传感器检测技术磁敏传感器精.ppt
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1、传感器检测技术磁敏传感器第1页,本讲稿共31页K KH H霍耳器件的乘积灵敏度霍耳器件的乘积灵敏度,与材料的物理性质和几何,与材料的物理性质和几何尺寸有关,表示单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳尺寸有关,表示单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。电势的大小。若磁感应强度若磁感应强度B B的方向与电流方向夹角为的方向与电流方向夹角为,霍耳电势应,霍耳电势应为:为:U UH H K KH H I B I B H H K KH H I B I B sinsin 注意:当控制电流的方向或磁场方向改变时,输出霍耳电势注意: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
2、同时改变方向时,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。并不改变方向。第2页,本讲稿共31页80806060404020200 00.20.20.40.40.60.60.80.81.01.0V VH H/(mV)/(mV)=7.0=7.0=1.5=1.5=3.0=3.0B(B(T)T)理论值理论值实际值实际值霍耳电势的负载特性霍耳电势的负载特性=R=R3 3/R/R2 2 V VH HR R3 3I I霍耳电势随负载电阻值而改变的情况霍耳电势随负载电阻值而改变的情况第3页,本讲稿共31页温度特性温度特性霍霍耳耳电电势势或或灵灵敏敏度度的的温温度度特特性性,以以
3、及及输输入入阻阻抗抗和和输输出出阻阻抗抗的的温温度度特特性性。可可归归结结为为霍霍耳耳系系数数和和电电阻阻率率(或或电电导导率率)与温度的关系。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 a)R RH H与温度的关系;(与温度的关系;(b b)与温度的关系与温度的关系R RH H/cm/cm2 2/A/A-1-1250250200200150150100100505040408080120120160160200200LnSbLnSbLnAsLnAsT T/0 02 24 46 6/710/710-3-3cmcmLnAsLnAs2002001501501001005050LnSbL
4、nSbT T/0 0第4页,本讲稿共31页频率特性频率特性磁磁场场恒恒定定:给给传传感感器器通通入入交交变变电电流流。到到10kHz10kHz时时交交流流输输出出的的频频率特性很好。霍耳器件可用于微波范围,其输出不受频率影响。率特性很好。霍耳器件可用于微波范围,其输出不受频率影响。磁磁场场交交变变:霍霍耳耳电电势势不不仅仅与与频频率率有有关关,还还与与器器件件的的电电导导率率、周周围围介介质质的的磁磁导导率率、磁磁路路参参数数(特特别别是是气气隙隙宽宽度度)等等有有关关。这这是是由于在交变磁场作用下,元件内部产生由于在交变磁场作用下,元件内部产生涡流涡流。在交变磁场下,当频率为数十在交变磁场下
5、,当频率为数十kHzkHz时,可以不考虑频率对器时,可以不考虑频率对器件输出的影响,即使在数件输出的影响,即使在数MHzMHz时,如果能仔细设计气隙宽度,选时,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。性的。第5页,本讲稿共31页霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔电势大小与磁场强度霍尔电势大小与磁场强度B B和控制电流和控制电流I I二者的乘积二者的乘积成正比。实用中可以把成正比。实用中可以把I I或或B B作为输入信号,或两者同时作为输作为输入信号,或两者同时作为输入信号。入信号。霍尔传感器
6、按其输出特性分为霍尔传感器按其输出特性分为线性输出型线性输出型和和开关量输出开关量输出型型两种。两种。1)1)线性输出将霍尔元件和放大电路做成一体。输出电线性输出将霍尔元件和放大电路做成一体。输出电压与通过的磁场强度压与通过的磁场强度B B成线性比例关系。用于成线性比例关系。用于磁场检测磁场检测等等场合。场合。第6页,本讲稿共31页单端输出传感器的电路结构框图单端输出传感器的电路结构框图2 23 3输出输出+稳压稳压V VCCCC1 1霍耳元件霍耳元件放大放大地地H H稳压稳压H H3 3V VCCCC地地4 4输出输出输出输出1 18 86 67 75 5 双端输出传感器的电路结构框图双端输
7、出传感器的电路结构框图 单端输出:传感器单端输出:传感器输出电压对外加磁场输出电压对外加磁场的微小变化能做出线的微小变化能做出线性响应,通常将输出性响应,通常将输出电压用电容交连到外电压用电容交连到外接放大器,将输出电接放大器,将输出电压放大到较高的电平。压放大到较高的电平。双端输出:传感器双端输出:传感器是一个是一个8 8脚双列直插脚双列直插封装的器件,可提封装的器件,可提供差动输出。供差动输出。第7页,本讲稿共31页测量磁场的大小和方向测量磁场的大小和方向电位差计电位差计mAmAE ES SN NR R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第8页,本讲稿共31页原原理理:
8、利利用用霍霍耳耳效效应应与与集集成成电电路路技技术术结结合合而而制制成成,能能感感知知与磁信息有关的物理量,并以与磁信息有关的物理量,并以开关信号形式输出开关信号形式输出。特特点点:霍霍耳耳开开关关集集成成传传感感器器使使用用寿寿命命长长、无无触触点点磨磨损损、无无火火花花干干扰扰、无无转转换换抖抖动动、工工作作频频率率高高、温温度度特特性好、能适应恶劣环境。性好、能适应恶劣环境。2)2)霍耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器第9页,本讲稿共31页由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源
9、电压范围内工作;稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作;开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。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霍耳开关集成传感器内部结构框图2 23 3输出输出+稳压稳压V VCCCC1 1霍耳元件霍耳元件放大放大BTBT整形整形地地H H第10页,本讲稿共31页霍耳开关集成传感器的工作特性曲线霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从从工工作作特特性性曲曲线线上上可可以以看看出出,工工作作特特性性有有一一定定的的磁磁滞滞B BH H,图图中中的的B BOPOP为为
10、工工作作点点“开开”的的磁磁感感应应强强度度,B BRPRP为为释释放放点点“关关”的磁感应强度。的磁感应强度。V VOUTOUT(V)(V)1212ONONOFFOFFB BRPRPB BOPOPB BH HB B0 0外加磁场与传感器输出外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁电平的关系。当外加磁感强度高于感强度高于B BOPOP时,输出时,输出电平由高变低,传感器处电平由高变低,传感器处于开状态。当外加磁感强于开状态。当外加磁感强度低于度低于B BRPRP时,输出电平由时,输出电平由低变高,传感器处于关状低变高,传感器处于关状态态。第11页,本讲稿共31页第12页,本讲稿共31页第13页
11、,本讲稿共31页霍耳传感器的仪器霍耳传感器的仪器优点:优点:(1)(1)体积小,结构简单、寿命长。体积小,结构简单、寿命长。(2)(2)无可动部件,无磨损,无摩擦热,噪声小。无可动部件,无磨损,无摩擦热,噪声小。(3)(3)装置性能稳定,可靠性高。装置性能稳定,可靠性高。(4)(4)频率范围宽,从直流到微波范围均可应用。频率范围宽,从直流到微波范围均可应用。(5)(5)霍耳器件载流子惯性小,装置动态特性好。霍耳器件载流子惯性小,装置动态特性好。缺点:缺点:转转换换效效率率低低,受受温温度度影影响响大大。随随着着新新材材料料新新工工艺艺不不断断出现,这些缺点正逐步得到克服。出现,这些缺点正逐步得
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