常见磁传感器及原理和应用

常见磁传感器及原理和应用磁通：垂直于某一面积所通过的磁力线的条数，用ф表示，单位韦伯（Wb）。磁感应强度：表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量，单位是特斯拉（T）或高斯（Gs）用符号B表示。磁感应强度也叫磁通密度。磁场强度：将不同的物质放入磁场中，对磁场产生的影响是不同的。不同的物质在外磁场的磁化作用下将产生不同的附加磁场，此种附加磁场又必然反过来影响外磁场。外磁场通常是由电流产生，为了反应外磁场和电流之间的关系，引入一个辅助矢量——磁场强度，用H表示。它也是用来表征磁场中各点的磁力大小和方向的物理量。它的大小仅与产生该磁场的电流大小和载流导体形状有关，单位安培/米(A/m)。H=(B/μo)-M式中B是磁感应强度；M是磁化强度；μo是真空磁导率。在线性各向同性磁介质中，M与H成正比，即M＝xmH，xm是磁介质的磁化率。于是上式表为B＝μo（1＋xm）H＝μoμrH式中μr＝1＋xm称为磁介质的相对磁导率。基本概念磁学量的单位CGSE，又称静电单位制（electrostaticunits）简称ESU基本量为长度、质量和时间。基本单位为cm、g和s。通过库仑定律，并令k＝1确定电荷单位，库仑。电场强度E、极化强度P和电位移D量纲都相同。安培环路定律和法拉第电磁感应定律分别确定磁感应强度B和磁场强度H，量纲不同，真空中也不相等，真空磁导率μ0=1/c2。CGSM，又称电磁单位制（electromagneticunits）简称EMU，CGSM制的基本量和基本单位与CGSM制的一样，但是确定电磁量单位的物理公式不同。它是通过安培-毕奥-萨伐尔定律并令K=1确定电流单位，D和E具有不同的量纲，真空介电常数ε0=1/c2。但B和H的单位相同，但通常B的单位称为高斯，H的单位称为奥斯特。磁导率μ是无量纲的。高斯单位制，又称混合CGS，在此单位制中，凡是电学量如q、I、E、P、D等都用CGSE制单位，而磁学量如E、M、H都用CGSM制单位。因而此在单位制中,介电常数ε和磁导率μ都是无量纲的，而且其真空值μ0=ε0=1。此外B和E的量纲相同。理论物理中经常采用。国际单位制（SI），基本量为长度、质量、时间和电流，基本单位分别为米、千克、秒和安培。E和D量纲不同，ε0=107/（4πc2）库2/（千克·米）；H和B量纲也不同，μ0=4π×107千克·米/库2。磁学量的单位单位制特点：高斯单位制的特点是电场及磁场的单位相同，方程中唯一有量纲的常数为光速。国际单位制是使关于球面的电磁方程会含有4π，关于线圈的则含有2π，处理直导线的则完全不含π，这样的作法对电机工程应用来说是最便利的。但高斯单位制会使得关于球面的电磁方程中不含4π或π。使用情况：CGS单位制逐渐的被国际单位制取代，在技术领域使用CGS单位制的情形正逐渐减少。许多科学期刊或国际标准单位已不使用CGS单位制，不过在天文学的期刊中仍会使用。美国的材料科学、电动力学及天文学中偶尔会使用CGS单位制。另外，由于国际单位制的磁通量密度单位特斯拉太大，在日常使用上不便，一般会使用CGS单位制的对应单位高斯，因此在磁学及其相关领域中仍会使用CGS单位制。磁学量的单位磁传感器定义磁敏传感器是一种能检测磁场并从中提取信息的器件或装置通信产品磁传感器应用领域罗盘全球定位车辆检测导航位置传感器电流传感器转动位移发展比较快的两个方面应用：磁传感器被用于70多个汽车应用之中，包括防抱死刹车系统、电子转向与油门控制、电池管理和汽车传动。数字罗盘也是磁传感器的重要市场，正在成为平板电脑和手机全球定位系统(GPS)中的标准器件。例如，iPhone和iPad在行人与车辆导航中使用电子罗盘，也用于基于位置的服务和增强现实等应用。这两个方面市场每年有十几亿美元，其中五大供应商日本AsahiKaseiMicrosystems、美国AllegroMicrosystems、德国英飞凌、瑞士Micronas和比利时MelexisN.V.占据80%的市场。磁传感器的分类物理原理：磁电感应式传感器，霍尔效应、磁阻效应、巨磁电阻效应、巨磁阻抗效应、超导量子干涉器、磁致伸缩效应、磁弹性效应等。