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磁传感器课件.ppt

发布:2017-09-18约1.65万字共79页下载文档
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磁通门磁强计:fluxgate magnetometer 利用变压器的电磁感应效应,通过铁芯将环境磁场调制为交流激励电流的偶次谐波感应电动势,实现对环境磁场的测量。 磁通门磁强计 磁通门磁强计的使用 在磁芯形状、尺寸和电磁参数完全对称的情况下,激磁磁场在感应线圈中的感应电动势互相抵消。而由于环境磁场的存在,使磁芯磁滞回线处于偏置场,使激励磁场引起的磁通量在正负半轴不对称,其感应电动势不抵消,将出现偶次谐波。偶次谐波中主要成分为二次谐波,它与被测磁场成正比,因此可用于检测环境磁场。 磁通门传感器接口ASIC电路工作原理 磁通门电路有两种信号选择法:一种是谐波选择法;另一种是频谱选择法。 谐波选择法亦有两种:一种是偶次谐波法;另一种是二次谐波法。偶次谐波法一般使用差值检波电路,所有奇次谐波自行抵消,检测出所有偶次谐波信号,但其动、静态特性都很差。而对于信号相位各不相同的各次谐波分量而言,同时进行拾取没有必要也很难达到。所以一般只拾取信号的一个谐波分量。对于探头信号的各次谐波分量而言谐波分量次数越高,灵敏度在磁芯饱和深度变化时的稳定度越差,线性度也越差]。因此,为了同时满足高分辨率和高线性度要求,谐波选择法电路通常只拾取探头信号的二次谐波分量,即采用二次谐波法电路。 3.1.2 磁敏电阻器 磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。磁敏电阻的应用范围比较广,可以利用它制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。 一、磁阻效应 当一载流导体置于磁场中,其电阻会随磁场而变化,这种现象被称为磁阻效应。 当温度恒定时,在磁场内,磁阻与磁感应强度 B 的平方成正比。如果器件只有在电子参与导电的简单情况下,理论推导出来的磁阻效应方程为 式中 ρB — 磁感应强度为B时的电阻率; ρ0 — 零磁场下的电阻率; μ — 电子迁移率; B — 磁感应强度。 当电阻率变化为Δρ=ρB -ρ0时,则电阻率的相对变化为: Δρ/ρ0 = 0.273μ2B2 = Kμ2B2。 由此可知,磁场一定时迁移率越高的材料(如InSb、InAs和NiSb等半导体材料),其磁阻效应越明显。 磁场-电流纵向效应 x y z V I B0 一般磁致电阻效应 OMR 各向异性磁致电阻效应 AMR 巨磁致电阻效应 GMR 庞磁致电阻效应 CMR 磁致隧道电阻效应 TMR ? 问题: 非线性响应 磁场饱和 二、磁敏电阻的结构 磁敏电阻通常使用两种 方法来制作:一种是在较 长的元件片上用真空镀膜 方法制成,如右图(a)所 示的许多短路电极(光栅 状)的元件;另一种是在 结晶制作过程中有方向性 地析出金属而制成磁敏电阻,如上图(b)所示。除此之外,还有圆盘形,中心和边缘处各有一电极,如上图(c)所示。磁敏电阻大多制成圆盘结构。 磁阻效应除了与材料有关外,还与磁敏电阻的形状有关。若考虑其形状的影响。电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为 式中:L、b分别为电阻的长和宽; 为形状效应系数。 在恒定磁感应强度下,其长度L与宽度b比越小,则Δρ/ρ0越大。 各种形状的磁敏电阻,其磁阻与磁感应强度的关系如右图所示。由图可见,圆盘形样品的磁阻最大。 磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的,且受温度影响较大;因此,使用磁敏电阻时.必须首先了解如下图所示的持性曲线。然后,确定温度补偿方案。 3.1.3 磁敏二极管和磁敏三极管 霍尔元件和磁敏电阻均是用N型半导体材料制成的体型元件。磁敏二极管和磁敏三极管是PN结型的磁电转换元件,它们具有输出信号大、灵敏度高、工作电流小和体积小等特点,它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。 一、磁敏二根管的结构和工作原理 1.结构 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的一面磨成光滑的复合表面(为I区),另一回打毛,设置成高复合区(为r区),其目的是因为电子 — 空穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通过正向电流后就会在P、I、N结之间形成电流。由此可知,磁敏二极管是PIN型的。 当磁敏二极管末受到外界磁场作用时,外加如下图(a)所示的正偏压,则有大量的空穴从r区通过I区进入N区,同时也有大量电子注入P区而形成电流。只有少量电子和空穴在I区复合掉。当磁敏二极管受到如下图 (b)所示的外界磁场H+(正向磁场)作用时,则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转,由于r区的电子和空穴
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