【正文】 通常有單只使用和互補(bǔ)使用兩種方式 。 它們的磁電特性如圖所示 。 單只使用時(shí) ， 正向磁靈敏度大于反向 ， 磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí) ， 曲線有飽和趨勢(shì)；互補(bǔ)使用時(shí) ， 正 、 反向磁靈敏度曲線對(duì)稱 ， 且在弱磁場(chǎng)下有較好的線性 。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 （ 3） 磁敏二極管的磁靈敏度有三種定義方法 。 1） 在恒流條件下 ,偏壓隨磁場(chǎng)變化 ,電壓相對(duì)磁靈敏度 SU為 式中： U0是磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí) ,磁敏二極管兩端的電壓；UB是磁場(chǎng)強(qiáng)度為 B時(shí) ,磁敏二極管兩端的電壓 。 SU的測(cè)量電路如圖所示 。 %1 0 000 ???BUUUS BuR1RwR2UcEcV 圖 電壓相對(duì)磁靈敏度測(cè)量電路 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 2） 在恒壓條件下 ,偏流隨磁場(chǎng)變化 ,電流相對(duì)磁靈敏度 SI為 式中： I0是給定偏壓下 ,磁場(chǎng)為零時(shí) ,通過(guò)磁敏二極管的電流； IB是給定偏壓下 ,磁場(chǎng)為B時(shí) ,通過(guò)磁敏二極管的電流。SI %10000 ???BIIIS BI圖 電流相對(duì)磁靈敏度測(cè)量電路 V mAE《 傳感器原理及應(yīng)用 》 （ 3） 按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試 ,在給定電源 E和負(fù)載電阻 R的條件下 ,電壓相對(duì)磁靈敏度和電流相對(duì)磁靈敏度被定義為 式中： U0、 I0是磁場(chǎng)為零時(shí) ,磁敏二極管兩端的電壓和流過(guò)的電流； UB、IB是磁場(chǎng)為 B時(shí) ,磁敏二極管兩端的電壓和通過(guò)的電流 。 測(cè)定 SRU和 SRI的電路如圖所示 。 %1 0 0%1 0 00000??????BIIISBUUUSBRIBRu圖 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法電路原理圖 V mAERUc《 傳感器原理及應(yīng)用 》 3. 磁敏二極管的溫度特性及其補(bǔ)償 一般情況下，磁敏二極管受溫度影響較大，即在一定測(cè)試條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量 ?U， 或者在無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)，中點(diǎn)電壓 Um 隨溫度變化較大。其溫度特性如圖所示。因此，在實(shí)際使用時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 － 20 0 20 40 60 80－ 1－ 2－ 3－ 4－ 50 . 20 . 40 . 60 . 8? UE ＝ 6 VH ＝ 1 k G sI?U / VI / mAT / ℃《 傳感器原理及應(yīng)用 》 ① 互補(bǔ)式溫度補(bǔ)償電路 為了補(bǔ)償單只磁敏二極管使用時(shí)，因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生輸出電壓的變化，可以采用互補(bǔ)電路。在互補(bǔ)電路中選用兩只性能相近的磁敏二極管，按相反磁極性組合，即將它們的磁敏面相對(duì)或背向放置，并把它們串接在電路中，就可形成互補(bǔ)電路。無(wú)論溫度如何變化，其分壓比總保持不變，輸出電壓 Um 隨溫度變化而始終保持不變，這樣就達(dá)到了 溫度補(bǔ)償 的目的。 ? 互補(bǔ)電路還能 提高磁靈敏度 。 背向聯(lián)接 補(bǔ)償電路 等效電路 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 例如，當(dāng)磁敏二極管 D1 在 +1 kGs 磁場(chǎng)作用時(shí)，其等效電阻 R1 增加 ?R1 ，相應(yīng)電壓變化量為 ?U1＋ ；同時(shí)，由于磁敏二極管 D2 磁極性反向安置，因而，受到 1kGs 磁場(chǎng)作用，等效電阻 R2 減少 ?R2，相應(yīng)電壓變化量為 ?U2－ ；。因此總的輸出電壓變化量為 ?Um= ?U1＋ ＋ ?U2－ 。 ? 在同樣磁場(chǎng)作用下，互補(bǔ)使用比單管使用輸出電壓變化量增大，即磁靈敏度提高。 ② 差分式電路 差分電路不僅能很好地實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償 ， 提高靈敏度 ， 而且還可以彌補(bǔ)互補(bǔ)電路的不足 (具有負(fù)阻現(xiàn)象的磁敏二極管不能用作互補(bǔ)電路 )。