓度很高，RH很小，UH很小。半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以 霍尔元件多采用N型半导体（多电子）。v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。山西工程职业技术学院4.2.2 霍尔传感器基本电路 霍尔晶体外形矩形薄片有四根引线，两端加
9、激励两端为输出；电源E，控制电流I；负载RL，R可调保证控制电流，B磁场与元件面垂直（向里）。实测中可把I*B作输入，也可把I或B单独做输入。通过霍尔电势输出测量结果。输出Uo与I或B成正比关系。山西工程职业技术学院4.2.3 霍尔传感器的误差及补偿 (1)(1)不等位电势不等位电势 当霍尔元件通以激励电流I时，若磁场B=0，理论上霍尔电势UH=0,但实际UH不等于0，这时测得的空载电势称不等位电势U0。产生的原因：霍尔引出电极安装不对称霍尔引出电极安装不对称半导体材料不均匀半导体材料不均匀山西工程职业技术学院u不等位电势的补偿不等位电势的补偿 4.2.3 霍尔传感器的误差及补偿 (1)不等位
10、电势山西工程职业技术学院4.2.3 霍尔传感器的误差及补偿 (2)温度误差及补偿霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温度T变化时，载流子浓度n、迁移率、电阻率，霍尔系数RH 都会变化。以下是几种补偿方法：恒流源补偿：由 UH=KHIB 可见恒流源供电可使UH稳定但灵敏度系数 KH=RH/d=/d也是温度的函数：0001()1HtHHKKt tKT 山西工程职业技术学院u具体补偿方法:在霍尔元件上并联一Rp分流，当T增大时Ri增大UH 增大IH 减小Ip增大UH 下降，Rp 自动加强分流，使Ip 增大IH 下降UH下降,补偿电阻Rp可选择负温度系数.4.2.3 霍尔传感器的误差及补偿
11、 (2)温度误差及补偿山西工程职业技术学院4.2.4 霍尔传感器的应用霍尔元件符号霍尔元件符号 山西工程职业技术学院4.2.4 霍尔传感器的应用(1)位移测量(2)测转速(3)计数装置(导磁产品)检缺口、检齿检缺口、检齿磁磁场场测测量量转转速速测测量量山西工程职业技术学院4.2.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器位移霍尔传感器位移测量原理测量原理 山西工程职业技术学院4.2.4 霍尔传感器的应用霍尔压力传感器结构原理霍尔压力传感器结构原理 山西工程职业技术学院4.2.4 霍尔传感器的应用山西工程职业技术学院4.2.4 霍尔传感器的应用山西工程职业技术学院4.2.5 霍尔集成传感器1 1 集成霍尔元
12、件集成霍尔元件山西工程职业技术学院4.2.5 霍尔集成传感器 线性集成电路线性集成电路(测位移、测振动测位移、测振动)山西工程职业技术学院4.2.5 霍尔集成传感器 开关集成器件(测转速、开关控制、判断N S极性)B、B形成切换回差,这是位置式作用传感器的特点,作无触点开关时可防止干扰引起的误动作。形成切换回形成切换回差差 山西工程职业技术学院4.2.5 霍尔集成传感器霍尔开关元件性能演示霍尔开关元件性能演示动画动画山西工程职业技术学院4.2.5 霍尔集成传感器2 2 应用应用 ：无触点开关：无触点开关山西工程职业技术学院4.2.5 霍尔集成传感器2 2 应用应用 ：天然气点火电路：天然气点火
13、电路山西工程职业技术学院4.2.5 霍尔集成传感器2 2 应用应用 ：接口电路：接口电路山西工程职业技术学院4.3 磁敏传感器n 磁敏元件也是基于磁电转换原理,60年代西门子公司研制了第一个磁敏元件,68年索尼公司研制成磁敏二极管,目前磁敏元件应用广泛。磁敏元件磁敏传感器主要有：磁敏传感器主要有：磁敏电阻；磁敏电阻；磁敏二极管；磁敏二极管；磁敏三极管；磁敏三极管；霍尔式磁敏传感器。霍尔式磁敏传感器。山西工程职业技术学院4.3.1 磁敏电阻器 磁阻效应：220(10.273)BB山西工程职业技术学院4.3.1 磁敏电阻器 由于霍尔电场作用会抵消洛伦兹力,磁阻效应被大大减弱,但仍然存在。磁阻元件的
14、电阻与形状有关：长方形样品长方形样品 扁条状长形扁条状长形 圆盘样品圆盘样品山西工程职业技术学院4.3.1 磁敏电阻器长方形样品：霍尔电场作用FH,电阻变化很小。扁条状长形：霍尔电势EH很小,电流磁场作用偏转 厉害，效应明显。圆盘样品：外加磁场时，电流以螺旋形路径指向外电 极，路径增大电阻增加。在圆盘中任何地 方都不会积累电荷也不会产生霍尔电场。u 为了消除霍尔电场影响获得大的磁阻效应,一般将磁敏电阻制成圆形或长方形。山西工程职业技术学院4.3.1 磁敏电阻器v 磁敏电阻与霍尔元件属同一类,都是磁电转换元件,本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力,只有与辅助材料(磁铁)并用才具有识别磁极的能力.
15、磁敏电阻的输出特性磁敏电阻的输出特性山西工程职业技术学院4.3.1 磁敏电阻器 无偏置磁场时,检测磁场不能判别磁性；外加偏置磁场时，相当在检测磁场外加了偏置磁场，工作点移到线性区，磁极性也作为电阻值变化表现出来。山西工程职业技术学院4.3.1 磁敏电阻器 磁图形识别传感器磁图形识别传感器BS05A1HFAA,BS05A1HFAA,检测电路，工作检测电路，工作电压电压5V5V，输出，输出0.30.8v0.30.8v，被测物体，被测物体3mm3mm，可测磁性，可测磁性齿轮，磁性墨水，磁性条形码，磁带，识别有机磁齿轮，磁性墨水，磁性条形码，磁带，识别有机磁性（自动售货机）。性（自动售货机）。磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用山西工程职业技术学院4.3.2 磁敏晶体管（1 1）磁敏二极管（）磁敏二极管（锗管锗管2ACM,硅管硅管2DCM）特点：特点：长“基区”PiN型二极管，PI为掺杂区，本征区I长度较长，构成高阻半导体；工作过程：工作过程：磁敏二极管在长“基区”的一侧面设置了复合区r，r面是个粗糙面截流子复合速度非常高，r区对面 是复合率很小的光滑面。山西工程职业技术学院（2）磁敏三极管以锗管NPN型为例：磁敏三极管也是以长基区为特征，有两个PN结，发射极与基极之间的PN 结由长基区二极管构成，有一个高复合区，集电极电流大小与磁场有关。山西工程职业技术学院本章要点：本章要点：
