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1、3磁敏传感器磁敏传感器 本节主要包括两部分：本节主要包括两部分：磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管；磁阻元件；磁阻元件；一一、磁敏二极管的结构与工作原理磁敏二极管的结构与工作原理1.结构与原理结构与原理 电路符号电路符号:结构结构:中间为中间为I区区(高纯度锗高纯度锗)P区区 N区区 r区区(高复合区高复合区,可复合空穴和电子可复合空穴和电子)_原理原理:设无外加磁场设无外加磁场:很少空穴和电子复合很少空穴和电子复合,有稳定电流有稳定电流外加正磁场外加正磁场,载流子都受到洛仑兹力载流子都受到洛仑兹力运动偏向运动偏向r区区,电流减小电流减小外加反向磁场外加反向磁场,仍受洛仑兹力仍受洛仑
2、兹力,在在I区载流子数量增多区载流子数量增多,电流增大电流增大结论结论:载流子的偏移与洛仑兹力有关载流子的偏移与洛仑兹力有关,洛仑兹力与洛仑兹力与电场和磁场的乘积成正比电场和磁场的乘积成正比.随着磁场大小方向的随着磁场大小方向的变化变化,可以产生输出正负电压的变化可以产生输出正负电压的变化.(若磁敏二极管反向偏置若磁敏二极管反向偏置,仅有微弱电流仅有微弱电流.)2.磁敏二极管的重要特性磁敏二极管的重要特性伏安特性伏安特性:a.给定磁场下，锗磁敏二极管两端给定磁场下，锗磁敏二极管两端正向偏压和通过它的电流关系曲线正向偏压和通过它的电流关系曲线b.开始电流变化平坦，而后伏安特性曲线上升 快，动态电
3、阻阻值小c.具负阻现象（硅管）磁电特性磁电特性温度特性温度特性频率特性频率特性硅管硅管响应响应t1us频率频率1MHz锗管锗管响应响应t1us频率频率10KHz磁灵敏度磁灵敏度a.恒流条件下恒流条件下,电压相对磁灵敏度电压相对磁灵敏度hu:U0磁感应强度为零时，磁敏二极管两端电压UB磁感应强度为B时，磁敏二极管两端电压b.恒压条件下恒压条件下,电流相对磁灵敏度电流相对磁灵敏度hi：I0给定偏压下，磁场为零时 通过磁敏二极管的电流IB给定偏压下，磁场为B时 通过磁敏二极管的电流c.给定电压给定电压电流和负载电流和负载R,电压磁灵敏度和电电压磁灵敏度和电流磁灵敏度流磁灵敏度U0、I0磁场为零时，磁
4、敏二极管两端流过的 电压和电流UB、IB磁场为B时，磁敏二极管两端流过的 电压和电流3.温度补偿及提高灵敏度的措施温度补偿及提高灵敏度的措施互补式电路互补式电路温度特性曲线差分式电路差分式电路全桥式电路全桥式电路要求要求:灵敏度高灵敏度高 用交流电源或脉冲电压源用交流电源或脉冲电压源二二.磁敏三极管的工作原理和主要特性磁敏三极管的工作原理和主要特性1.结构和原理结构和原理电路符号电路符号:结构结构:工作原理工作原理:a.无磁场无磁场:集电极电流小集电极电流小,基极电流大基极电流大b.加正向磁场加正向磁场洛仑兹力洛仑兹力,基极电流加大基极电流加大,集电极电流更小集电极电流更小c.加反向磁场加反向
5、磁场洛仑兹力洛仑兹力,集电极电流加大集电极电流加大2.磁敏三极管主要特性磁敏三极管主要特性伏安特性伏安特性磁电特性磁电特性(较弱磁场时较弱磁场时,Ic与与B是线形关系是线形关系)温度特性温度特性3ACM3BCM磁灵敏度的温度系数为磁灵敏度的温度系数为.3CCM磁灵敏度的温度系数为磁灵敏度的温度系数为-0.6%温度系数温度系数频率特性频率特性磁场交变磁场交变:3BCM响应响应t2us截止频率截止频率500KHz3CCM响应响应t4us截止频率截止频率静态集电极电流,温度系数CTI磁灵敏度h,温度系数CTh磁灵敏度磁灵敏度(正向正向反向反向)h+:受正向磁场作用磁灵敏度受正向磁场作用磁灵敏度IcB
