传感器原理及应用-磁敏
磁敏传感器的工作原理
磁敏传感器的工作原理
磁敏传感器是一种可以感应磁场的传感器，它可以将磁场的变化转化为电信号输出。
磁敏传感器的工作原理是基于磁阻效应或霍尔效应。
磁阻效应是一种磁敏传感器常用的工作原理之一。
它利用磁阻材料在外加磁场下电阻值的变化来感应磁场。
磁阻材料通常是由两种具有不同电阻的材料叠层组成，当外加磁场改变时，两种材料的电子结构的变化会导致磁阻材料的电阻值发生变化。
这种变化可以通过测量电路中的电压或电流来检测。
霍尔效应是另一种常用的磁敏传感器工作原理。
它利用材料在磁场下形成电势差的现象来感应磁场。
当材料中的载流子在外加磁场下偏转时，会在材料的两端产生电势差。
这个电势差可以通过连接到测量电路中的霍尔元件来测量。
霍尔元件通常是由半导体材料制成的，它们可以对电势差产生响应并转化为电信号。
磁敏传感器可以广泛应用于许多场合，例如测量电机转速、磁头位置、地磁场、车辆速度和方向等。
它们的优点是精度高、反应速度快、稳定性好和可靠性高。
因此，磁敏传感器已成为许多电子器件和系统中不可或缺的部分。
- 1 -。
磁敏式传感器的原理及应用
磁敏式传感器的原理及应用1. 磁敏式传感器的原理磁敏式传感器是一种能够检测和测量磁场变化的装置。
它利用材料的磁敏特性，在磁场的作用下产生相应的电信号，从而实现对磁场的检测和测量。
1.1 磁敏效应磁敏效应是指材料在外加磁场作用下，呈现出磁介质性质的变化。
常见的磁敏效应包括磁电效应、霍尔效应和磁致伸缩效应等。
其中，磁电效应是磁敏式传感器工作的基础。
1.2 磁敏材料磁敏式传感器所使用的磁敏材料具有以下几个主要特点： - 高磁导率：磁敏材料能够有效地传导磁场，在外加磁场作用下形成较大的感应电流。
- 高磁阻率：磁敏材料对磁场的变化非常敏感，能够产生较大的电信号响应。
- 稳定性：磁敏材料的特性稳定，能够在较宽的温度范围内工作。
1.3 工作原理磁敏式传感器的工作原理基于磁电效应，即磁场变化引起材料电阻的变化。
当外加磁场发生变化时，磁敏材料内部的自由电荷受到磁力作用，导致电荷运动方向发生变化，从而改变了材料内部的电流分布和电阻。
2. 磁敏式传感器的应用磁敏式传感器的应用非常广泛，在许多领域中发挥着重要的作用。
2.1 位移检测磁敏式传感器可以用于测量物体的位移。
通过将磁敏材料与运动物体相连，并放置在磁场中，当物体发生位移时，磁敏材料的电阻发生变化，从而可以测量位移的大小。
2.2 速度检测磁敏式传感器还可以用于监测物体的速度。
通过将磁敏材料与运动物体相连，并放置在磁场中，当物体以一定速度运动时，磁敏材料的电阻发生变化，从而可以测得物体的速度。
2.3 磁场检测磁敏式传感器能够检测磁场的变化。
当磁场发生变化时，磁敏材料的电阻也会发生变化，从而可以检测磁场的强度和方向。
2.4 电流检测磁敏式传感器还可以用于检测电流。
通过将磁敏材料与电流回路相连，当电流通过时，磁场的变化会引起磁敏材料的电阻变化，从而可以测量电流的大小。
2.5 磁导航磁敏式传感器可以应用于磁导航领域。
通过检测磁场的变化，磁敏式传感器可以确定物体的方向和位置，从而实现导航功能。
磁敏传感器工作原理
磁敏传感器工作原理磁敏传感器工作原理：磁敏传感器，顾名思义就是感知磁性物体的存在或者磁性强度(在有效范围内)这些磁性材料除永磁体外，还包括顺磁材料(铁、钴、镍及其它们的合金)当然也可包括感知通电(直、交)线包或导线周围的磁场。
一，传统的磁检测中首先被采用的是电感线圈为敏感元件。
特点正是无须在线圈中通电，一般仅对运动中的永磁体或电流载体起敏感作用。
后来发展为用线圈组成振荡槽路的。
如探雷器，金属异物探测器，测磁通的磁通计等. (磁通门，振动样品磁强计)。
二，霍尔传感器霍尔传感器是依据霍尔效应制成的器件。
霍尔效应：通电的载体在受到垂直于载体平面的外磁场作用时，则载流子受到洛伦兹力的作用，并有向两边聚集的倾向，由于自由电子的聚集(一边多一边必然少)从而形成电势差，在经过特殊工艺制备的半导体材料这种效应更为显著。
从而形成了霍尔元件。
早期的霍尔效应的材料Insb(锑化铟)。
为增强对磁场的敏感度，在材料方面半导体IIIV 元素族都有所应用。
