《华东交通大学-机械工程测试技术-第四章-常用传感器..ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《华东交通大学-机械工程测试技术-第四章-常用传感器..ppt（85页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 一、霍耳磁敏传感器一、霍耳磁敏传感器 二、磁敏二极管和磁敏三极管二、磁敏二极管和磁敏三极管 三、磁敏电阻三、磁敏电阻 4-5 4-5 磁敏传感器磁敏传感器一、霍耳磁敏传感器一、霍耳磁敏传感器（一）霍耳效应（一）霍耳效应通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。场的方向上将产生电动势的现象。+I+lwd霍耳效应原理图VH（二）（二）霍耳磁敏传感器工作原理霍耳磁敏传感器工作原理设霍耳片的长度为l，宽度为w，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力q电子电量(1.6210-19C)；v电
2、于运动速度。同时，作用于电子的电场力当达到动态平衡时霍耳电势VH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成：电流密度j=nqvnN型半导体中的电子浓度N型半导体P型半导体 霍耳系数，由载流材料物理性质决定。材料电阻率pP型半导体中的孔穴浓度载流子迁移率,=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。金属材料，电子金属材料，电子很高但很高但很小，绝缘材料，很小，绝缘材料，很高但很高但很小。很小。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。设KH=RH /dKH霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位
3、磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为时，霍耳电势应为：VHKHI BVHKH I B cos注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍霍耳电耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，时，霍耳电霍耳电势并不改变方向。势并不改变方向。控制电流I；霍耳电势VH；控制电压V；输出电阻R2；输入电阻R1；霍耳负载电阻R3；霍耳电流IH。图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍耳输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放大器的输入电
4、阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本电路R实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。（四）、基本特性（四）、基本特性 1、直线性：指霍耳器件的输出电势VH分别和基本参数I、V、B之间呈线性关系。VH=KHBI 2、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：KH乘积灵敏度，表示霍耳电势VH与磁感应强度B和控制电流I乘积之间的比值，通常以mV/(mA0.1T)。因为霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定,故称为乘积灵敏度乘积灵敏度。K
5、B磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电势值。常用于磁场测量等情况。KI电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应强度下电流对应的霍耳电势值。若控制电流值固定，则：VHKBB若磁场值固定，则：VHKI I3、额定电流：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。4、最大输出功率在霍耳电极间接入负载后，元件的功率输出与负载的大小有关，当霍耳电极间的内阻R2等于霍耳负载电阻R3时，霍耳输出功率为最大。5、最大效率 霍耳器件的输出与输入功率之比，称为效率，和最大输出对应的效率，称为最大效率，即：6、负载特性当霍耳电极间串接有负载时，因为流
6、过霍耳电流，在其内阻上将产生压降，故实际霍耳电势比理论值小。由于霍耳电极间内阻和磁阻效应的影响，霍耳电势和磁感应强度之间便失去了线性关系。如图所示。8060402000.20.40.60.81.0VH/mV=7.0=1.5=3.0B/T理论值理论值实际值实际值VHR3I霍耳电势的负载特性=R3/R2霍耳电势随负载电阻值而改变的情况7、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。霍耳材料的温度特征霍耳材料的温度特征（a）RH与温度的关系；（与温度的关系；（b）与温度的关系与温度的关系RH/cm2/A-1-1250
