《单片机原理及应用》第7章 磁电式 传感器.ppt

1、掌握霍尔效应、磁电感应式传感器、霍尔传感器的工作原理。
2、熟悉霍尔器件主要参数、电磁特性、类型、测量电路与连接方式。
3、了解各种磁电式传感器的结构及应用。一、磁电式传感器——根据法拉第电磁感应定律，通过磁电作用将被测非电量转换为电信号的装置。二、种类：1、根据制作磁电式传感器的材料分类：有导体、半导体、磁性体和超导体磁电式传感器；2、利用导体和磁场的相对运动产生感应电动势的电磁感应原理可制成各种类型磁电式传感器和磁记录装置；3、利用强磁性体的各向异性磁阻效应，可制成强磁性金属磁敏器件；4、利用半导体材料的霍尔效应可制成霍尔器件；5、利用半导体材料的磁阻效应可制成磁敏电阻、磁敏二极管和磁敏三极管。7.1磁电感应式传感器根据实现磁通φ变化的方法不同，磁电感应式传感器有恒磁通的动圈式与动铁式，有变磁通（变磁阻）的开磁路式和闭磁路式。
磁电感应式传感器的直接应用是用来测线速度或角速度：
e=-NBLve=-NBSω
式中：B—磁感应强度（T）
L—每匝线圈平均长度（m），
S—线圈的截面积（m2）
磁电感应式传感器是结构型传感器，只要结构参数N、B、L、S为定值，则感应电动势与速度v和角速度ω成正比。二、磁电感应式传感器的结构与要求：2、基本要求：
（1）工作气隙
工作气隙大，线圈窗口面积就大，线圈匝数就多，传感器的灵敏度就高。
但气隙大，磁路系统的磁感应强度就低，传感器灵敏度也越低，而且气隙大易造成气隙磁场分布不均匀，导致传感器输出特性非线性。
为了使传感器具有较高的灵敏度和较好的线性度，必须保证足够大的窗口面积所需加工安装精度的前提下，尽量减小工作气隙d。
工作气隙宽度ld也与传感器的灵敏度、线性度有关。越大，灵敏度越高，线性度越好，但传感器体积和重量就较大，因此，一般取d/ld≈1/4。（2）磁路系统：选用永久磁铁，减小传感器体积。
永久磁铁有以下几个参数：矫顽磁力Hc，剩余磁感应强度Br，最大磁能积（BH）m，磁化曲线B=f（H），磁能积曲线（BH）=f（B），常用材料为铝镍钴永磁合金，其Hc和Br都较大，稳定性高，使用最广泛；
（3）线圈组件：由线圈和骨架组成。骨架由金属材料制成，起到与磁场发生相对运动时产生电磁阻尼作用。但非线性误差增加，可改用非金属（有机玻璃）骨架。有时为减小尺寸，也可不用线圈骨架；
（4）为补偿温度误差及线圈感应电流的磁场效应，设计时应使工作线圈的感应电流足够小。7.2、霍尔传感器二、工作原理：
如图7—2示，将一块N型半导体材料置于磁场B中，当它通过电流l时，半导体中的自由电荷（电子）受到磁场中洛仑兹力FL的作用，其大小为FL=-q0VB

式中V—电子速度，
q0—电电荷，
B—垂直于霍尔元
件表面的磁感应强度。在FL作用下，电子向垂直于B与U方向偏移，即电子向某一方向积聚，结果使半导体一端面产生负电荷集聚，另一端面产生正电荷集聚。由于电荷集聚，便产生静电场，即霍尔电场。此电场产生一个与FL相反的力FH，阻止电子继续偏转，其大小为：或UH=bvB又电流密度J=-nq0v式中n—为电子浓度，则流过霍尔元件的电流为：
1、霍尔器件的主要参数
①输入电阻或称输入内阻Ri。指控制电流极端间的电阻，单位为Ω；
②输出电阻或称输出内阻R0。指无负载时霍尔电压输出电极端间的电阻，单位为Ω；
③额定控制电流IC
室温条件下，能使霍尔器件产生10℃温升的电流值；
④额定功耗P0
霍尔器件在环境温度T=25℃时，允许加在其两端的电压与控制电流的乘积；
⑤不平衡电压U0。在额定控制电流之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电压，又称寄生直流电势，单位为

⑥不平衡电阻r0。不平衡电压U0与额定控制电流IC之比，单位为Ω；
⑦霍尔灵敏系数KH。单位控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输出端的开路电压，单位为U/（A、T）；
⑧磁灵敏系数KB。额定控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输出端的开路电压，单位为V/T；
⑨霍尔电势温度系数。在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，霍尔电压变化的百分率
⑩内阻温度系数β。在无磁场及工作温度范围内，霍尔器件的湿度每变化1℃时，输入电阻RI和输出电阻R0变化的百分率（），一般取不同温度的平均值。
2、霍尔器件的材料选择：3、霍尔系数RH与电子迁移率μ的关系：
（1）、UH—IC特性：在恒定磁场和环境下，霍尔直线的斜率称为控制电流灵敏度。由图（6—2）知：
（2）、UH—B特性：在控制电流IC和环境温度恒定下，霍尔器件开路输出电压与磁场强度B之间关系不完全呈线性关系。
由图（6—3）知：
当B<0.5Wb/m2时，
曲线呈线性关系；
当B>0.5Wb/m2时
线性度差；其原因
是磁场增加，使霍
尔输出下降。另外
还知：锑化铟的线
性度很差，硅的线
性度最好，锗次之