近年来，除Insb之外，有硅衬底的，也有砷化镓的。
霍尔器件由于其工作机理的原因都制成全桥路器件，其内阻大约都在 150Ω~500Ω之间。
对线性传感器工作电流大约在2~10mA左右，一般采用恒流供电法。
Insb与硅衬底霍尔器件典型工作电流为10mA。
而砷化镓典型工作电流为2 mA。
作为低弱磁场测量，我们希望传感器自身所需的工作电流越低越好。
（因为电源周围即有磁场，就不同程度引进误差。
另外，目前的传感器对温度很敏感，通的电流大了，有一个自身加热问题。
（温升）就造成传感器的零漂。
这些方面除外附补偿电路外，在材料方面也在不断的进行改进。
霍尔传感器主要有两大类，一类为开关型器件，一类为线性霍尔器件，从结构形式（品种）及用量、产量前者大于后者。
霍尔器件的响应速度大约在1us 量级。
三，磁阻传感器磁阻传感器，磁敏二极管等是继霍尔传感器后派生出的另一种磁敏传感器。
采用的半导体材料于霍尔大体相同。
磁敏式传感器.课件
06
磁敏式传感器的发展趋势与展望
新材料的应用
高磁导率材料
01
利用具有高磁导率的材料，提高磁敏式传感器的灵敏度和响应
速度。
稀有金属材料
02
采用稀有金属材料，如稀土元素，以改良传感器的性能和稳定
性。
复合材料
03
通过将不同材料的优点结合，开发出具有优异性能的复合磁敏
材料。
新工艺的研发
薄膜工艺
利用薄膜工艺制备超薄、高灵敏度的磁敏元件， 提高传感器的精度和稳定性。
磁通元件
利用磁通效应，将磁场变化转化为 电压变化，从而检测磁场强度。
信号处理电路
01
02
03
放大器
将磁敏元件输出的微弱信 号进行放大，提高信号的 信噪比。
滤波器
对信号进行滤波处理，去 除噪声干扰，提高信号的 稳定性。
调制解调器
将磁敏元件输出的模拟信 号转换为数字信号，便于 后续处理。
输出装置
显示器
位置检测
位置检测概述
位置检测是控制系统中不可或缺的一环，磁 敏式传感器可用于位置检测。
位置检测原理
磁敏式传感器通过检测磁场的变化，判断物 体的位置和运动轨迹。
位置检测应用
在机器人、自动化生产线、医疗器械等领域 ，位置检测的应用越来越广泛。
位置检测优缺点
磁敏式传感器具有非接触、精度高等优点， 但也存在对环境磁场干扰敏锐等缺点。
具有较高的灵敏度。
线性输出
磁敏式传感器的输出信号与磁 场强度成线性关系，使得测量 结果更为准确可靠。
稳定性好
经过特殊工艺处理，磁敏式传 感器具有较好的温度特性和长 期稳定性。
抗干扰能力强
由于磁场不易受到电场、温度 等因素的干扰，因此磁敏式传 感器在复杂环境下仍能保持较
霍尔磁敏传感器工作原理
霍尔磁敏传感器工作原理霍尔磁敏传感器工作原理霍尔磁敏传感器是一种常用的磁敏元件，可广泛应用于位置检测、速度测量、角度测量等领域。
它利用霍尔效应来检测磁场，并将其转化为电信号。
下面将介绍霍尔磁敏传感器的工作原理。
1. 引入霍尔效应霍尔效应是指当导体中有电流通过时，置于垂直磁场中的导电材料会在其两侧产生电势差。
这种现象是由于磁场对载流子的影响导致的。
2. 基本构造霍尔磁敏传感器的基本构造包括霍尔元件和信号处理电路。
霍尔元件是一个半导体器件，通常采用硅或镓化合物制成。
信号处理电路负责将霍尔元件输出的微弱电信号放大并转换为可用的电压或电流信号。
3. 工作原理当霍尔磁敏传感器暴露在磁场中时，磁场作用于霍尔元件上的载流子。
根据磁场的方向和极性，载流子会产生偏转，从而在霍尔元件的两侧产生电势差。
3.1 磁场方向垂直于电流方向当电流通过霍尔元件时，磁场方向垂直于电流方向，则在霍尔元件的两侧会形成相反的电势差。
这个电势差称为霍尔电压（Hall voltage）。
3.2 输出信号处理霍尔电压通过信号处理电路进行放大和处理。
常见的处理方法包括使用运算放大器和滤波器等电路来调整信号的增益和频率响应。
4. 特点和应用霍尔磁敏传感器具有灵敏度高、响应速度快、可靠性好等优点。
它可以检测不同强度和方向的磁场，能够工作在宽温度范围内。
因此，它在许多领域中得到广泛应用，包括角度传感、位置检测、速度测量、电流测量等。
总结：霍尔磁敏传感器的工作原理是基于霍尔效应，利用磁场对导电材料的影响产生电势差，通过信号处理电路将其转化为可用的电信号。