6、+:受正向磁场作用集电极电流受正向磁场作用集电极电流h-:受反向磁场作用磁灵敏度受反向磁场作用磁灵敏度IcB-:受反向磁场作用集电极电流受反向磁场作用集电极电流I：不受磁场作用，给定基流下的集电极电流：不受磁场作用，给定基流下的集电极电流工作电压工作电压3V几十几十V3.温度补偿及提高灵敏度的措施温度补偿及提高灵敏度的措施负温度系数管负温度系数管用正温度系数普通硅三极管用正温度系数普通硅三极管正温度系数管正温度系数管(3BCM)选择特性一致选择特性一致,磁性相反磁性相反差分式补偿电路差分式补偿电路三三磁敏管的应用磁敏管的应用漏磁探伤仪的原理如图：漏磁探伤仪的原理如图：a.钢棒被磁化局部表面时，
7、若无缺陷，探头附近没有泄漏磁通，钢棒被磁化局部表面时，若无缺陷，探头附近没有泄漏磁通，无信息输出无信息输出b.缺陷处的泄漏磁通将作用于探头上，使其产生输出信号缺陷处的泄漏磁通将作用于探头上，使其产生输出信号探伤仪探头结构和原理框图如下：探伤仪探头结构和原理框图如下：管道技术公司生产的高清晰度管道漏磁检测设备管道技术公司生产的高清晰度管道漏磁检测设备适于陆上与海底油、气管道的检测。适于陆上与海底油、气管道的检测。与国际同类高清晰度漏磁检测器相比具有：与国际同类高清晰度漏磁检测器相比具有：结构简单、分辨率高、数据可靠、运行安全等特点。结构简单、分辨率高、数据可靠、运行安全等特点。高清晰度管道漏磁检
8、测设备高清晰度管道漏磁检测设备油管抽油杆检测仪油管抽油杆检测仪四四常用磁敏管参数的型号常用磁敏管参数的型号参数参数五、磁阻元件五、磁阻元件（一）磁阻效应（一）磁阻效应 将一载流导体 置于外磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种现象称磁电阻效应，简称磁阻效应。B磁感应强度u电子迁移率零磁场下的电阻率磁感应强度为B时的电阻率（二）形状效应二）形状效应 形状效应系数 磁敏元件的长度 b 磁敏元件的宽度 这种由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻大小变化的现象，叫形状效应。磁阻元件是利用半导体的磁阻效应和形状效应研制磁阻元件是利用半导体的磁阻效应和形状效应研制而成。而成。(1)长方形磁阻元件长方形磁阻元件
9、其长度其长度L大于宽度大于宽度b，在两端部制成电极，构成两端器件在两端部制成电极，构成两端器件在电场和磁场相互垂直得固体中电子的运动在电场和磁场相互垂直得固体中电子的运动(2)科尔宾元件科尔宾元件在园盘形元件得外圆周边和中心处，装上电流电在园盘形元件得外圆周边和中心处，装上电流电极，将具有这种结构的磁阻元件称为科尔宾元件。极，将具有这种结构的磁阻元件称为科尔宾元件。(3)平面电极元件平面电极元件为了加大磁阻效应就要使电阻变大。从原理上讲，如果把为了加大磁阻效应就要使电阻变大。从原理上讲，如果把L/b比值小的元件多个串连，就能解决问题，尽管这样的结构比值小的元件多个串连，就能解决问题，尽管这样的
10、结构较好，但是制作困难，不能实用。较好，但是制作困难，不能实用。以研磨或镀膜的办法制成以研磨或镀膜的办法制成InSb（锑化铟）薄膜，锑化铟）薄膜，尽管真空镀膜阻值会增加，但是生产效率高，价格低廉尽管真空镀膜阻值会增加，但是生产效率高，价格低廉平面电极元件的结构平面电极元件的结构(4)InSbNiSb共晶磁阻元件共晶磁阻元件在在InSb的晶体中掺杂的晶体中掺杂NiSb，在结晶过程中会析出沿在结晶过程中会析出沿着一定方向排列得细长的着一定方向排列得细长的NiSb针状晶体。针状晶体。针状晶体导电性能良好，其直径为针状晶体导电性能良好，其直径为1m，长度为长度为100m，相当于几何形状效应。它是几何形
11、状长宽比相当于几何形状效应。它是几何形状长宽比的扁条状磁阻元件的串连元件。的扁条状磁阻元件的串连元件。未掺杂的未掺杂的InSbNiSb磁阻元件叫磁阻元件叫D型，型，掺杂的掺杂的InSbNiSb磁阻元件叫磁阻元件叫L、N型型掺杂磁阻元件灵敏度下降，但从温度关系曲线上将会发现，掺杂磁阻元件灵敏度下降，但从温度关系曲线上将会发现，其温度特性得到了改善。其温度特性得到了改善。三种元件的磁阻效应特性三种元件的磁阻效应特性（5）曲折形磁阻元件）曲折形磁阻元件（a）所示的单个曲折形结构所示的单个曲折形结构（b）是用两个曲折元件组成一个差动式元件，其优点是是用两个曲折元件组成一个差动式元件，其优点是可将磁阻元