7、200150100504080120160200LnSbLnAsT/0246/710-3cmLnAs20015010050LnSbT/0双重影响双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，影响灵敏度。二者相反。8、频率特性u磁磁场场恒恒定定，而而通通过过传传感感器器的的电电流流是是交交变变的的。器件的频率特性很好，到10kHz时交流输出还与直流情况相同。因此,霍耳器件可用于微波范围,其输出不受频率影响。u磁磁场场交交变变。霍耳输出不仅与频率有关，而且还与器件的电导率、周围介质的磁导率及磁路参数(特别是气隙宽度)等有关。这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会在其内部产生涡流的缘故。总之，
8、在交变磁场下，当频率为数十kHz时，可以不考虑频率对器件输出的影响，即使在数MHz时，如果能仔细设计气隙宽度，选用合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有良好的频率特性的。霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。（五）（五）霍耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。稳压电路稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出开路输出可使
9、传感器方便地与各种逻辑电路接口。1 1霍耳开关集成传感器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器内部结构框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大BT整形地H3020T输出输出VoutR=2k+12V123（b）应用电路应用电路（a）外型外型霍耳开关集成传感器的外型及应用电路霍耳开关集成传感器的外型及应用电路1231霍耳线性集成传感器的结构及工作原理 霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成，当外加磁场时,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压,经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中
10、设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍耳线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。（六）霍耳线性集成传感器（六）霍耳线性集成传感器单端输出传感器的电路结构框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大地H稳压H3VCC地4输出输出18675双端输出传感器的电路结构框图单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将
11、输出电压放大到较高的电平。其典型产品是SL3501T。双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是SL3501M。2 2霍耳线性集成传感器的主要技术特性霍耳线性集成传感器的主要技术特性(1)(1)传感器的输出特性如下图：磁感应强度B/T5.64.63.62.61.6-0.3-0-0.2-0.1-0.100.10.20.3输输出出电电压压U/VSL3501T传感器的输出特性曲线2 2霍耳线性集成传感器的主要技术特性霍耳线性集成传感器的主要技术特性(2)(2)传感器的输出特性如下图：2.52.01.51.00.50 0.040.080.
12、120.16 0.200.24输输出出电电压压U/V磁感应强度磁感应强度B/TSL3501M传感器的输出特性曲线00.28 0.32R=0R=15R=100（七）霍耳磁敏传感器的应用（七）霍耳磁敏传感器的应用利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用。利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。利用霍耳传感器制作的仪器优点：(1)
