4-磁敏传感器
磁阻传感器 分类
磁阻传感器分类磁阻传感器是一种常见的传感器类型，它利用磁阻效应测量物体的磁场强度。
根据其工作原理和应用领域的不同，磁阻传感器可以分为多种类型。
本文将对磁阻传感器进行分类，并介绍其原理和应用。
一、磁阻传感器的分类根据磁阻传感器的工作原理和结构特点，可以将其分为以下几类：1. 磁阻式传感器：磁阻式传感器是最常见的一种磁阻传感器，它利用磁阻效应测量物体的磁场强度。
磁阻式传感器一般由磁敏元件和信号处理电路组成，磁敏元件通常是磁阻效应材料，如磁敏电阻或磁敏电容器。
根据磁敏元件的不同，磁阻式传感器又可以分为磁敏电阻传感器和磁敏电容器传感器。
2. 磁电阻式传感器：磁电阻式传感器是一种利用磁电阻效应测量物体磁场强度的传感器。
磁电阻式传感器通常由磁电阻元件和信号处理电路组成，磁电阻元件是一种具有磁电阻效应的材料，如铁磁电阻材料和反铁磁电阻材料。
磁电阻式传感器的灵敏度高、响应速度快、温度稳定性好等特点，使其在磁场测量、位置检测、速度测量等领域得到广泛应用。
3. 磁感应式传感器：磁感应式传感器是一种利用磁感应原理测量物体磁场强度的传感器。
磁感应式传感器通常由磁感应元件和信号处理电路组成，磁感应元件是一种具有磁感应效应的材料，如霍尔元件和磁敏二极管。
磁感应式传感器具有高灵敏度、响应速度快、工作温度范围广等特点，广泛应用于磁场测量、位置检测、速度测量等领域。
二、磁阻传感器的原理和应用1. 磁敏电阻传感器的原理和应用：磁敏电阻传感器利用磁敏电阻元件的电阻值随磁场强度的变化而变化的特性，测量物体的磁场强度。
磁敏电阻传感器具有灵敏度高、响应速度快、温度稳定性好等特点，广泛应用于磁场测量、位置检测、速度测量等领域。
2. 磁电阻式传感器的原理和应用：磁电阻式传感器利用磁电阻元件的电阻值随磁场强度的变化而变化的特性，测量物体的磁场强度。
磁电阻式传感器具有高灵敏度、响应速度快、温度稳定性好等特点，广泛应用于磁场测量、位置检测、速度测量等领域。
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。
磁旋转传感器的工作原理
磁旋转传感器的工作原理
磁旋转传感器是一种常见的用于测量物体旋转角度的传感器。
它基于磁敏效应和磁场旋转的原理来工作。
该传感器通常由两个主要部分组成：磁场发生器和磁敏传感器。
磁场发生器可以是一个永磁体，它可以产生一个稳定的磁场。
当传感器与磁场发生器之间有一物体旋转时，磁场也会随之旋转。
磁敏传感器是一种基于磁敏效应的器件，它可以感知到磁场的变化。
常用的磁敏传感器有霍尔传感器和磁电阻传感器。
当物体旋转时，磁敏传感器会感知到磁场的变化，并将其转换成相应的电信号。
这个电信号的特征与物体的旋转角度有关。
传感器的输出信号可以经过处理电路进行放大、滤波和转换，最终输出一个数字信号或模拟信号，用于传输或进一步处理。
通过测量输出信号的特征，如电压、电流或频率，可以获得物体的旋转角度。
这使得磁旋转传感器在许多应用中都非常有用，如机器人技术、汽车行业和工业自动化等领域。
第6章-磁电磁敏式传感器
• 测速度时，传感器的输出电压正比于速度信号 u v ，可
以直接放大。
• 输出功率大，稳定可靠，但传感器尺寸大、重，输出阻抗 低，通常几十～几千欧，对后置电路要求低，干扰小。
CD-1 型震动速度传感器
工作频率 固有频率 灵敏度
• 磁阻元件在工作时通常需要加偏置磁 场，使磁敏电阻工作在线性区域。
• 无偏置磁场时只能检测磁场不能 判别磁性。输出弱磁场时磁阻与 磁场关系为：
R =R0（1+MB2）
R0 ——为零磁场内阻； M ——为零磁场系数；
• 外加偏置磁场时磁阻具有极性， 相当在检测磁场外加了偏置磁场， 工作点移到线性区，磁极性也作 为电阻值变化表现出来，这时电 阻值的变化为：
代入后：
UH
Bb
IB ned
RH
IB d
K H IB
霍尔常数
RH
1 ne
与材料有关
霍尔灵敏度
KH
RH d
与薄片尺寸有关
式中：ρ—电阻率、n —电子浓度、μ—电子迁移率 μ = υ / E 单位电场强度作用下载流子运动速度。
☻ 可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比
U K I B ☻ 讨论 H
敏 元
件
6.3.1 磁敏电阻
（1） 磁阻效应
➢ 载流导体置于磁场中，除了产生霍尔效应外，导体中载流子 因受洛仑兹力作用要发生偏转，磁场使载流子运动方向的偏 转使电流路径变化，起到了加大电阻的作用，磁场越强增大 电阻的作用越强。
☺ 外加磁场使导体(半导体)电阻随磁场增加而增大的现象 称磁阻效应。
➢ 磁阻效应表达式为
