传感器原理及应用 第5章 磁敏传感器
磁传感器的工作原理和应用
磁传感器的工作原理和应用磁传感器是一种能够检测和测量磁场的设备，其工作原理基于磁感应效应。
本文将介绍磁传感器的工作原理、种类及其广泛的应用领域。
一、磁传感器的工作原理磁传感器通常由一个敏感元件和一个信号处理单元组成。
敏感元件负责感应磁场并产生相应的电信号，信号处理单元则对这些电信号进行处理和解读。
常见的磁传感器敏感元件包括磁电阻传感器、霍尔效应传感器和磁感应线圈传感器。
它们基于不同的磁感应效应来实现对磁场的感应和测量。
1. 磁电阻传感器：磁电阻效应是指在磁场作用下，材料的电阻发生变化。
磁电阻传感器利用这一效应来感应周围磁场。
当磁场的方向和强度变化时，敏感元件内部的电阻也会相应变化。
通过测量电阻的变化，可以确定磁场的强度和方向。
2. 霍尔效应传感器：霍尔效应是指当载流子在磁场中运动时，由于洛仑兹力的作用，电子在晶格中堆积。
这种堆积使得电子运动轨迹发生偏移，进而引起电阻的变化。
霍尔效应传感器利用这一效应来感应磁场。
当磁场的方向和强度变化时，霍尔传感器中的电阻也会发生相应变化。
通过测量电阻的变化，可以得到磁场的信息。
3. 磁感应线圈传感器：磁感应线圈传感器由线圈和磁芯组成。
当线圈中通过电流时，磁芯的磁导率会发生变化，进而改变线圈的自感和互感。
这种变化可以用来感应周围的磁场。
通过测量线圈中的电流和电压变化，可以确定磁场的强度和方向。
二、磁传感器的应用由于磁传感器能够对磁场进行高精度的感应和测量，因此在许多领域都有广泛的应用。
1. 汽车行业：磁传感器在汽车行业中应用广泛，例如车速传感、转向角传感和刹车传感等。
通过对磁场的感应和测量，磁传感器能够实现对车辆运行状态的监测和控制。
2. 电子产品：磁传感器在电子产品中也有重要的应用。
例如，智能手机中的指南针和陀螺仪就是利用磁传感器来感应和测量磁场，实现屏幕旋转和导航功能。
3. 工业自动化：磁传感器在工业自动化中起着关键的作用。
例如，磁传感器可用于检测机械设备的位置和方向，实现自动控制和监测。
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
第5章《传感器及其应用》参考答案
第5章《传感器及其应用》第1节 揭开传感器的“面纱”【学习目标】1．了解传感器在生产和生活中的应用。
2．知道非电学量转换成电学量的技术意义。
3．知道传感器的最基本原理及其一般结构。
4．知道敏感元件的作用。
【要点透析】1. 什么是传感器？传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）按一定规律转换成便于处理和传输电学量（如电压、电流等）的一种元件。
传感器输入的是非电学物理量，输出的是电学量。
将非电学物理量转换成电学量后，测量比较方便，而且能输入到计算机进行处理。
各种传感器是自动控制设备中不可缺少的元件，已经渗透到宇宙开发、环境保护、交通运输以至家庭生活等多种领域。
2．传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源。
如图5.1-1所示。
敏感元件（预变换器）：将不能够直接变换为电量的非电量转换为可直接变换为电量的非电量元件。
敏感元件是传感器的核心部分，它是利用材料的某种敏感效应（如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等）制成的。
转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件，如压电晶体、热电偶等。
转换电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路称为测量电路。