13、体积小，结构简单、坚固耐用。(2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。(3)装置性能稳定，寿命长，可靠性高。(4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。(5)霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。测量磁场的大小和方向电位差计电位差计mAESNR图图2.6-24霍耳磁敏传感器测磁原理示意图霍耳磁敏传感器测磁原理示意图 二、磁敏二极管和磁敏三极管二、磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。它们具有磁灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚
14、至数千倍）；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点，因而正日益得到重视；并在检测、控制等方面得到普遍应用。（一）磁敏二极管的工作原理和主要特性（一）磁敏二极管的工作原理和主要特性 1 1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）磁敏二极管的结构有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。与普通二极管区别：普通二极管PN结的基区很短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二级管的PN结却有很长的基区，大于载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。一般锗磁敏二级管用=40cm左右的P型或N型单晶做基区(锗本征半导体的=50cm)，在它的两端有P型和N型锗，并引出，若代表长基区，则
15、其PN结实际上是由P结和N结共同组成。以2ACM1A为例，磁敏二级管的结构是P+iN+型。+（b）磁敏二极管的结构和电路符号(a)结构;(b)电路符号H+H-N+区p+区i区r区电流（a）在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P型和N型两个区域，并在本征区（i）区的一个侧面上，设置高复合区(r区)，而与r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。PNPNPNH=0H+H-电流电流电流（a）（b）（c）磁敏二极管的工作原理示意图流过二极管的电流也在变化，也就是说二极管等效电阻随着磁场的不同而不同。为什么磁敏二极管会有这种特性呢?下面作一下分析。（2）磁敏
16、二极管的工作原理当磁敏二极管的P区接电源正极，N区接电源负极即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，iii电子孔穴复合区结结论论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。磁敏二极管反向偏置时，则在r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。2 2磁敏二极管的主要特征磁敏二极管的主要特征（1）伏安特性在给定磁场情况下，磁敏二极管两端正向偏压和通过它的电流的关系曲线。-0.2213579U/VI/mA00.2T0.15T
17、0.1T0.05T-0.05T（a）531I/mA46810U/V-0.3-0.2-0.100.10.20.30.4（b）531I/mA481216U/V-0.100.10.40.30.2-0.3（c）图2.6-29磁敏二极管伏安特性曲线（a）锗磁敏二极管（b）、（c）硅二极管-0.1T-0.15T-0.2T000由图可见硅磁敏二极管的伏安特性有两种形式。一种如图2.6-29（b）所示，开始在较大偏压范围内，电流变化比较平坦，随外加偏压的增加，电流逐渐增加；此后，伏安特性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。另一种如图2.6-29(c)所示。硅磁敏二极管的伏安特性曲线上有负阻现象，即电流急增的
18、同时，有偏压突然跌落的现象。产生负阻现象的原因是高阻硅的热平衡载流子较少，且注入的载流子未填满复合中心之前，不会产生较大的电流，当填满复合中心之后，电流才开始急增之故。（2）磁电特性在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场间的变化关系，叫做磁敏二极管的磁电特性。图2.6-30磁敏二极管的磁电特性曲线（a）单个使用时（b）互补使用时B/0.1T1.0 2.0 3.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.03kREE=12V（18V）