411霍尔式传感器
11:14 AM
2
霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转
换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。
随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，广 泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的 电磁、压力、加速度、振动测量。
特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。
磁
1 (E)
Ic1
Ic2
Ub4
Uc4
V5
Ic4
V6
Ib3
UH2
Ub3 UH1
V1
V3 Ic3 Ue3 Ue4 V4
V2
2 V7
3 V8
4
开关型集成霍尔传感器的典型路
11:14 AM
13
集成霍尔传感器的输出电平与磁场B 之间的关系见图，可以看出，集成霍 尔传感器的导通磁感应强度和截止磁 感应强度之间存在滞后效应，这是由 于V3、V4共用射极电阻的正反馈作用 使它们的饱和电流不相等引起的。
电气测试技术
11:14 AM
电子信息与自动化学院 贺晓蓉
1
4.11 霍尔式传感器（磁敏传感器）
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的 磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。霍尔器件是一种磁传感器。 用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。 霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长， 安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油 污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 霍尔线性器件的精度高、线性度好； 霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位 置重复精度高（可达μm级）。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器 件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。
传感器原理及应用的总结
传感器原理及应用的总结传感器是一种用于检测和测量其中一种物理量的装置，它能够将检测到的物理量转换为可以进行处理和分析的电信号。
传感器的原理和应用非常广泛，可以应用于各个领域，如工业自动化、环境监测、医学诊断等。
传感器的原理可以分为以下几种：1.电阻器传感器原理：根据物体的压力、力或拉力来改变电阻值的感应装置。
如测量压力、力、重量等的压力传感器，其原理是根据电阻在压力作用下的变化来测量物体的压力。
2.电容器传感器原理：根据外源引起的电容变化，来检测物理量的感应装置。
如湿度传感器，通过测量周围空气的湿度，电容器的电容值会发生相应的变化，从而可以得知湿度的大小。
3.磁敏传感器原理：根据物体对磁场的感应特性，来检测物体的位置、方向和速度等物理量的感应装置。
如磁力传感器，通过测量物体所受磁力的大小和方向，来判断物体的位置和运动状态。
4.光敏传感器原理：根据物体对光的敏感程度，来检测物体的光强度、颜色和形状等感应装置。
如光电传感器，通过测量光电效应的变化，来判断物体的光照条件和透明度。
5.声敏传感器原理：根据物体对声波的感应特性，来检测物体的声音、噪音和震动等感应装置。
如声音传感器，通过测量空气中的声波振动，来判断声音的强度和频率。
传感器的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：1.工业自动化：传感器在工业生产中起到了关键的作用。
例如温度传感器、湿度传感器可用于监测工业生产中的环境参数，光敏传感器用于检测生产线上物体的位置和形状，加速度传感器用于监测机械设备的振动情况等。
2.环境监测：传感器在环境监测中可以用来检测空气质量、水质污染、土壤湿度等。
例如气体传感器可用于检测空气中各种有害气体的浓度，水质传感器用于监测水体中的溶解氧和污染物的浓度等。
3.医疗诊断：传感器在医疗领域中可用于检测人体的生理参数，如心率、体温、血压等。
如心率传感器可以实时监测患者的心率变化，体温传感器用于检测患者的体温变化等。