dtBAdNdtdNe)(1831年,英国MichaelFaraday和美国的JosephHenry发现的电磁学中最基本的效应之一------电磁感应现象磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈与磁场相对运动的速度有关，改变其中一个因素都会改变线圈中的感应电势。磁电感应式传感器恒磁通式磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，气隙中的磁通也恒定不变，感应电势是由于线圈相对于永久磁铁运动时切割磁力线而产生的。动圈式感应电势：Blve在传感器中当结构参数确定后，B、l均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或ω)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。变磁通：磁路中的工作气隙与磁路磁阻变化，引起磁通变化旋转型感应电势：变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150～＋90℃的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。为提高灵敏度，应选用具有磁能积较大的永久磁铁磁电传感器应用1、振动测量2、扭矩测量3、流量测量涡轮由导磁系数较高的材料（如不锈钢２Ｃｒ１３、３Ｃｒ１３等）制成。4、位移测量5、接近传感器（探测磁性金属）6、磁场测量：磁通门螺线管线圈的电感与它的磁导率有关，而螺线管磁芯的磁导率以饱和的方式依赖于外部的磁场，Ｂ—Ｈ曲线，μ为在某一给定点曲线的斜率。如果器件在其曲线的“膝盖”位置受到一个恒定偏置磁场（如线圈偏置电流），外部磁场的一个微小变化将引起磁导率的显著变化，因此电感也发生变化。lANLt20微型集成磁通门交叉磁芯结构的2轴磁通门传感器结构示意图美国的KVH公司超导量子干涉磁强计１９６２年英国约瑟夫逊在理论上预言了约瑟夫逊效应，几年后由实验证实。该效应是指在两超导体之间插入纳米厚度的绝缘体，超导电子对能够穿过绝缘体，超导体／绝缘体／超导体称为约瑟夫逊结，约瑟夫逊结有直流和交流约瑟夫逊效应。在约瑟夫逊效应的超导状态，磁场也具有重要作用，相耦合的电或磁也将发生电磁效应。基于超导体的约瑟夫逊效应，利用超导量子干涉器件（SQUID-superconductingquantuminterferometricdevice）可以对各种物理量做超精密测量。采用外部接收线圈来增加超导环有效面积的结构示意图在屏蔽室内进行心磁性图测量SQUID磁传感器部分它是到目前为止所有磁敏传感器中最灵敏的磁传感器,ＳＱＵＩＤ可检测高达１０－１５Ｔ左右的磁场。当前，它是唯一能够探测头脑中由微小粒子电流产生的磁场的传感器，微小粒子产生的磁场在１０－９Ｔ数量级。应用：磁电效应将磁场加在半导体、磁性体等固体上，固体的电性质就会发生变化，这种现象称为电（流）磁效应。基于这种物性变化制成的固体磁传感器，可以精确地检测从静磁场到交变磁场的强度，并转换成电信号输出。固体磁传感器（或称物性磁传感器）具有体积小、功耗低、便于集成化等许多优点。霍尔效应磁电阻效应磁阻抗效应霍尔效应霍尔效应最早是霍尔（EdvinHall）于1879年发现的，但直到20世纪50年代，随着微电子技术的发展，霍尔效应才被重视和使用，并开发出多种霍尔效应器件。洛仑兹力FM：peRH1neRH1BqvFdMBqvqEdH霍尔电压UH：霍尔系数RH：霍尔电场EH：注：对无限长霍尔元件对于实际有限长霍尔元件，需增加一个形状效应系数Hf不同形状的霍尔元件，形状效应系数不同常用的是菱形微型化霍尔传感器的特性参数•额定控制电流与最大控制电流•输入电阻和输出电阻•乘积灵敏度•不等位电势和不等位电阻wBeEp.HU为了增加灵敏度，选用迁移率高的材料目前有各种半导体材料制成的霍尔元件特性：InAs霍尔元件。迁移率较高（仅次于InSb）。其温度特性也较好。具有内阻小、信噪比高、零漂移小、控制电流大和输出功率大等优点。