磁敏传感器

接线图 2023年10月28日 19:08 249 admin

在传感器中，有一类是对磁敏感的，称为磁敏传感器（或称磁传感器），这一类传感器有干簧管（干簧管开关）、霍尔传感器、磁阻传感器、磁敏二极管和磁敏三极管等。
干簧管开关是有一对（或三个）封装在玻璃管中的电极（触头）组成的机械开关。在磁场中，电极受磁场作用，使触头接通或断开（组成常开或常闭继电器）主要用于接近开关。
利用磁场作为媒介可以检测很多物理量，例如：位移、振动、力、转速、加速度、流量、电流、电功率等。它不仅可实现非接触测量，并且不从磁场中获取能量。在很多情况下，可采用永久磁铁来产生磁场，不需要附加能源，因此，这一类传感器获得极为广泛的应用。
在磁敏传感器中，霍尔元件及霍尔传感器的生产量是最大的。它主要用于无刷直流电机（霍尔电机）中，这种电机用于磁带录音机、录像机、XY记录仪、打印机、电唱机及仪器中的通风风扇等。另外，霍尔元件及霍尔传感器还用于测转速、流量、流速及利用它制成高斯计、电流计、功率计等仪器。
[1].霍尔元件
（1）.工作原理
霍尔元件是利用霍尔效应制成的磁敏元件。若在图1所示的金属或半导体薄片两端通以电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势UH（称为霍尔电动势或霍尔电压）。这种现象成为霍尔效应。
磁敏传感器第1张
霍尔效应的产生是由于运动电荷受到磁场中洛伦兹力作用的结果。霍尔电势UH可用下式表示：
UH=RHIB/d (V)
式中 RH——霍尔常数（m3C-1）
I——控制电流（A）
B——磁感应强度（T）
d——霍尔元件的厚度（m）
令 KH=RH/d（VA-1Wb-1m2）
则得到
UH=KHIB
由上式可知，霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。KH称为霍尔元件的灵敏度，它与元件材料的性质与几何尺寸有关。为求得较大的灵敏度，一般采用RH大的N型半导体材料做霍尔元件，并且用溅射薄膜工艺使d做得很小。
温度传感器的种类较多，我们介绍几种主要的温度传感器及应用电路。
（2）.霍尔元件的主要参数
霍尔元件的主要参数为：

磁敏传感器第2张
输入电阻（RIN）和输出电阻（Rout）
霍尔元件控制电流极间的电阻为RIN，霍尔电势极间的电阻为Rout。输入电阻与输出电阻一般为几欧姆到几百欧姆。通常输入电阻的阻值大于输出电阻，但相差不太多，使用时不能搞错。

磁敏传感器第2张
额定控制电流Ic
额定控制电流Ic为使霍尔元件在空气中产生10℃温升的控制电流。Ic大小与霍尔芯片的尺寸有关，尺寸越小，Ic越小。一般为几mA—几十mA（尺寸大的可达数百mA）。

不等位电势（也称为非平衡电压或残留电压）Uo和不等位电阻Ro
霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时，其霍尔电势电极间的电势为不等位电势。它主要与两个电极不在同一个等位面上及其材料电阻率不均等因素有关。可以用输出的电压表示，或用空载霍尔电压UH的百分数表示，一般Uo不大于10mV或±20%UH。
不等位电势与额定控制电流之比称为不等位电阻。Uo 及Ro越小越好。

磁敏传感器第2张
灵敏度kH
灵敏度是在单位磁感应强度下，通以单位控制电流所产生的霍尔电势。

寄生直流电势UOD
在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电势极间产生的直流电势为UOD。它主要是由电极与基片之间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造成的。

磁敏传感器第2张
霍尔电势温度系数α
α为温度每变化1℃霍尔电势傍晚的百分率。这一参数对测量仪器十分重要。若仪器要求精度高时，要选择α值小的元件，必要时还要家温度补偿电路。

电阻温度系数β
β为温度每变化1℃霍尔元件材料的电阻变化率（用百分比表示）。
（3）.温度补偿及不等位电势补偿

磁敏传感器第9张
温度补偿
霍尔元件是由半导体材料制成的，与其它半导体器件一样对温度的变化是很敏感的。因为半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度随温度变化而变化。因此，造成霍尔电势及内阻也随温度变化。
在电路上可以采用恒流源供电方法来控制电流不变，另外可按图2的外接一电阻方法进行温度补偿。并联电阻R的计算公式为R=βRIN/α，其中α、β、RIN可从霍尔元件参数表中查出。
磁敏传感器第10张

磁敏传感器第9张
不等位电势Uo的补偿
不等位电势Uo是一个主要的零位误差。可以把霍尔元件等效成一电桥，如图4所示。电桥的四个电阻分别为r1、r2、r3、r4。当两个霍尔电势电极在同一等位面上时，r1=r2=r3=r4，则电桥完全平衡，Uo=0。当两个电极不在同一等位面上时（如r3r4），则有Uo输出。可以采用3所示的方法进行补偿，外接电阻R值应大于霍尔元件的内阻，调整W可式Uo=0。