4.汽车科技：传感器在汽车科技中起到了重要的作用，例如车速传感器用于测量车辆的速度，加速度传感器用于检测车辆的加速度和制动情况，气囊传感器用于检测交通事故时的撞击力等。
磁敏传感器工作原理
磁敏传感器工作原理
磁敏传感器是一种能够感知磁场变化并将其转化为电信号的设备。
其基本工作原理可以分为以下几个步骤：
1. 磁敏元件：磁敏传感器通常由一种磁性材料制成，如硅钢片、铁氧体等。
这些材料具有较低的饱和磁感应强度，即在磁场作用下，材料的磁化程度能够随磁场强度的变化而改变。
2. 磁场作用：当磁敏传感器周围有磁场存在时，磁场会对磁敏元件产生作用，使其磁化程度发生变化。
3. 磁化程度变化引起的电信号：磁敏元件磁化程度的变化会导致其磁导率的改变，进而影响到通过其的磁通量。
当磁敏元件中的磁通量变化时，根据法拉第电磁感应定律，会在磁敏元件上产生涡旋电动势。
4. 电信号放大与处理：通过将磁敏传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波等处理，将其转化为可以被电子设备读取和识别的信号。
总的来说，磁敏传感器通过感知周围磁场的变化，并将其转化为电信号，从而实现磁场的检测和测量。
应用领域广泛，包括磁力计、地磁测量、磁条读写、磁存储等。
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D
图 霍耳器件符号
IH
控制电流I；霍耳电势UH； 控制电压U；输出电阻R2；
IB V
R3 VH
输入电阻R1； 霍耳负载电阻R3；
R E
霍耳电流IH。
霍耳器件的基本电路
控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件所需控制电 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
若磁场值固定，则：
UH＝KI I
KI—电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应强 度下电流对应的霍耳电势值。
3、额定电流：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电 流。
4、最大输出功率 在霍耳电极间接入负载后，元件的功率 输出与负载的大小有关，当霍耳电极间的内阻R2等于霍耳 负载电阻R3时，霍耳输出功率为最大。
若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为θ 时，霍耳电势应为：
UH＝ KH I B cosθ
注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势 的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势 并不改变方向。
设霍耳片厚度d均匀，电流I和霍耳电场的方向分别平行 于长、短边界，则控制电流I和霍耳电势UH的关系式
POma x UH 2 /4R2
5、负载特性 当霍耳电极间串接有负载时，因为流过霍耳电 流，在其内阻上将产生压降，故实际霍耳电势比理论值小。 由于霍耳电极间内阻和磁阻效应的影响，霍耳电势和磁感应 强度之间便失去了线性关系。如图所示。
UH/mV 80 60 40
霍耳电势随负载电阻值而改变的情况
λ=Ra/R1
强度作用下载流子的平均速度。
金属材料，μ很高但ρ很小；绝缘材料，ρ很高但μ很小。为获 得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。
设 KH=RH / d ，则有 UH＝ KH I B
KH—霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几 何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳 电势的大小。
电流极
D
A
B
5.4
霍耳电极
s
d
2.7
2.1
C
D
w
R1 R2
A
B
l
R4
0.2 0.3 0.5
（b）
（a）
霍耳器件片
(a)实际结构(mm)；(b)简化结构；(c)等效电路
R4 R3 C （c）
外形尺寸:6.4×3.1×0.2;有效尺寸：5.4×2.7×0.2
器件电流(控制或输入电流): 流入到器件内的电流。 A、B端子相应地称器件电流端、控制电流端或输入电流端。
C、D端子相应地称为霍耳端 关于霍耳器件符号，名称
或输出端。
及型号，国内外尚无统一
若霍耳端子间接负载, 称为霍 耳负载电阻或霍耳负载。
