传感器原理 第四章 磁传感器VIP免费

传感器技术主讲：吴秋宁第四章磁传感器根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里，产生与磁通和变化速率成正比的感应电动势。因此最简单的把磁转换成电的磁传感器就是线圈，随着科学技术的发展，现代的磁传感器已向固体化发展，它是利用磁场作用使物质的电性能发生变化的各种物理效应制成的，从而使磁场强度转换为电信号。磁传感器的种类较多，制作的传感器的材料有半导体、磁性体、超导体等不同材料制作的磁传感器其工作原理和特性也不相同。本章根据最近磁传感器的发展，重点介绍基于霍尔效应的霍尔磁敏传感器。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，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。+I+++++++++++－－－－－－Ｂlwd霍耳效应原理图UH----w-fL-+--+++fEBIUHdL（二）霍耳磁敏传感器工作原理（二）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，它受到洛洛仑兹力仑兹力q—电子电量(1.62×10-19C)v—电于运动速度同时，作用于电子的电场力电场力qvBfLwqUqEfHHE/当达到动态平衡时wqUqvBH/dnqvwdjwIdnqwIv/pqdIBUH/霍耳电势UH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成：dIBRUHHHR电流密度j=nqvn—N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。ρ—材料电阻率p—P型半导体中的空穴浓度型）（型）（PqpRNqnRHH11μ—载流子迁移率,μ=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μ很高但ρ很小，绝缘材料，ρ很高但μ很小。因此霍尔系数很小，使输出霍尔电势很小，不宜做霍尔元件．故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。且多用Ｎ型半导体材料．霍尔元件越薄，灵敏度系数越大．当载流材料和几何尺寸确定后，霍尔电势的大小正比于控制电流和磁感应强度，因此霍尔元件可用于测量磁场（电流恒定）和检测电流（磁场恒定）。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θ时，霍耳电势应为：UH＝KHIBUH＝KHIBcosθ注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。霍耳器件片(a)实际结构(mm)；(b)简化结构；(c)等效电路外形尺寸:6.4×3.1×0.2;有效尺寸：5.4×2.7×0.2（三）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）（三）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）dsl（b）2.15.42.7AB0.20.50.3CD（a）w电流极霍耳电极R4ABCDR1R2R3R4（c）霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端或输出端。若霍耳端子间连接负载,称为霍耳负载电阻或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。H霍耳器件符号AAABBBCCCDDD关于霍耳器件符号，名称及型号，国内外尚无统一规定，为叙述方便起见，暂规定下列名称的符号。控制电流I；霍耳电势UH；控制电压U；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。UHR3UBIEIH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。UKURKBUdRRUUHH1111上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍耳输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。同样，若给出控制电压U，由于U=R1I，可得控制电压和霍耳电势的关系式设霍耳片厚度d均匀，电流I和霍耳电场的方向分别平行于...