19、Td=20（a）（b）U/VU/V图2.6-30给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线。（3）温度特性温度特性是指在标准测试条件下，输出电压变化量（或无磁场作用时中点电压）随温度变化的规律，如图所示。U/VT/020400.20.40.60.81.0E=6VB=0.1T8060-20I/mA-5-4-3-2-1I图2.6-31磁敏二极管温度特性曲线(单个使用时)U由图可见，磁敏二极管受温度的影响较大。反映磁敏二极管的温度特性好坏，也可用温度系数来表示。硅磁敏二极管在标准测试条件下，u0的温度系数小于20mV，的温度系数小于0.6%/。而锗磁敏二极管u0的温度系数小于-60mV，的温度
20、系数小于1.5%/。所以，规定硅管的使用温度为-4085，而锗管则现定为-4065。（4）频率特性硅磁敏二极管的响应时间，几乎等于注入载流子漂移过程中被复合并达到动态平衡的时间。所以，频率响应时间与载流子的有效寿命相当。硅管的响应时间小于1，即响应频率高达1MHz。锗磁敏二极管的响应频率小于10kHz。dB0.1-12-9-6-301010.01图2.6-32锗磁敏三极管频率特性f/kHz(2.6-26)(2.6-27)5）磁灵敏度 磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法：（a）在恒流条件下，偏压随磁场而变化的电压相对磁灵敏度（hu），即：u 0磁场强度为零时，二极管两端的电压；u B磁场强度为B
21、时，二极管两端的电压。(b)在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对磁灵敏度（hi），即：(c)在给定电压源E和负载电阻R的条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义如下：应特别注意，如果使用磁敏二极管时的情况和元件出厂的测试条件不一致时，应重新测试其灵敏度。（二）磁敏三极管的工作原理和主要特性（二）磁敏三极管的工作原理和主要特性 1 1磁敏三极管的结构与原理磁敏三极管的结构与原理（1）磁敏三极管的结构NPN型磁敏三极管是在弱P型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个结即发射结、基极结、集电结所形成的半导体元图2.6-33NPN型磁敏三极管的结构和符号a)结构b)符号rN+N+ceH-H+
22、P+bceba）b）件,如图。在长基区的侧面制成一个复合速率很高的高复合区r。长基区分为输运基区和复合基区两部。i（2 2）磁敏三极管的工作原理）磁敏三极管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）图2.6-34磁敏三极管工作原理示意图(a)H=0;(b)H=H+;(c)H=H-1-运输基区；2-复合基区12当不受磁场作用如图2.6-34(a)时，由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子除少部分输入到集电极c外，大部分通过eib而形成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。所以，电流放大系数=IcIb1。当受
23、到H磁场作用如图2.6-34（b）时，由于洛仑兹力作用，载流子向发射结一侧偏转，从而使集电极电流明显下降。当受磁场使用如图2.6-34(c)时，载流子在洛仑兹力作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流增大。/b=5mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAIb=0mAIC1.00.80.60.40.20246810VCE/V/mAVCE/VIb=3mAB-=0.1TIb=3mAB=0Ib=3mAB+=0.1T2468101.00.80.60.40.20IC/mA图2.6-35磁敏三极管伏安特性曲线2 2磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性（1）伏安特性图2.6-35(b)给出了磁敏
24、三极管在基极恒流条件下（Ib=3mA）、磁场为0.1T时的集电极电流的变化；图2.6-35(a)则为不受磁场作用时磁敏三极管的伏安特性曲线。（2）磁电特性磁电特性是磁敏三极管最重要的工作特性。3BCM（NPN型）锗磁敏三极管的磁电特性曲线如图2.6-36所示。B/0.1TIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-3图2.6-363BCM磁敏三极管电磁特性由图可见，在弱磁场作用时，曲线近似于一条直线。(3)温度特性磁敏三极管对温度也是敏感的。3ACM、3BCM磁敏三极管的温度系数为0.8；3CCM磁敏三极管的温度系数为-0.6。3BCM的温度特性曲线如图2.6-37所示。图2.
