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1、第4章 磁敏传感器,本章主要学习霍耳传感器的工作原理、霍耳集成电路的特性及其在检测技术中的应用，还涉及磁场测量技术。,磁敏传感器定义 磁敏传感器是基于磁电转换原理将磁学物理量转 换成电信号的传感器。磁敏传感器分类 体型：霍耳传感器，磁敏电阻。结型：磁敏二极管，磁敏晶体管。,4.1 磁敏传感器的种类,1856年，发现磁阻效应；1879年，发现霍耳效应。以上效应，为磁敏传感器的产生奠定了基础。,4.2 磁电效应,（一）霍耳效应 半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍耳效应，EH称为霍耳电势。,磁
2、感应强度B为零时的情况,c,d,a,b,作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍耳电势也就越高。霍耳电势EH可用下式表示：EH=RH JB,磁感应强度B较大时的情况,霍耳效应演示,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍耳电势。,c,d,a,b,*磁场不垂直于半导体薄片时,若磁感应强度B不垂直于半导体薄片，而是与其法线成某一角度 时，实际上作用于半导体薄片上的有效磁感应强度是其法线方向的分量，即Bcos，这时的霍耳电势为：EH=RHJBcos UH=KIHBcos,结论：霍耳电势与输入电流密度J、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍耳
3、电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍耳电势为同频率的交变电势。,（二）磁阻效应和形状效应 半导体外加磁场时，电阻值增加的物理现象可分为两种情况：1.磁阻效应 半导体外加磁场时，自身电阻率增加的现象，磁阻效应直接反映固体的物性。2.形状效应 半导体外加磁场时，在金属电极附近电流路径增长而使电阻值增加的现象，形状效应与电极和元件的形状有关。,(d)等效电路,霍耳元件基本结构：,4.3 霍耳元件,(a)外形结构示意图,(b)图形符号,单端输出 双端输出(c)电路符号,激励电极1、1被称为器件电流端子、控制电流端子或输入电流端子。霍耳电极2、2被称为霍耳端子或输出电压端子。,流入到器
4、件内的电流，称为器件电流、控制电流或输入电流。若霍耳端子间连接负载，成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。,霍耳元件的主要外特性参数,最大磁感应强度BM:,上图所示霍耳元件的线性范围是多少？,霍耳元件的主要外特性参数,最大激励电流IM:,以霍耳元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。由于霍耳电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍耳元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍耳电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至
5、十几毫安。,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。,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。,VH,R3,V,B,I,E,IH,霍耳元件基本测量电路,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。,霍耳元件的温度补偿,温度变化，导致霍尔元件内阻、霍尔灵敏度等变化，给测量带来一定误差，即温度误差。为了减小温度误差，需采取温
6、度补偿措施。采用恒流源供电和输入回路并联电阻选取合适的负载电阻RL 采用恒压源和输入回路串联电阻采用温度补偿元件,4.4 霍耳集成元件,霍耳集成元件是霍耳元件与运放一体化的结构，可分为线性输出型和开关输出型两大类。,线性型集成电路是将霍耳元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍耳元件方便得多。,线性型三端霍耳集成电路,线性输出型霍耳集成元件,三端器件，输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，典型产品是SL3501T。,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，典型产品是SL3501M。,线性输出型霍耳集成元件特性,右图示出了具
7、有双端差动输出特性的线性霍耳器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向(磁钢的S极对准霍耳器件的正面)时，输出为正；磁场反向时，输出为负。,线性范围,开关输出型霍耳集成元件,开关型霍耳集成电路是将霍耳元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。,霍耳开关集成传感器内部结构框图,霍耳元件,双端输入单端输出的运放,施密特出发器,OC门,典型开关输出型霍耳集成器件UGN3020,（b）应用电路,（a）外型,霍
8、耳开关集成传感器的外型及应用电路,开关输出型霍耳集成元件应用实例,?,开关输出型霍耳集成传感器构成的接口电路,*霍耳传感器的应用,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。,霍耳特斯拉计(高斯计)及其使用,霍耳元件,磁铁,霍耳传感器用于测量磁场强度,霍耳元件,测量铁心气隙的B值,霍耳转速表,当齿对准霍耳元件时，磁力线集中穿过霍耳元件，可产生较大的霍耳电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍
9、耳元件时，输出为低电平。,（一）工作原理,在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍耳器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍耳器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。,S,N,线性霍耳,磁铁,（二）实际应用,霍耳转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用,若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍耳转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。,带有微型磁铁的霍耳传感器,钢质,霍耳,霍耳式无刷电动机,霍耳式无刷电动机取消了换向器和电刷，采用霍耳元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放
10、大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。,普通直流电动机使用的电刷和换向器,霍耳式无刷电动机,无刷电动机在电动自行车上的应用,电动自行车,可充电电池组,无刷电动机,电动自行车的无刷电动机及控制电路,去速度控制器,利用PWM调速,霍耳式接近开关,当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍耳式接近开关动作。霍耳接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。,霍耳式接近开关用于转速测量演示,软铁分流翼片,开关型霍耳IC,霍耳电流传感器,将被测电流的导线穿过霍耳电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍耳元件，从而产生与电流成正比的霍耳电压。,霍耳电流传感器演示,铁心,线性霍耳IC,EH=KH IB,I,I,霍耳钳形电流表（交直流两用）,压舌,豁口,1.什么是霍耳效应？什么是磁阻效应？什么 是形状效应？2.列举至少五种霍耳传感器的具体应用。3.请参考开关输出型霍耳集成传感器构成的 接口电路，自行设计一个照明控制电路，画 出具体电路并用文字说明所设计系统的具 体工作过程。,本章作业,