3．传感器的分类传感器的种类很多，目前尚没有统一的分类方法，一般常采用的分类方法有如下几种：（1）按工作原理分类物理传感器：利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息的传感器，如电容传感器、电感传感器、光电传感器、压电传感器等；化学传感器：利用化学反应识别和检测信息的传感器，如气敏传感器、湿敏传感器等； 生物传感器：利用生物化学反应识别和检测信息的传感器，它是由固定生物体材料和适图5.1-1 敏感元件当转换器件组合成的系统。
如组织传感器、细胞传感器、酶传感器等。
（2）按用途分类这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据需要测量的对象选择所需要的传感器。
磁敏传感器概要课件
当电流通过一个导体时，如果有一个外部磁场作用在导体上，那么导体的电阻值 会产生变化。利用这个电阻值的变化可以测量外部磁场的大小和方向。磁阻传感 器具有较高的灵敏度和响应速度。
磁致伸缩效应
总结词
磁致伸缩效应是磁敏传感器另一种重要的技术原理，它利用磁场改变材料的长度和体积，从而检测磁场强度和方 向。
以满足不同应用场景的需求。
通过技术创新和规模化生产，实 现成本与性能的最佳平衡，是磁
敏传感器发展的关键。
标准化与互操作性
为了提高磁敏传感器的市场竞争 力，需要制定统一的标准和规范 ，促进产品的互换性和互操作性
。
标准化有助于提高产品质量、降 低生产成本、促进产业升级和技
术创新。
建立磁敏传感器的标准体系，推 动产业协同发展，是未来发展的
随着物联网技术的发展，磁敏 传感器在智能家居、智慧城市 等领域的应用前景广阔。
磁敏传感器在新能源领域的应 用，如风力发电、太阳能逆变 器等，具有巨大的市场潜力。
成本与性能的平衡
降低磁敏传感器的成本是市场推 广的关键，需要优化生产工艺和
降低材料成本。
在追求低成本的同时，需要保证 传感器的性能稳定性和可靠性，
PART 04
磁敏传感器的发展趋势与 挑战
பைடு நூலகம்
技术创新与突破
磁敏传感器技术不断进步，新型材料和工艺的应用提高了传感器的灵敏度和可靠性 。
集成化与微型化成为磁敏传感器的发展趋势，有助于降低成本、减小体积和重量。
磁敏传感器与其他传感器的集成，实现多参数测量，提高了测量精度和可靠性。
应用领域的拓展
磁敏传感器在智能制造、机器 人、航空航天、医疗等领域的 应用逐渐增多。
详细描述
磁敏传感器原理
磁敏传感器是一种利用磁场变化来检测和测量物理量的器件。
其原理基于霍尔效应，即当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体垂直于磁场和电流的方向上会产生电势差，这个电势差被称为霍尔电势差。
由于磁敏传感器内部装有霍尔元件，当有磁场及其方向变化时，霍尔元件能够检测到磁场强度和方向的变化，并将其转换为电信号输出。
磁敏传感器具有高灵敏度、高分辨率和高可靠性的特点，因此在许多领域都有广泛的应用。
例如，在无刷直流电机中，磁敏传感器可以用来检测转子位置和转速，从而实现电机的无接触控制。
此外，磁敏传感器还被广泛应用于测量电流、磁场、位置、速度和角度等物理量，并且在自动化控制、汽车电子、智能家居等领域也有着广泛的应用。
随着科技的不断发展，磁敏传感器的性能和可靠性也在不断提高。
目前，磁敏传感器已经从实验室走向了市场，成为一种重要的传感器类型。
未来，随着新材料、新工艺和新技术的应用，磁敏传感器的性能将会得到进一步提升，应用领域也将进一步扩大。
磁敏传感器(讲)课件
磁通门技术
总结词
磁通门技术利用铁磁材料的磁化强度随磁场强度变化的特点 来检测磁场。
详细描述
铁磁材料在磁场中被磁化后，其磁化强度随磁场强度的变化 而变化。通过测量铁磁材料的磁化强度，可以间接地检测磁 场。磁通门技术具有较高的灵敏度和线性度，因此在高精度 磁场测量中得到广泛应用。
隧道效应
总结词
隧道效应是利用电子在两个金属间通过隧道穿透的原理来检测磁场。
磁敏传感器容易受到噪声干扰 ，如电磁干扰、电源波动等， 影响测量精度。
成本较高
相对于一些其他传感器，磁敏 传感器的制造成本较高。
稳定性不足
磁敏传感器的稳定性有待提高 ，需要定期校准和维护。