25、6-373BCM磁敏三极管的温度特性(a)基极电源恒压(b)基极恒流(a)-20020401.20.80.41.660B=0B=0.1TB=0.1TT/基极电源恒压Vb=5.7VIC/mA基极恒流Ib=2mAB=01.20.80.4-20020401.680B=0.1TB=0.1TT/(b)IC/mA温度系数有两种：一种是静态集电极电流Ic0的温度系数；一种是磁灵敏度的温度系数。在使用温度t1 t2范围Ic0的改变量与常温（比如25）时的Ic0之比，平均每度的相对变化量被定义为Ic0的温度系数 Ic0CT，即：同样，在使用温度t1t2范围内，的改变量与25时的值之比，平均每度的相对变化量被定义
26、为的温度系数 ：(2.6-30)对于3BCM磁敏三极管，当采用补偿措施时，其正向灵敏度受温度影响不大。而负向灵敏度受温度影响比较大，主要表现为有相当大一部分器件存在着一个无灵敏度的温度点，这个点的位置由所加基流（无磁场作用时）Ib0的大小决定。当Ib04mA时，此无灵敏度温度点处于+40左右。当温度超过此点时，负向灵敏度也变为正向灵敏度，即不论对正、负向磁场，集电极电流都发生同样性质变化。因此，减小基极电流，无灵敏度的温度点将向较高温度方向移动。当Ib0=2mA时，此温度点可达50左右。但另一方面，若Ib0过小，则会影响磁灵敏度。所以，当需要同时使用正负灵敏度时，温度要选在无灵敏度温度点以下。
27、（5）磁灵敏度磁敏三极管的磁灵敏度有正向灵敏度和负向灵敏度两种。其定义如下：式中受正向磁场B+作用时的集电极电流；受反向磁场B-作用时的集电极电流；不受磁场作用时，在给定基流情况下的集电极输出电流。（4）频率特性3BCM锗磁敏三极管对于交变磁场的频率响应特性为10kHz。(2.6-32)（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。利用磁敏管可以作成磁场探测仪器如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量10-7T左右的弱磁场。根据通
28、电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。此外,利用磁敏管还可制成转速传感器(能测高达每分钟数万转的转速),无触点电位器和漏磁探伤仪等。（四）、常用磁敏管的型号和参数（四）、常用磁敏管的型号和参数3BCM型锗磁敏三极管参数表型锗磁敏三极管参数表参数单位测试条件规范ABCDE磁灵敏度%Ec=6V,RL=100,Ib=2mA,B=0.1T5101015 1520 202525击穿电压BUccoVIc=1.5mA2020252525漏电流I
29、cc0Vcs=6A200200200200200最大基极电流mAEc=6VRL=5k4功耗PcmmW45使用温度-4065最高温度75mA3CCM型硅磁敏三极管参数表型硅磁敏三极管参数表参数单位测试条件规范磁灵敏度%Ec=6VIb=3mAB=0.1T5%击穿电压BUccoVIc=1020V漏电流Icc0Ice=6A5功耗mW20mW使用温度-4085最高温度100温度系数%/-0.10-0.25%/三、磁敏电阻三、磁敏电阻是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称MR元件。它的理论基础为磁阻效应。（一）（一）磁阻效应磁阻效应若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其
30、电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子(电子和空穴)的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化,它可表示为：为磁感应强度；材料在磁感应强度为时的电阻率；0材料在磁感应强度为0时的电阻率；载流子的迁移率。当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。这种与样品形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。长方形磁阻器件只有在L(长
31、度)W（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把LW长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍耳电势，这种栅格磁阻器件如图2.6-38（b）所示，就相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁LWBB图2.6-38几何磁阻效应II（a（b阻器件的灵敏度。常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部有制作成半桥或全桥等多种形式。1灵敏度特性磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场电阻特性的斜率。常用K表示，单位为mV/mA.kG即.Kg。在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，R
