生物医学传感磁电式解析ppt课件.ppt

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1、第九章磁电式传感器8/13/20211上次课回顾一　热电偶传感器(重点）二PN结温度传感器三热释电传感器四　热敏电阻传感器8/13/202128/13/20213磁电式传感器磁电感应效应霍尔效应磁电感应式霍尔式磁电传感器磁场参量电参量本章内容：熟悉磁电感应式传感器工作原理及类型；掌握霍尔效应和霍尔元件的工作原理；理解霍尔元件测量电路原理8/13/20214一、工作原理§9-1磁电感应式传感器8/13/20215式中B——磁场的磁感应强度；l——单匝线圈有效长度；W——有效线圈匝数，指在均匀磁场内参与切割磁力线的线圈匝数；v——线圈与磁场的相对运

2、动速度；θ——线圈运动方向与磁场方向的夹角。1.线圈在磁场中作直线运动永久磁铁产生一个恒定磁场，置于磁场中的线圈作直线运动，这时线圈所产生的感应电势为8/13/20216当θ=90˚时，线圈运动方向与磁场垂直时注：当W，B，l均为常数时，感生电动势的大小与线圈运动的线速度成正比。这就是一般常见的磁电速度计的工作原理。8/13/202172.线圈在磁场中作旋转运动线圈在永久磁铁产生的恒定磁场中作旋转运动，这时线圈所产生的感应电势为式中A——单匝线圈的截面积；ω——角频率；8/13/20218恒磁通式变磁阻式变磁通动圈式动磁式N线速度型角速度型二、

3、结构类型8/13/202191.恒磁通式传感器的结构原理动圈式恒磁通式8/13/202110测速电机8/13/2021118/13/202112动铁式v8/13/2021138/13/2021142.变磁通式传感器的结构原理8/13/202115三、磁电式传感器基本特性磁电传感器的输出电流Io为:磁电式传感器测量电路式中：Rf——测量电路输入电阻；R——线圈等效电阻。8/13/202116传感器的电流灵敏度为传感器的输出电压和电压灵敏度分别为8/13/202117相对误差为:磁电式传感器在使用时存在误差，主要为非线性误差和温度误差。8/13/2

4、021181.非线性误差传感器灵敏度越高，线圈中电流越大，非线性越严重补偿线圈8/13/2021192.温度误差当温度变化时，对铜线而言每摄氏度变化量为dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2，dB/B每摄氏度的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，这样由上式可得近似值如下：相对误差热磁分流器8/13/202120四、磁电式传感器的测量电路直接输出电动势测量速度；接入积分电路测量位移；接入微分电路测量加速度。8/13/202121一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理§9-2霍尔传感器

5、8/13/202122UHbldIFLFEvB工作原理：霍尔电场的强度为EH=vB霍尔电压UH为UH=EHb=vBb8/13/202123流过霍尔元件的电流为I=dQ/dt=bdvn（-e）v=-I/nebd所以：UH=-BI/nedn—N型半导体中的电子浓度p—P型半导体中的空穴浓度P型半导体8/13/202124霍尔系数及灵敏度：N型霍尔系数P型霍尔系数霍尔系数由半导体材料性质决定，且决定霍尔电势的强弱。N型材料电阻率P型材料电阻率8/13/202125讨论：为什么只能用半导体材料作霍尔元件？金属材料电子μ很高但ρ很小；绝缘材料ρ很高但μ很

6、小;故为获得较强霍尔效应，霍尔片全部采用半导体材料制成。电子的迁移率比空穴大，所以以N型半导体居多。8/13/202126霍尔元件灵敏度KH=RH/dUH＝KHIB单位磁感应强度和单位控制电流作用时，所能输出的霍尔电势的大小。单位是mV/（mA·T）意义：与材料的物理性质和几何尺寸有关，决定霍尔电势的强弱。若磁感应强度B的方向与霍尔元件的平面法线夹角为θ时，霍耳电势应为：UH＝KHIBcosθ霍耳器件薄膜化是提高灵敏度的一个途径。8/13/202127【例1】某霍尔元件l×b×d=10×3.5×1mm3，沿l方向通以电流I=1.0mA，在垂直于

7、lb面方向加有均匀磁场B=0.3T，传感器的灵敏度系数为22V/A·T，试求其输出霍尔电势。8/13/202128霍尔器件符号HABCDABCDBACDC、D：霍耳输出端，称为霍尔端或输出端。A、B：电极端，称为元件电流端、控制电流端或输入电流端。红色导线红色导线绿色导线绿色导线一般为4mm×2mm×0.1mm8/13/202129二、霍尔元件的主要技术参数1、额定功耗P0:霍尔元件在环境温度T=250C时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。2、输入电阻和输出电阻Ri：激励电极间的电阻值。Ro：霍尔元件电极间的电阻。3、不等位电势U0：在额定

8、控制电流I下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电势。8/13/2021304、霍尔电势温度系数：在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1℃时，霍尔电