其高灵敏度、快速响应和可靠性使得它成为许多应用中的重要组成部分。
通过不断的研究和改进，霍尔磁敏传感器在工业、汽车、电子等领域中的应用前景将更加广阔。
磁电传感器的原理和应用
磁电传感器的原理和应用前言磁电传感器是一种能将磁场信号转换成电信号的传感器，广泛应用于各种领域。
本文将介绍磁电传感器的原理和应用。
一、磁电传感器的原理磁电传感器的工作原理基于磁效应，主要包括霍尔效应、磁电阻效应和磁敏电容效应。
1. 霍尔效应霍尔效应是最早被发现和广泛应用的磁电效应之一。
当电流通过一块导电材料时，若将其放在磁场中，磁场就会对电子流的平衡状态产生影响，从而引起一侧电子浓度的变化，产生电压差。
这个电压差被称为霍尔电压。
2. 磁电阻效应磁电阻效应是指材料在外加磁场下，其电阻发生变化的现象。
常见的磁电阻效应有巨磁电阻效应（GMR）和隧道磁电阻效应（TMR）。
它们的本质是通过控制材料中磁性局域区域的磁结构来改变电阻值。
3. 磁敏电容效应磁敏电容效应是指材料在磁场下，电容值发生变化的现象。
这种效应通常是通过改变材料中的磁性局域区域的电容性质来实现的。
二、磁电传感器的应用磁电传感器由于其高灵敏度、响应速度快、易于集成等特点，在许多领域得到了广泛的应用。
1. 汽车工业磁电传感器在汽车工业中起到了重要的作用。
例如，在车辆换挡控制中，霍尔效应传感器被用于检测离合器和制动踏板的位置，从而实现自动换挡；在刹车控制中，磁敏电容效应传感器被用于检测刹车片的磨损程度，提供刹车片更换的提示。
2. 电子设备磁电传感器广泛应用于各种电子设备中。
例如，在手机中，磁敏电容效应传感器被用于检测翻盖状态和磁盖位置，实现手机的自动睡眠和唤醒功能；在音频设备中，磁电阻传感器被用于控制音量调节，实现用户友好的操作体验。
3. 工业自动化磁电传感器在工业自动化领域中发挥着重要的作用。
例如，在生产线上，磁敏电容效应传感器被用于检测零件的位置和运动状态，实现精准的定位和控制；在机械加工过程中，磁电阻传感器被用于检测工件的尺寸和形状，实现自动化的加工过程控制。
4. 医疗器械磁电传感器在医疗器械领域中应用广泛。
例如，在磁共振成像（MRI）中，磁电阻传感器被用于检测磁场强度和方向，提供精准的成像结果；在心脏起搏器中，霍尔效应传感器被用于检测心脏的电信号，实现有效的心脏节律调整。
传感器技术的原理和应用场景
传感器技术的原理和应用场景近年来，随着科技的不断发展和完善，各种高科技产品不断涌现，其中传感器技术便是其中之一。
传感器技术的原理和应用场景非常广泛，我们可以从以下几个方面来探讨。
一、传感器技术的原理传感器技术的原理有很多，以下列举几个比较普遍的：1. 压力传感器：利用杠杆原理，将受力点移动到传感器的压力敏感区域，从而实现了压力的检测。
2. 光电传感器：利用光电原理，通过检测红外线或激光束等电磁波的反射，来实现物体的检测和跟踪。
3. 磁敏传感器：利用磁敏材料的磁阻效应，将物理量转变为磁场，再通过传感器磁阻的变化来检测出物理量的大小。
二、传感器技术的应用场景1. 工业自动化：在工业生产中，传感器技术被广泛应用。
通过监控流程、温度、湿度、压力等物理量，可以实现生产过程的自动化和数字化。
2. 能源管理：在现代社会中，能源是不可避免的问题。
传感器技术的应用可以帮助用户更加有效地管理能源，例如智能电表、智能空调等。
3. 智能家居：近年来，智能家居受到越来越多的关注。
通过传感器技术，可以实现门锁、留守、空气质量等方面的智能化，为用户提供更加智能化便捷的生活体验。
4. 医疗健康：传感器技术在医疗健康领域也有广泛的应用。
例如血糖检测器、心率监测器等，可以帮助人们更好地了解自己的身体状况，实现更好的健康管理。
5. 物流交通：在物流和交通领域中，传感器技术同样得到了广泛应用。
例如智能交通管制、智能安全检测等，可以实现真正的数字化交通管理。
总之，传感器技术不断演进和发展，它的应用场景越来越广泛。
未来，它将成为各个领域的中流砥柱，给人们的生活带来更多的便捷和创新。
常见磁传感器及原理和应用
磁学量的单位