32、B为在施加0.3T磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于2.7。（二）（二）磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性2 磁场电阻特性磁阻元件磁场电阻特性N级0.30.20.100.10.2 0.3R/1000500S级(a)S、N级之间电阻特性B/T15RBR0105温度(25)弱磁场下呈平方特性变化强场下呈直线特性变化0(b)电阻变化率特性0.2 0.40.6 0.81.0 1.21.4B/T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在0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过0.1T后呈现线性变化图2.6-40强磁磁阻元件电阻-磁场特
33、性曲线输出电压V磁饱和点B=Bs0(b)磁场输出特性H图2.6-40显示的是强磁磁阻元件的磁场电阻特性曲线。从图中可以看出它与图2.6-39（a）曲线相反，即随着磁场的增加，电阻值减少。并且在磁通密度达数十到数百高斯即饱和。一般电阻变化为百分之几。3电阻温度特性图2.6-41是一般半导体磁阻元件的电阻温度特性曲线，从图中可以看出，半导体磁阻元件10384210242106-4002060100温度/电阻变化率%图2.6-41半导体元件电阻-温度特性曲线的温度特性不好。图中的电阻值在35的变化范围内减小了1/2。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。图2.6-42是强磁磁阻元件的电阻温度特性
34、曲线，图中给出了采用恒流、恒压供电方式时的温度特性。13010050电阻变化率%-30BX10-4/T电阻+3500ppm/0输出(恒流工作)-500ppm/输出(恒压工作)-300ppm/图2.6-42强磁阻元件电阻-磁场特性曲线可以看出，采用恒压供电时，可以获得500ppm/的良好温度特性，而采用恒流供电时却高达3500ppm/。但是由于强磁磁阻元件为开关方式工作，因此常用恒压方式。60（三）磁敏电阻的应用（三）磁敏电阻的应用磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度/角位移传感器、磁场传感器等。可用于开关电源、UPS、变频器、伺服马达驱动器、家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器
35、仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。4-6 光电式传感器光电式传感器是将光量转换为电量，其物理基础是光电效应。光电效应通常又分为外光电效应和内光电效应1、外光电效应 在光的照射下，金属中的自由电子吸收光能而逸出金属表面的现象。如光电管和光电倍增管。2、内光电效应半导体材料受光的照射后，其电导率发生变化的现象称为光导效应。而受光后产生电势的现象称为光生伏特效应。如光敏电阻、光电池、光敏晶体管4-6 光电式传感器一、光敏电阻（光导管）半导体材料受到光照时
36、会产生电子-空穴对，使其导电性能增强，光线越强、阻值越低。响应时间2-50ms,无光照射为暗电阻、一般为兆欧级。受光照射时阻值为亮电阻，一般几千欧。光敏电阻的光照特性是非线性的，不适宜做检测光通量变化的元件。4-6 光电式传感器二光电池直接将光能转换为电能的光电元件，在结电场的作用下，电子被推向区，空穴被拉向区，结果区带正电，区带负电。用于光电池的半导体材料有锗硒硫化镉等多种。目前应用最广的是硅光电池。其性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，用于检测可见光的强弱。4-6 光电式传感器三光敏晶体管一个结为光敏二极管，两个结为光敏三极管光通过透镜照射在光敏二极管上，由于产生光生载流子，因而在一定的反向
37、偏压下，光敏二极管的反向电流要比没有光照时大几十倍到几千倍，因此有较大的光电流。光敏二极管具有暗电流小，灵敏度高等优点，一般在用可见光做光源时，采用硅管，但对红外线探测时，锗管合适。光敏三极管有放大作用，其灵敏度比光敏二极管高。4-7 4-7 磁电式传感器磁电式传感器根据电磁感应定律，对于一个匝数为根据电磁感应定律，对于一个匝数为 的线圈，当穿过该线的线圈，当穿过该线圈的磁通圈的磁通 发生变化时，其感应电动势发生变化时，其感应电动势1.1.变换原理变换原理:电磁感应原理电磁感应原理 磁电式传感器是把被测的物理量转换为感应电动势的一磁电式传感器是把被测的物理量转换为感应电动势的一种传感器。种传感