如果電路不平衡 ， 可適當(dāng)調(diào)節(jié)電阻 R1 和 R2 。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 ③ 全橋電路 將兩個(gè)互補(bǔ)電路并聯(lián)而成 。 和互補(bǔ)電路一樣 ， 其工作點(diǎn)只能選在小電流區(qū) ， 且不能使用有負(fù)阻特性的管子 。 該電路在給定的磁場(chǎng)下 ，其 輸出電壓是差分電路的兩倍 。 由于 要選擇四只性能相同的磁敏二極管 ， 因此 ， 給實(shí)際使用帶來(lái)一些困難 。 ④ 熱敏電阻補(bǔ)償電路 該電路是利用熱敏電阻隨溫度的變化 ， 而使 Rt和 D的分壓系數(shù)不變 ， 從而實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償 。熱敏電阻補(bǔ)償電路的成本略低于上述三種溫度補(bǔ)償電路 ， 因此是常被采用的一種溫度補(bǔ)償電路 。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 三、磁敏三極管 1. 磁敏三極管的結(jié)構(gòu) 硅磁敏三極管和鍺磁敏三極管均屬雙極性長(zhǎng)基區(qū)晶體管結(jié)構(gòu)。 在弱 P 型或弱 N 型本征半導(dǎo)體上用合金法或擴(kuò)散法形成發(fā)射極、基極和集電極。其最大特點(diǎn)是基區(qū)較長(zhǎng)，基區(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管，也有高復(fù)合速率的 r 區(qū)和本征 I 區(qū)。長(zhǎng)基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 2. 磁敏三極管的工作原理 ? 當(dāng)磁敏三極管未受到磁場(chǎng)作用時(shí)（圖 c）， be間加一定的偏壓后，發(fā)射結(jié)的載流子分別飛向兩個(gè)基區(qū)。由于基區(qū)長(zhǎng)度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，大部分載流子通過(guò) eIb形成基極電流；少數(shù)載流子輸入到 c極。因而形成了基極電流大于集電極電流的情況，使 1??bcII?? 當(dāng)受到正向磁場(chǎng) ( B+ )作用時(shí)（圖 d），洛侖茲力使載流子偏向復(fù)合基區(qū)，導(dǎo)致集電極電流顯著下降。 ? 當(dāng)受到反向磁場(chǎng) ( B－ )作用時(shí)（圖 e），載流子偏向輸運(yùn)基區(qū)，導(dǎo)致集電極電流增大。 在正、反向磁場(chǎng)作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化 。 這樣就可以利用磁敏三極管來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)、電流、轉(zhuǎn)速、位移等物理量。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 3. 磁敏三極管的主要特性 （ 1） 伏安特性 磁敏三極管的伏安特性類似普通晶體管的伏安特性曲線。圖（ a）為不受磁場(chǎng)作用時(shí)，磁敏三極管的伏安特性曲線；圖（ b）是磁場(chǎng)為?（ kGs）、基極電流為 3mA時(shí)的伏安特性曲線。由該圖可知，磁敏三極管的電流放大倍數(shù)小于 1 ，但其集電極電流有很高的磁靈敏度。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 （ 2） 磁電特性 磁敏三極管的磁電特性是在給定條件下，集電極電流的變化與外加磁場(chǎng)的關(guān)系，常用磁靈敏度表示，它是磁敏三極管應(yīng)用的基礎(chǔ)。 例如，國(guó)產(chǎn) NPN型 3BCM（鍺）磁敏三極管的磁電特性，在弱磁場(chǎng)作用下，曲線接近一條直線。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 （ 3） 溫度特性及其補(bǔ)償 磁敏三極管對(duì)溫度比較敏感 ， 實(shí)際使用時(shí)必須采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行溫度補(bǔ)償 。 對(duì)于鍺磁敏三極管 ， 其磁靈敏度的溫度系數(shù)為 ％ ／ ℃ ；硅磁敏三極管磁靈敏度的溫度系數(shù)為－ ％ ／ ℃ 。 對(duì)于硅磁敏三極管可用正溫度系數(shù)的普通硅三極管來(lái)補(bǔ)償因溫度而產(chǎn)生的集電極電流的漂移 ， 如圖 （ a） 所示 。