CGSE，又称静电单位制（electrostatic units）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。
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、
• 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
L 0t N2A
l
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（SQUIDsuperconducting quantum interferometric device）可以对各种 物理量做超精密测量。
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r区 P+ N+
I区
磁敏二极管的结构
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磁敏二极管的符号
§8.2 磁敏式传感器
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§8.1 霍尔式传感器
1、开关型集成霍尔传感器
开关型集成霍尔传感器是把霍 尔元件的输出经过处理后输出一个高 电平或低电平的数字信号。
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霍尔开关电路
§8.2 磁敏式传感器
一、磁敏电阻元件 1、磁阻效应
磁阻效应：当载流体置于磁场 中，其电阻会随磁场而变化的现象。 当温度恒定时，在磁场中磁阻 与磁感应强度B的平方成正比。 若器件只有在电子参与导电的 情况下，理论推导出来的磁阻效应方 程为
R/Ω
1000
500 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 B/T N极 S极
S、N极之间电阻特性
在运算时常用 RB/R0 求得， R0表 示无磁场情况下磁阻元件的电阻值， RB 为施加 0.3T 磁感应强度时磁阻元件 的电阻值。
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RB/R0 15 强场下直线特性 10 温度(25℃) 5 弱磁场下平方特性 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 B/T
二、磁敏二极管和三极管 2、磁敏三极管 c H-
H+
P+ b
在弱 P 型或弱 N 型本征半导 N+ I 体上用合金法或扩散法形成发 射极、基极和集电极。 N+ r 基区较长。基区结构类似磁 e 敏二极管，有高复合速率的 r区 磁敏三极管的结构 和本征 I 区。长基区分为运输基 区和复合基区。 c 基本原理：在正、反向磁场 作用下，磁敏三极管集电极电 磁敏三极 b 流出现明显变化。 管的符号 磁敏三极管可测量弱磁场、 e 电流、转速、位移等物理量。
巨磁阻元件
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§8.2 磁敏式传感器
二、磁敏二极管和三极管 1、磁敏二极管
磁敏二极管的 P 型和 N 型电极由 高阻材料制成，在 P 、 N 之间有一个 较长的本征区I。本征区I的一面磨成 光滑的无复合表面（为 I 区），另一 面打毛，设置成高复合区（为 r 区）， 因为电子—空穴对易于在粗糙表面复 合而消失。 基本原理：在磁场强度和方向 变化下，电子和空穴复合率明显变化， 导致磁敏二极管的电流发生变化，实 现磁电转换。
0
0.273 2 B 2 K 2 B 2
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§8.2 磁敏式传感器
一、磁敏电阻元件 2、磁阻元件的主要特性
（1）灵敏度特性 磁敏电阻的灵敏度一般是非线性 的，且受温度的影响较大。 磁阻元件的灵敏度特性用在一定 磁场强度下的电阻变化率来表示，即 磁场—电阻变化率特性曲线的斜率。