改进方向
温度补偿技术
研究和发展温度补偿技术，以减小温 度对磁敏传感器的影响。
噪声抑制技术
采用先进的信号处理技术，抑制噪声 干扰，提高测量精度。
常工作。
汽车电子
用于检测车辆的磁场变化，如 发动机点火、车轮转速等，提 高车辆的安全性和稳定性。
环保监测
用于检测环境中的磁场变化， 如气体泄漏、地下水污染等，
保障环境和人类健康。
02
磁敏传感器的原理
霍尔效应
总结词
霍尔效应是磁敏传感器中最常用的一种效应，利用半导体材料在磁场中导电时 产生的电动势来检测磁场。
通过检测磁性材料的磁性特征，可以 判断材料的种类、磁性状态等，用于 材料科学、冶金等领域。
电流测量
直流电流检测
磁敏传感器可以检测直流电流的大小，常用于电源管理、电机控制等领域。
交流电流检测
通过检测交流电产生的磁场，磁敏传感器能够测量交流电流的幅值和频率，广泛应用于电力系统和自 动化控制领域。
位置和角度检测
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
5.2.4 霍尔元件基本特性
❖ 额定激励电流和最大允许激励电流
额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在 空气中产生10℃温升时，对应的控制电流值。
最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对 应 的控制电流值。
❖ 输入电阻Ri和输出电阻Ro
Ri——控制电极之间的电阻值； Ro——霍尔电极之间的电阻。
5.2.4 霍尔元件基本特性
❖ 不等位电势UO和不等位电阻rO
在额定控制电流I之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载
霍尔电势称为不平衡电势UO。不平衡电势和额定控制
电流I之比为不平衡电阻ro。
5.2.4 霍尔元件基本特性
❖ 寄生直流电势 霍尔元件零位误差的一部分
当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍 尔电极的输出有一个直流电势。 原因：1. 控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆 接触时，会产生整流效应。
3、霍尔电势的输出电路 霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电
势一般在毫伏量级，实际使用时必须加差分放大器， 霍尔元件可分为线性测量和开关状态两种使用方式。
当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度较低、不等位电 势小、稳定性和线性区优良的霍尔元件。
可见，UH与电压V成正比，与元件几何宽长比B/l成 正比。这与几何因子的变化趋势相反。
5.2.5 霍尔元件基本特性
❖ 霍尔输出与磁场(恒定或交变)之间的关系 (即UH—B特性)
当B<0.5T(即5000Gs) 时，呈现较好的线性
图 5-7 霍尔元件的开路输出与磁感应强度关系曲线
5.2.5 霍尔元件基本特性
2. 两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不 同产生温差电势。
❖ 霍尔电势温度系数α
在一定磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，霍尔 电势变化的百分率，称霍尔温度系数α，单位：1／℃。
5.2.4 霍尔元件基本特性
❖ 乘积灵敏度KH（V/A ·T） KH=UH/(IC*B)
❖ 磁灵敏度SB（V/T） 额定控制电流IC作用下： SB=UH/B)
图 5-5 UH 随x的变化曲线
5.2.3 霍尔元件基本结构
❖ 霍尔元件基本结构
图 5-6 霍尔元件的基本结构
5.2.4 霍尔元件基本特性
