1、第 6 章 磁敏式传感器,6.1 磁电感应式传感器,1,6.2 霍尔式传感器,6.3 磁敏电阻器,3,6.4 磁敏式传感器的应用,4,2,总共：6学时,磁敏式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。,概述,6.1 磁电感应式传感器,教学重点:1、磁电式传感器的工作原理 2、磁电式传感器的特性 教学难点:1、磁电式传感器的工作原理 2、磁电式传感器的特性,其它名称： 电动式传感器 感应式传感器。磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生电动式的，它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是有源传感器。测量对象：速度与速度相关的物理量
2、。特点:由于它输出功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽（101000 Hz），所以得到普遍的应用。,6.1 磁电感应式传感器,6.1.1 磁电感应式传感器工作原理根据电磁感应定律，当w匝线圈在恒定磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电势E与磁通变化率d/dt有如下关系： 根据这一原理，可以设计成两种磁电传感器结构：变磁通式和恒磁通式。,6.1 磁电感应式传感器,图6-1是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。 图6-1（a）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随之一起转动。感应电势的频率与被测转速成正比。 这种传感器结构简单，但输出信号较小，且
3、因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速。,6.1 磁电感应式传感器,（a）,6.1 磁电感应式传感器,图6-1（b）,图6-1（b）为闭磁路变磁通式，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外转轴连齿轮齿数相同。当接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动。感应电势的频率与被测转速成正比。,图6-2 恒磁通式磁电传感器结构原理图,图6-2 恒磁通式磁电传感器结构原理图,6.1.1 磁电感应式传感器,振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势为: 式中： B0工作气隙磁感应强度； L
4、每匝线圈平均长度； w线圈在工作气隙磁场中的匝数； v相对运动速度。,6.1 磁电感应式传感器,6.1.2 磁电感应式传感器基本特性当测量电路接入磁电传感器电路中，磁电传感器的输出电流I为: （6-3）式中： Rf测量电路输入电阻； R 线圈等效电阻。,6.1 磁电感应式传感器,传感器的电流灵敏度为:传感器的输出电压和电压灵敏度分别为:,6.1 磁电感应式传感器,6.1 磁电感应式传感器,当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、 机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化而产生测量误差。相对误差为,图6-3 传感器电流的磁场效应,磁电式传感器在使用时存在误差，主要为非线性误差和温度误差。1)
5、产生非线性误差的主要原因是：由于传感器线圈内有电流I流过时，将产生一定的交变磁通I，此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化.,6.1 磁电感应式传感器,2）温度误差 当温度变化时，式（6-7）中右边三项都不为零。对铜线而言每摄氏度变化量为dL/L0.16710-4，dR/R0.4310-2，dB/B每摄氏度的变化量取决于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金，dB/B-0.0210-2，这样由式（6-7）可得近似值：温度补偿。补偿通常采用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。,6.1 磁电感应式传感器,磁电式传感器直接输出感应电动势，且传感器通
6、常具有较高的灵敏度，不需要高增益放大器。 磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。,图6-4 磁电感应式传感器测量电路方框图,6.1 磁电感应式传感器,6.1.3 磁电感应式传感器测量电路,重点:1、霍尔传感器的工作原理及特性2、霍尔传感器的测量电路 难点:1、霍尔效应及特性2、测量电路,6.2 霍尔传感器,霍尔传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应（霍尔效应）而输出电动势的一种传感器。 霍尔传感器广泛用于电磁测量电流、磁场、压力、加速度、振动等方面的测量。,6.2 霍尔传感器,6.2.1 霍尔效应及霍尔元件1）霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体，当它的
7、电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应，该电势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。,霍尔效应原理图,6.2 霍尔传感器,霍尔电势的产生原因： 1、电子受洛仑兹力Fm的作用，使电子产生偏转，偏转的电子在平行电流和磁场的平面产生电动势。 2、电子受到感生电场力的作用，电场力与洛仑兹力的方向相反。并随电动势的增加而增加。 3、两力最终达到平衡，电动势大小恒定。,6.2 霍尔传感器,n:单位体积电子数，e:电子电量 令RH=-1/（ne），称之为霍尔常数，则:式中:KH=RH/d 称为霍尔片的灵敏度。,6.2 霍尔传感器,（6-17）,6.