12、件阻值在无磁场情况做到数百欧甚至数千可将磁阻元件阻值在无磁场情况做到数百欧甚至数千欧。欧。（6）磁阻元件的温度补偿）磁阻元件的温度补偿图中图中RM为磁阻元件，为磁阻元件，r1、r2为温度补偿元件。为温度补偿元件。温度特性曲线温度特性曲线差动式元件温度补偿法差动式元件温度补偿法磁阻元件的应用磁阻元件的应用使用使用InSb作为感磁材料的半导体磁阻元件作为感磁材料的半导体磁阻元件半导体磁阻元件通常是利用平面电极等把许多小的半导体磁阻元件通常是利用平面电极等把许多小的InSb矩形体单元串连在一起构成的。矩形体单元串连在一起构成的。采用这种结构的目的是为了提高灵敏度采用这种结构的目的是为了提高灵敏度,一
13、般用永久磁铁施加磁偏提高其灵敏度。一般用永久磁铁施加磁偏提高其灵敏度。一般选用五百至数千高斯的一般选用五百至数千高斯的加强磁阻元件感磁部分由加强磁阻元件感磁部分由NiCo强磁性金属构成，强磁性金属构成，磁场方向应平行于电流方向磁场方向应平行于电流方向例子例子（1）磁敏电阻的基本应用电路）磁敏电阻的基本应用电路单个磁敏电阻应用时的接法单个磁敏电阻应用时的接法两个磁敏电阻两个磁敏电阻RM1和和RM2串连连接的电路结构串连连接的电路结构具有一定温度补偿的作用具有一定温度补偿的作用（2）用磁敏电阻监视交流电流）用磁敏电阻监视交流电流非接触的交流电流测量和监控非接触的交流电流测量和监控只要将只要将MS-
14、F06靠近被测电线就可得输出电压靠近被测电线就可得输出电压MS-F06的温度特性的温度特性MS-F06到被测电线的距离和输出电压的关系到被测电线的距离和输出电压的关系非接触电流监控电路非接触电流监控电路改变电流值时系统的特性改变电流值时系统的特性（3）用磁敏电阻读磁卡）用磁敏电阻读磁卡传感器扫描磁卡（电话卡）表面时的波形图传感器扫描磁卡（电话卡）表面时的波形图（4）用磁敏电阻检测和识别图形）用磁敏电阻检测和识别图形BS051HFAA 为图形识别传感器为图形识别传感器运放运放TA75458作为放大器作为放大器要求采用专用的放大器要求采用专用的放大器一个图形识别的电路实例一个图形识别的电路实例BS
15、05C1HGAA（5）磁阻式位移传感器）磁阻式位移传感器优点：结构简单，体积小，精度高，可实现非接触优点：结构简单，体积小，精度高，可实现非接触 式测量式测量缺点：量程小，仅使用于缺点：量程小，仅使用于5mm以下位移量的测量以下位移量的测量磁阻元件的应用举例磁阻元件的应用举例1、主动式旋转传感器内置轮、主动式旋转传感器内置轮l使用磁阻元件（使用磁阻元件（MRE）传感器，可检测低速旋转）传感器，可检测低速旋转l旋转传感器位于密封单元内，可遮挡垃圾、沙子、旋转传感器位于密封单元内，可遮挡垃圾、沙子、泥土等侵入泥土等侵入2、SRD10系列开关磁阻电机调速系统系列开关磁阻电机调速系统开关磁阻电机调速系
16、统简称开关磁阻电机调速系统简称SRD是由基于是由基于计算机和电力电子技术的控制器和开关磁阻电计算机和电力电子技术的控制器和开关磁阻电动机两者组成的新型调速系统。其性能指标高动机两者组成的新型调速系统。其性能指标高于普通交流变频调速电动机系统及直流电动机于普通交流变频调速电动机系统及直流电动机调速系统，是一种新颖的、高性价比的、具有调速系统，是一种新颖的、高性价比的、具有典型机电一体化的无级调速系统。典型机电一体化的无级调速系统。开关磁阻调速电机系统由电动机和控制器组成。开关磁阻调速电机系统由电动机和控制器组成。如图所示。电动机内安装有位置传感器；如图所示。电动机内安装有位置传感器；控制器由功率电路和控制电路等单元组成。控制器由功率电路和控制电路等单元组成。开开关关磁磁阻阻调调速速电电机机系系统统组组成成要求要求掌握掌握:磁敏二极管结构磁敏二极管结构,工作原理工作原理磁灵敏度的三种定义磁灵敏度的三种定义磁阻效应和形状效应磁阻效应和形状效应了解了解:磁敏二极管主要特性磁敏二极管主要特性磁敏三极管工作原理磁敏三极管工作原理磁敏管的应用磁敏管的应用磁阻元件磁阻元件