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§8.1 霍尔式传感器
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五、集成霍尔传感器
集成霍尔传感器：利用硅集成 电路工艺将霍尔元件和测量线路集成 在一起的霍尔传感器，取消了传感器 和测量电路之间的界限，实现了材料、 元件、电路三位一体。 集成霍尔传感器由于减少了焊 点，显著地提高了可靠性，还具有体 积小、重量轻、功耗低等优点，应用 越来越广泛。 霍尔开关电路又称霍尔 数字电路，由稳压器、霍尔 片、差分放大器，施密特触 发器和输出级五部分组成。
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电阻变化率特性
§8.2 磁敏式传感器
一、磁敏电阻元件 2、磁阻元件的主要特性
（2）电阻 － 温度特性 半导体磁阻元件的温度特性 不好。元件的电阻值在不大的温度 变化范围内减小的很快。 因此，在应用时，一般都要 设计温度补偿电路。
150
电 100 阻 /Ω 50
0 20
40 60 80 温度/℃/
100
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§8.1 霍尔式传感器
传感器原理及应用
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第八章 磁敏传感器
被测非电量
磁电 作用
电信号
测量 电路
U、 I
磁电式传感器的定义 通过磁电作用，被测非电量转换为电信号的传感器。 磁电式传感器的感测量 磁场、速度、位移、加速度、压力、电流等。 磁电式传感器的种类 根据工作原理：感应式、霍尔式和磁敏式等。
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第八章 磁电式传感器
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§8.2 磁敏式传感器
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§8.2 磁敏式传感器
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第八章结束
谢谢合作！
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第八章 磁电式传感器
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第八章 磁电式传感器
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第八章 磁电式传感器
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第八章 磁电式传感器
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第八章 磁电式传感器
§ 8.1 霍尔式传感器
§ 8.2 磁敏二极管 § 8.3 磁敏三极管
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§8.1 霍尔式传感器
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§8.1 霍尔式传感器
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§8.1 霍尔式传感器
2 2 B （ 1 0 . 273 B ) 0
迁移率越高的材料（如 InSb 、 InAs 、 NiSb 等 半 导 体 材 料）磁阻效应越明显。 从微观上讲，材料的电阻 率增加是因为电流的流动路径因 磁场的作用而加长所致。 磁阻效应除与材料有关外 ， 还与磁敏电阻的形状有关。 在恒定磁感应强度下，磁 敏电阻的长度与宽度的比越小， 电阻率的相对变化越大。 圆盘形的磁阻最大。磁敏 电阻大多做成圆盘结构。