38、器。磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。其中一个因素，都会改变感应电动势。第四章第四章常用传感器常用传感器4-7 4-7 磁电式传感器磁电式传感器2 2 分类分类磁磁电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型N第四章第四章常用传感器常用传感器一、动圈式磁电传感器（速度拾振器）一、动圈式磁电传感器（速度拾振器）角速度型传感器感应电动势线速度型传感器感应电动势第四章第四章常用传感器常用传感器4-7 4-7 磁电式传感器磁电式传感器角速度型角速度型测速测速电机电机第四章第四章常用传
39、感器常用传感器4-7 4-7 磁电式传感器磁电式传感器 将传感器中线圈产生的感应电势通过电缆与电压放大器联接时，其等效电路如图4-30所示。是发电线圈的感应电势；是线圈电阻；是负载电阻（放大器输入电阻）；是电缆导线的分布电容；是电缆导线的电阻。一、动圈式磁电传感器（速度拾振器）一、动圈式磁电传感器（速度拾振器）第四章第四章常用传感器常用传感器 通常传感器输出的电压是很微弱的通常传感器输出的电压是很微弱的(毫伏级毫伏级)，因此，因此，感应电动势须经放大检波后方可推动指示仪表。如果经感应电动势须经放大检波后方可推动指示仪表。如果经过微积分电路，可以得到加速度和位移过微积分电路，可以得到加速度和位移
40、第四章第四章常用传感器常用传感器4-7 4-7 磁电式传感器磁电式传感器4-7 4-7 磁电式传感器磁电式传感器二、磁阻式磁电传感器二、磁阻式磁电传感器磁电式车速传感器磁电式车速传感器第四章第四章常用传感器常用传感器4-7 4-7 磁电式传感器磁电式传感器二、磁阻式磁电传感器二、磁阻式磁电传感器 上述动圈式传感器的工作原理也可看作是线圈在磁场中运上述动圈式传感器的工作原理也可看作是线圈在磁场中运动时切割磁力线而产生感应电动势。磁阻式传感器则是线圈动时切割磁力线而产生感应电动势。磁阻式传感器则是线圈与磁铁不动，由运动的物体（导磁材料）改变磁路的磁阻，与磁铁不动，由运动的物体（导磁材料）改变磁路的
41、磁阻，引起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。引起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。第四章第四章常用传感器常用传感器4-7 4-7 磁电式传感器磁电式传感器二、磁阻式磁电传感器二、磁阻式磁电传感器 在没有被测物体时，永久磁铁的磁路经由铁芯和工作气在没有被测物体时，永久磁铁的磁路经由铁芯和工作气隙闭合，当将其放置在被测物体旋转齿轮附近时，工作气隙隙闭合，当将其放置在被测物体旋转齿轮附近时，工作气隙随齿顶和齿谷的交替出现而使磁通随齿顶和齿谷的交替出现而使磁通 随磁阻的改变作周期性随磁阻的改变作周期性变化，从而在线圈上感应出频率和幅值均与齿轮转速成比例变化，从而在线圈上感应出频率和幅值均与
42、齿轮转速成比例的交流电动势，表达式为的交流电动势，表达式为第四章第四章常用传感器常用传感器 为转速（为转速（）；）；为齿轮齿数；为齿轮齿数；为感应电动为感应电动势频率（势频率（）。）。用频率计记下频率数，即可求得被测转轴的转速。测速用频率计记下频率数，即可求得被测转轴的转速。测速发电机就是最普通的应用实例。发电机就是最普通的应用实例。磁阻式传感器使用方便、结构简单，常被用来测量转速、磁阻式传感器使用方便、结构简单，常被用来测量转速、偏心量、振动等参数。偏心量、振动等参数。第四章第四章常用传感器常用传感器4-7 4-7 磁电式传感器磁电式传感器4.7 4.7 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔式传感器是
43、一种基于霍尔效应的磁电转换器，其转换霍尔式传感器是一种基于霍尔效应的磁电转换器，其转换元件是霍尔元件，一般由锗（元件是霍尔元件，一般由锗（Ge）、锑化铟（）、锑化铟（InSb）、砷化）、砷化铟（铟（InAs）等半导体材料制成。）等半导体材料制成。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果 第四章第四章常用传感器常用传感器4.7 4.7 霍尔传感器霍尔传感器 当电场作用在运动电子上的力当电场作用在运动电子上的力 与洛伦兹力与洛伦兹力 相等时，相等时，电子的积累便达到动态平衡。这时在元件电子的积累便达到动态平衡。这时在元件c、d 两
44、端之间建两端之间建立的电场称为霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势立的电场称为霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势 ，其，其大小大小第四章第四章常用传感器常用传感器4.7 4.7 霍尔传感器霍尔传感器图图4-34表示用霍尔元件测量表示用霍尔元件测量位移的实例。将霍尔元件置于位移的实例。将霍尔元件置于两个相邻而方向相反的磁场内，两个相邻而方向相反的磁场内，由于每点磁感应强度由于每点磁感应强度 值不同，值不同，当元件沿当元件沿 方向移动时，可由方向移动时，可由霍尔电势的变化反映出位移量霍尔电势的变化反映出位移量大小。大小。第四章第四章常用传感器常用传感器 霍尔元件具有结构简单可靠，体积小，噪声低，寿命长，