8、2 霍尔传感器,霍尔传感器的灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。 为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。 由霍尔元件激励间电阻与霍尔电势之间的关系可得从式（6-21）可知，为了提高灵敏度，要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。,当霍尔元件的宽度b加大，或 减小时，载流子在偏转过程中的损失将加大，使UH下降。通常要对式（6-17）加以形状效应修正：,6.2 霍尔传感器,式中， 为形状效应系数，其修正值如表6-1所示。,6.2 霍尔传感器,表6-1 形状效应系数,一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔
9、片。,6.2 霍尔传感器,霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成，如图6-6（a）所示。霍尔片,6.2 霍尔传感器,图6-6 霍尔元件,2）霍尔元件基本结构,3）霍尔元件基本特性额定激励电流和最大允许激励电流输入电阻和输出电阻 不等位电势和不等位电阻 寄生直流电势 霍尔电势温度系数,6.2 霍尔传感器,图6-7 不等位电阻,6.2.2 霍尔传感器的基本电路1）简单的恒电压工作电路 恒电压工作电路比较适合于精度要求不是很高的数字方面的应用，例如录像机的电动机位置检测等。,6.2 霍尔传感器,图6-8 霍尔传感器的恒电压工作电路,霍尔效应传感器的恒电流工作电路适于高精度测量，可以充分发挥
10、霍尔效应传感器的性能。在恒电流工作时输出特性不受输入电阻温度系数以及磁阻效应的影响。,6.2 霍尔传感器,图6-9 霍尔传感器的恒电流工作电路,2）简单的恒电流工作电路,6.2 霍尔传感器,图6-10 a 一个运算放大器构成的差动放大器,3）霍尔效应传感器放大电路基本的差动放大电路为了消除非磁场因素引入的同向电压的影响，必须构成差动放大器.,图6-10 b 3个运算放大器构成的差动放大器,6.2 霍尔传感器,使用了隔直流电容器。,6.2 霍尔传感器,Ig：电容器的漏电流（直流成分）,图6-11 a 电容器漏电流的影响,6.2 霍尔传感器,图6-11 b 3个运算放大器构成的差动放大（1）,6.
11、2 霍尔传感器,图6-11 c 3个运算放大器构成的差动放大（1）,6.2.3 霍尔元件的补偿电路1）霍尔元件不等位电势补偿 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，因而必须采用补偿的方法。如图 6-12 所示 。,6.2 霍尔传感器,图6-12不等位电势补偿电路,2）霍尔元件温度补偿霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定。,6.2 霍尔传感器,图6-13 恒流源温度补偿电路,6.2 霍尔传感器,6.3
12、磁敏电阻器6. 4 磁敏式传感器的应用重点:1、磁敏电阻的工作原理及特性 难点:1、磁敏电阻的工作原理及特性,6.3 磁敏电阻器6. 4 磁敏式传感器的应用,磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。磁敏电阻是磁阻位移传感器、无触点开关等的核心部件。,6.3 磁敏电阻器,6.3 磁敏电阻器,6.3.1 磁阻效应当一载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种现象被称为磁阻效应。当温度恒定时，在磁场内，磁阻和磁感应强度B的平方成正比。理论推导出来的磁阻效应方程为： 式中， 是磁感应强度为B的电阻率； 是零磁场下的电阻率；是电子迁移率；B是磁感应强度。,可以看出 ，在磁感应强度一定时，迁移率越高的材料
13、（如InSb、InAs、NiSb等半导体材料）磁阻效应越明显。从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因磁场的作用而加长所致。,6.3 磁敏电阻器,6.3.2 磁敏电阻的结构 磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。考虑形状影响因素时，电阻率的相对变化为：式中，l、b分别为电阻的长和宽； 是形状效应系数。,6.3 磁敏电阻器,6.3 磁敏电阻器,图6-14 半导体内电流分布,（a）长方形lb,（b）长方形lb,（c）科比诺圆盘,图6-14画出了三种不同形状的半导体内电流线的分布，第一行为不加磁场的情况，第二行为加磁场的情况。,6.3.3 磁阻元件的主要特性1）灵敏度特性 在运