❖ 额定激励电流和最大允许激励电流 ❖ 输入电阻和输出电阻 ❖ 不等位电势和不等位电阻 ❖ 寄生直流电势 ❖ 霍尔电势温度系数 ❖ 乘积灵敏度KH（V/A ·T） ❖ 磁灵敏度SB（V/T）
5.2.5 霍尔元件基本特性
❖ 霍尔输出电势与控制电流(直流或交流)之间的关 系(即UH—I特性)。 控制电流灵敏度KI＝UH/I
图 5-7 电流I与霍尔电势UH关系曲线
5.2.5 霍尔元件基本特性
❖ 霍尔输出电势与直流控制电压之间的关系 (即UH—V特性) I=V/R=Vbd/ρl
UH=KHIBf(l/B)=μ(b/l)BVf(l/B) (KH=RH/d)
LOGO
第5章 磁敏传感器
第5章 磁敏传感器
5.1
概述
5.2
霍尔元件
5.3
半导体磁阻器件
5.4
结型磁敏器件
5.5 铁磁性金属薄膜磁阻元件
5.6
压磁式传感器
5.7
新型磁传感器
5.1
▪ 霍尔元件
▪ 磁场测量 ▪ 电流测量 ▪ 转速测量
▪ 强磁体薄膜磁阻器件
▪ 位移测量 ▪ 角位移测量 ▪ 流量、转速测量
如下
KH
RH d
▪则
UH=KHIB
（5-8）
▪ 由上式可知，霍尔传感器的灵敏度是在单位磁感应强
度B=1和单位控制电流I=1作用下，所产生的霍尔电势。
5.2 霍尔元件
可以推导出：RH =μρ 其中μ为电子迁移率；ρ为材料的电阻率
❖金属材料和绝缘材料不适合用于制作霍尔元件
❖霍尔元件越薄（即d越小），霍尔传感器的灵敏度
v I nebd
5.2 霍尔元件
代入霍尔电势公式（５-2），得
UH
1 ned
IB
（5-7）
▪若霍尔元件采用 p 型半导体材料，则上式变为
UH
1 ped
IB
▪其中，p 为单位体积内的空穴数。
5.2 霍尔元件
p：1e
UH
RH
IB d
其中 RH 称为霍尔系数。显然霍尔系数由半导体材料性 质决定，它影响霍尔电势的大小。由此可导出灵敏度
▪ 半导体磁阻器件
▪ 微弱磁场测量 ▪ 脉冲测量
概述
5.2 霍尔元件
1
霍尔效应
2
霍尔元件基本结构
3
霍尔元件基本特性
4
霍尔元件基本特性
5 霍尔元件不等位电势补偿
6
霍尔元件温度补偿
7
霍尔集成电路
8
霍尔式传感器的应用
5.2 霍尔元件
图 5-1 霍尔实验
❖ 半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一 致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间 产生电动势，这种现象称霍尔效应。
❖ 元件的输入或输出电阻与磁场之间的关系(即R一 B特性)
霍尔元件的内阻随磁 场强度的增加而增加， 即存在所谓磁阻效应
图 5-8 霍尔元件的输入（或输出）电阻与磁场关系曲线
▪1、基本测量电路
输入信号: I.B或者I或者B
2、连接方式
除了霍尔元件基本电路形式之外，在需要获 得较大的霍尔电势时可串接使用。
式中
——霍尔电场； ——霍尔元件宽度。
5.2 霍尔元件
当电子积累达到动态平衡时，两作用力相等，即
所以有：
（5－4）
▪ 因为流过霍尔元件的电流密度与电子运动速
度v有关，其关系为 j = -nev 其中，n为单位体积 中的电子数。
▪ 由于电流强度为Ｉ=jbd=-nevdb
▪其中，d 霍尔元件厚度，得电子运动速度为
❖ 产生的电动势称霍尔电势；半导体薄片称霍尔元件
5.2 霍尔元件 霍尔效应是半导体中自由电荷受到磁场中洛仑 兹力而产生的。
图 5-2 霍尔效应
5.2 霍尔元件
洛仑兹力为： f1 =ev×B
式中 e—电子电量； v—电子运动速度 B—磁场的磁感应强度。
在洛仑兹力的作用下，半导体一边产生负电 荷，一边积聚正电荷，产生一静电场——霍尔电 场，作用于电子的阻力为
KH越高。但过薄的元件会使输入、输出电阻增大。
5.2.2 影响霍尔效应的因素
❖ 磁场与元件法线的夹角 UH＝KHIBcosα
❖元件的几何形状 (形状效应因子f(l/b)） UH＝KHIBf(l/b)
图 5-4 元件尺寸l/b与f(l/b)的关系曲线
5.2.2 影响霍尔效应的因素
❖ 控制电极对UH的短路作用