45、霍尔元件具有结构简单可靠，体积小，噪声低，寿命长，动态范围大（输出电压变化范围可达动态范围大（输出电压变化范围可达1000：1），频率范围），频率范围宽（从直流到微波频段）等特点。它不仅可用于测量位移和宽（从直流到微波频段）等特点。它不仅可用于测量位移和可转化为位移的力、加速度等参量，还可以通过改变电流可转化为位移的力、加速度等参量，还可以通过改变电流 和磁感应强度和磁感应强度 的方法，作为运算和调制器件。的方法，作为运算和调制器件。第四章第四章常用传感器常用传感器4.7 4.7 霍尔传感器霍尔传感器第四章第四章常用传感器常用传感器 如何根据测试的目的和实际工作条件，合理地选用传感器，如何根据
46、测试的目的和实际工作条件，合理地选用传感器，是经常会遇到的问题。传感器的选用合理与否不仅影响测试精是经常会遇到的问题。传感器的选用合理与否不仅影响测试精度，而且还将影响测试成本度，而且还将影响测试成本.4.12 4.12 传感器的选用原则传感器的选用原则一、灵敏度一、灵敏度 一般来讲，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，意一般来讲，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，意味着传感器所能感知的变化量越小，被测量稍有微小变化时，味着传感器所能感知的变化量越小，被测量稍有微小变化时，传感器就有较大的输出。传感器就有较大的输出。当然也应考虑到，当灵敏度越高时，与测量信号无关的外当然也应考虑到，当灵敏
47、度越高时，与测量信号无关的外界干扰也越容易混入，并被放大装置所放大。这时必须考虑既界干扰也越容易混入，并被放大装置所放大。这时必须考虑既要检测微小量值，又要干扰小。为保证此点，往往要求信噪比要检测微小量值，又要干扰小。为保证此点，往往要求信噪比愈大愈好，既要求传感器本身噪声小，且不易从外界引入干扰。愈大愈好，既要求传感器本身噪声小，且不易从外界引入干扰。第四章第四章常用传感器常用传感器4.12 4.12 传感器的选用原则传感器的选用原则 除非有专门的非线性校正措施，最大输入量不应使传感除非有专门的非线性校正措施，最大输入量不应使传感器进入非线性区域，更不能进入饱和区域。某些测试工作要器进入非线
48、性区域，更不能进入饱和区域。某些测试工作要在较强的噪声干扰下进行，这时对传感器来讲，其输入量不在较强的噪声干扰下进行，这时对传感器来讲，其输入量不仅包括被测量，也包括干扰量；两者之和不能进入非线性区。仅包括被测量，也包括干扰量；两者之和不能进入非线性区。过高的灵敏度会缩小其适用的范围。过高的灵敏度会缩小其适用的范围。4.12 4.12 传感器的选用原则传感器的选用原则第四章第四章常用传感器常用传感器二、响应特性二、响应特性 在所测频率范围内，传感器的响应特性必须满足不失在所测频率范围内，传感器的响应特性必须满足不失真测量条件。此外，实际传感器的响应总有一定延迟，但真测量条件。此外，实际传感器的
49、响应总有一定延迟，但总希望延迟时间愈短愈好。总希望延迟时间愈短愈好。一般来讲，利用光电效应、压电效应等物性型传感器，一般来讲，利用光电效应、压电效应等物性型传感器，响应较快，可工作频率范围宽。而结构型，如电感、电容、响应较快，可工作频率范围宽。而结构型，如电感、电容、磁电式传感器等，往往由于结构中的机械系统惯性的限制，磁电式传感器等，往往由于结构中的机械系统惯性的限制，其固有频率低，可工作频率较低。其固有频率低，可工作频率较低。第四章第四章常用传感器常用传感器4.12 4.12 传感器的选用原则传感器的选用原则三、线性范围三、线性范围 任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输入任何传感器都
50、有一定的线性范围，在线性范围内输入与输出成比例关系。线性范围愈宽，则表明传感器的工作与输出成比例关系。线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。量程愈大。然而任何传感器都不容易保证其绝对线性，在许可限然而任何传感器都不容易保证其绝对线性，在许可限度内，可以在其度内，可以在其近似线性区域近似线性区域内应用。例如，变间隙型电内应用。例如，变间隙型电容、电感传感器，均采用在初始间隙附近的近似线性区内容、电感传感器，均采用在初始间隙附近的近似线性区内工作。选用时必须考虑被测物理量的变化范围，令其非线工作。选用时必须考虑被测物理量的变化范围，令其非线性误差在允许范围以内。性误差在允许范围以内。第四章第四