當(dāng)溫度升高時(shí) ， BG1 管集電極電流 Ic1 增加 ， 導(dǎo)致 BGm 管的集電極電流也增加 ， 從而補(bǔ)償了 BGm 管因溫度升高而導(dǎo)致 Ic 的下降 。 圖（ b）是利用鍺磁敏二極管電流隨溫度升高而增加的這一特性使其作硅磁敏三極管的負(fù)載，從而當(dāng)溫度升高時(shí)，彌補(bǔ)了硅磁敏三極管的負(fù)濕度漂移系數(shù)所引起的電流下降的問(wèn)題。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 長(zhǎng)基區(qū)磁敏三極管的截止頻率主要取決于載流子渡越基區(qū)的時(shí)間。 3CCM型硅磁敏三極管對(duì)可變磁場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間約為 ?s，截止頻率為 ； 3BCM型鍺磁敏三極管對(duì)可變磁場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間為 l?s，截止頻率為 1MHz左右。 （ 4） 頻率特性 除此之外，還可以采用兩只特性一致、磁極相反的磁敏三極管組成的差分電路，如圖（ c）所示，這種電路既可以提高磁靈敏度，又能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，它是一種行之有效的溫度補(bǔ)償電路。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 1. 位移測(cè)量 磁敏二極管組成電橋 ， 磁鐵處于磁敏元件之間 ， 中間位置時(shí)輸出電壓U0=0；位移時(shí)各磁敏元件感受的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同 ， 電阻也不一樣 ， 電橋失衡 ， 輸出與位移有關(guān) 。 位移方向相反輸出極性變化 ， 可判別位移大小和方向 。 四 、磁敏晶體管的應(yīng)用 U0 E D1 D2 D3 D4 S N 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 2. 渦輪流量計(jì) 利用磁敏二極管或三極管對(duì)磁鐵周期性地接近或遠(yuǎn)離，則可輸出頻率信號(hào)。若采用磁性齒輪，則磁敏二極管或三極管的輸出波形近似正弦波，其頻率與齒輪的轉(zhuǎn)速成正比。 傳感器安裝在與渦輪相垂直的位置上，利用轉(zhuǎn)速與流量成比例的關(guān)系，可以測(cè)量流量。這種傳感器的低速特性很好，因此無(wú)論流量大小都能很好計(jì)量。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 3. 磁敏二極管漏磁探傷儀 磁敏二極管漏磁探傷儀是利用磁敏二極管可以檢測(cè)弱磁場(chǎng)變化的特性而設(shè)計(jì)的 。 漏磁探傷儀由激勵(lì)線圈 鐵芯 放大器 磁敏二極管探頭 5等部分構(gòu)成。將待測(cè)物（如鋼棒 1）置于鐵芯之下，并使之不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，在鐵芯線圈激磁后，鋼棒被磁化。若待測(cè)鋼棒無(wú)損傷部分在鐵芯之下時(shí)，鐵芯和鋼棒被磁化部分構(gòu)成閉合磁路，激勵(lì)線圈感應(yīng)的磁通為 ?，此時(shí)無(wú)泄漏磁通，磁場(chǎng)二極管探頭沒(méi)有信號(hào)輸出。若鋼棒上的裂紋旋至鐵芯下，裂紋處的泄 漏磁通作用于探頭，探頭將泄漏磁通量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)放大器放大輸出，根據(jù)指示儀表的示值可以得知待測(cè)棒中的缺陷。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 本章要點(diǎn)： ? 磁電感應(yīng)式傳感器（電動(dòng)式） 工作原理、 基本特性和應(yīng)用； ? 霍爾式傳感器原理、霍爾傳感器的應(yīng)用、 霍爾集成傳感器； ? 磁敏傳感器， 磁敏電阻器、磁敏二極管、 磁敏三極管。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 試述磁電感應(yīng)式振動(dòng)傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式。 什么是霍爾效應(yīng)？霍爾元件常用材料有哪些？為什么不用金屬做霍爾元件材料？ 霍爾元件不等位電勢(shì)產(chǎn)生的原因有哪些？ 某一霍爾元件尺寸為 沿 L方向通以電流，在垂直于 L和 b的方向加有均勻磁場(chǎng)B，靈敏度為 22V()，試求輸出霍爾電勢(shì)及載流子濃度。 思考題和習(xí)題 1 0 , 3 . 5 , 1 . 0 , 1 . 0 , 0 . 3L m m b m m d m m I m A B T? ? ? ? ?