14、算时常用RB/R0求得， R0表示无磁场情况下磁阻元件的电阻值，RB为施加0.3T磁感应强度时磁阻元件的电阻值。,6.3 磁敏电阻器,6.3 磁敏电阻器,这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于2.7，如图6-15所示。由图6-15(a)所示磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加。,图6-15 磁阻元件的灵敏度特性,6.3 磁敏电阻器,由图6-15(b)所示，在0.2T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过0.2T后呈现线性变化。,图6-15 磁阻元件的灵敏度特性,2）电阻 温度特性半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的电阻值在不大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用时，
15、一般都要设计温度补偿电路。,6.3 磁敏电阻器,图6-16 半导体元件的电阻-温度特性曲线,6.4.1 非接触式交流电流检测器 该非接触式交流电流检测器使用的是MS-F06型磁敏电阻器，只要将MS-F06型半导体磁敏电阻器靠在电流线上就会得到输出电压。 MS-F06型磁敏电阻器在35时电阻值减小到室温时的1/2。因此，很少只使用一个磁敏电阻器，而是使用两个磁敏电阻器，以使其温度特性能够得到补偿。,6.4 磁敏式传感器的应用,图6-17 MS-F06型磁敏电阻器的电阻值-磁场特性,6. 4 磁敏式传感器的应用,MS-F06型磁敏电阻器的电阻值-磁场特性如图6-17所示。,图6-18是MS-F06
16、的温度特性。图6-19是MS-F06和铜导线之间的距离与输出电压的关系。当它紧贴直径0.1mm的铜导线时，对应于50Hz的100mA电流，输出的电压为0.27mVRMS。,图6-18 MS-F06的温度特性,图6-18 MS-F06的间隔特性,6. 4 磁敏式传感器的应用,图6-20 非接触式电流监测器,6. 4 磁敏式传感器的应用,图6-20是利用MS-F06制作的非接触式电流检测器的电路图。20A时磁敏电阻的输出电压US为： US=（0.27mV/0.1A）20A=54mV由于是在电力导线外测量，所以其输出值大约为上述理论值的1/5，即10mV。要想在图6-20所示电路输出2V的电压，放大
17、器U2A的增益应当为200。在电路设计中采取了1001000倍的可调方式。,6. 4 磁敏式传感器的应用,6.4.2 基于霍尔传感器的通用型高斯计在测量磁通密度的仪器中有一种叫做高斯计。对测量范围要求如果不过分苛刻的话，在0.2T/2T两个量程之间相互切换的特拉斯计较易制作，实际电路图如图6-21所示。传感器使用THS103A型GaAs霍尔效应传感器，采用恒电流工作模式，满刻度的温度系数最大值可以控制在-0.06%/，典型值可以控制在-0.03%/-0.04%/。TL499A为可变输出系列的开关调节器，其输出为正10V电压，LCL7660为C-MOS电压转换器，其输出端输出-9V电压。,6.
18、4 磁敏式传感器的应用,6. 4 磁敏式传感器的应用,图6-21 高斯计电路,采用差动放大器作为霍尔效应传感器的放大器。第一级放大器的增益为G=1+2R2/R1。当R1=60k时，G=10；当R2开路时，G=1。下一级放大器用VR1进行调整，使得增益为12倍。电位器VR2用于不平衡电压的调整。为了能够具有尽可能好的零点稳定性，需要从大约10个霍尔效应传感器中挑选一个不平衡电压最小的来使用。不平衡电压的大小应当在23mV以下。在不同量程间进行切换时，不平衡电压变化幅度比较大，因此每个不同量程都要分别设置自己专用的电位器，如图6-22所示。,6. 4 磁敏式传感器的应用,为了确定放大器的增益，需要
19、计算霍尔效应传感器的输出电压。THS103A型霍尔效应传感器在IC=5mA，B=0.1T时，其输出电压UH=80mV；因此，在B=0.2T时，UH=160mV；而在B=2T时，UH=1.6V。于是，可以计算出放大器的增益，在B=0.2T时为12.5，在B=2T时为1.25。由于VH在50120mV的范围内存在着分散性，所以需要用增益调整电位VR1进行增益调整，与此同时基准电压的分散性也得到了调整。,图6-22不平衡电压调整电路,6. 4 磁敏式传感器的应用,习题1. 说明霍尔效应的原理？2. 某霍尔元件 为 沿L方向通以电流 ，在垂直LB面方向加有均匀磁场 , 传感器的灵敏度系数 ，试求其输出霍尔电势及载流子浓度（ ） 3. 磁电式传感器与电感式传感器有何不同？4. 霍尔元件在一定电流的控制下，其霍尔电势与哪些因素有关？,习题与思考题,