规定，为叙述方便起见， 暂规定下列名称的符号。
C
电流电极间的电阻称为输入
C
C
电阻，或者控制内阻。
A
BA
BA B
H
霍耳端子间的电阻，称为输 出电阻或霍耳侧内部电阻。
D
D
λ=∞
λ=7.0 λ=3.0论值 实际值
Ra UH
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
B/T
霍耳电势的负载特性
6、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入 阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳系数和电阻 率（或电导率）与温度的关系。 双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，影响
控制电流作用下，由负载上获得电压。
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。
（4）基本特性
1、直线性：
指霍耳器件的输出电势UH分别和基本参数I、U、B之间呈
线性关系。
2、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏 度、电势灵敏度表示：
UH=KHBI
总之，在交变磁场下，当频率为数十kHz时，可不考虑频 率对器件输出的影响，即使在数MHz时，若能仔细设计气隙 宽度，选用合适元件和导磁材料，仍可保证器件有良好频率
特性。
8、不等位电势
当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁
感应强度为零，则霍尔电势理应为零，但实际不为
零。这时测得的霍尔电势称不等位电势，如图所示。
KH—乘积灵敏度，表示霍耳电势与磁感应强度B和控制电流I 乘积之间的比值，通常以mV/(mA·0.1T)。因霍耳元件的输出 电压要由两个输入量的乘积来确定,故称为乘积灵敏度。
若控制电流值固定，则：
UH＝KBB
KB—磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等于 霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电势 值。常用于磁场测量等情况。
产生原因：
① 霍尔电极安装位置不对称 或不在同一等电位面上；
②半导体材料不均匀造成了电
A
I
C
D
阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；
B
③ 激励电极接触不良造成激
励电流不均匀分布等。
灵敏度。二者相反。
RH/cm2/℃﹒A-1
ρ/7×10-3Ω·cm
250
6
LnAs
200
LnAs
4
150
100 50
LnSb
2
LnSb
0
40
80 120 160 200 T/℃ 0
50
100 150 200 T/℃
霍耳材料的温度特征
（a）RH与温度的关系；（b）ρ与温度的关系
7、频率特性 磁场恒定，通过传感器的电流交变:器件的频率特性很好， 到10kHz时交流输出还与直流情况相同。因此,霍耳器件可 用于微波范围,其输出不受频率影响。 磁场交变。霍耳输出不仅与频率有关，而且还与器件的电 导率、周围介质的磁导率及磁路参数(特别是气隙宽度)等有 关。这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会在其内 部产生涡流的缘故。
霍耳电势UH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。于
是可改写成：
IB UH RH d
RH
1 qn
RH
1 qp
（N型）
（P型）
RH —霍耳系数（m3/C），由载流材料物理性质决定。 I — 控制电流(A);B — 磁感强度(T);d —霍尔元件厚度。
ρ—材料电阻率；μ—载流子迁移率,μ=v/E,即单位电场
UH
RH d
BIKII
同样，若给出控制电压U，由于U=R1I，可得控制电压和霍耳 电势的关系式
UHRR1H dBUK R11UKUU
上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和 霍耳输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项 固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。
（3）霍耳磁敏元件（霍耳器件）