适用于强磁场、超导磁场、脉冲磁场的测量；InAsP材料的禁带宽度比InAs材料的大，所以其温度系数，线性偏差均比InAs霍尔元件的小；InSb材料的电子迁移率最大，用它制造的霍尔元件有最高的灵敏度，故常被用作磁敏感元件，对磁场进行检测。受温度影响较大；GaAs材料具有极好的温度稳定性，具有工作温度范围宽，线性度好，灵敏度高等优点，主要用于高、低温下磁场的精密测量。霍尔器件要点：1、额定激励电流：霍尔元件温升10度时所施加的电流为额定激励电流IH；2、零位电势：在额定控制电流下，无外加磁场时，霍尔器件电极之间的存在电势，或称为零位电位，主要原因霍尔电极的位置不在同一个等位面上，以及制作过程中引入应力，3、温度特性：霍尔器件的电阻率和载流子的迁移率都是温度的函数。AlGaAs/InGaAs/GaAs和InAlAs/InGaAs/GaAs异质结构，灵敏度高温度系数低零位电势和温度变化一般通过电阻补偿方法解决霍尔传感器的测量电路和误差分析霍尔传感器的测量电路霍尔元件的基本测量电路如图。控制电流I由电压源E供给，R是调节电阻，用以根据要求改变I的大小。所施加的外电场B一般与霍尔元件的平面垂直。控制电流也可以是交流电。霍尔元件的基本测量电路霍尔传感器的误差分析•霍尔元件对温度的变化很敏感，因此，霍尔元件的输入电阻、输出电阻、乘积灵敏度等将受到温度变化的影响，从而给测量带来较大的误差。•为了减少测量中的温度误差，除了选用温度系数小的霍尔元件或采取一些恒温措施外，也可使用以下的温度补偿方法。•（1）恒流源供电恒流源温度补偿电路（2）采用热敏元件•对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，可采用以下温度补偿电路。•图a是在输入回路进行温度补偿；•图b是在输出回路进行温度补偿。•在安装测量电路时，热敏元件最好和霍尔元件封装在一起或尽量靠近，以使二者的温度变化一致。（a）在输入回路进行补偿（b）在输出回路进行补偿采用热敏元件的温度补偿电路（3）不等位电势的补偿•不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势。实用中，若想消除不等位电势是极其困难的，因而只有采用补偿的方法。•由于矩形霍尔片有两对电极，各个相邻电极之间有4个电阻R1，R2，R3，R4，因而可把霍尔元件视为一个4臂电阻电桥，这样不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。•理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于R1=R2=R3=R4，则所有能够使电桥达到平衡的方法均可用于补偿不等位电势，使不等位电势为零。基本补偿电路•霍尔元件的不等位电势补偿电路有很多形式。•图a是在造成电桥不平衡的电阻值较大的一个桥臂上并联RP，通过调节RP使电桥达到平衡状态，称为不对称补偿电路•图b相当于在两个电桥臂上并联调用电阻，称为对称补偿电路。（a）不对称补偿（b）对称电路具有温度补偿的补偿电路•下图是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路。其中一个桥为热敏电阻Rt，并且Rt与霍尔元件的等效电路的温度特性相同。•在磁感应强度B为零时调节RP1和RP2，使补偿电压抵消霍尔元件，此时输出不等位电势，从而使B=0时的总输出电压为零。不等位电势的桥式补偿电路应用：通常用于检测强度大于20mT磁场；主要优点：theirrathergoodbasiccharacteristics,simplicityoftheoperatingprincipleandofthestructure,andcompatibilitywithmicroelectronics；主要缺点：霍尔效应器件通常具有灵敏较低，信号漂移大等。应用：◆脉冲马达◆微动开关◆转速计◆磁性体的检测◆接近开关◆高斯计◆功率计◆磁方位计◆扭矩仪汽车速度测量：测量磁场：一种用于测量较弱磁场的GaAs磁场传感器，为了提高传感器的灵敏度，借助了磁