传感器--磁电式
传感器与检测技术,白城师范学院机电系,主讲：王 刚,Sensor Principle & Detecting Technology,第5章 磁电式传感器,5.1 磁电感应式传感器5.2 霍尔式传感器本章要点,下页,返回,磁电式传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。磁电感应式传感器、霍尔式传感器都是磁电式传感器。磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电势的；霍尔式传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应(霍尔效应)而输出电势的。它们原理并不完全相同，因此各有各的特点和应用范围。,图库,5.1 磁电感应式传感器,下页,上页,返回,工作原理和结构类型动态特性分析测量电路磁电感应式传感器应用举例,磁电感应式传感器也称为电动式传感器，或感应式传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势的。因此它是一种机一电能量换型传感器，不需供电电源，是直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出。,图库,5.1.1 工作原理和结构类型,磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的，根据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁链对时间的变化率，即,下页,上页,返回,W-线圈匝数：-线圈所包围的磁通量。,若线圈相对磁场运动为速度v或角转度时，则式(5-1)可改写为 e-WBlv 或 e-WBs在传感器中，当结构参数确定后即B、l、W、s均为定值，那么感应电势e与线圈相对磁场的运动速度(v或)成正比。 根据上述原理。人们设计了两种类型的结构：一种是变磁通式；另一种是恒定磁通式。,图5-1 变磁通式磁电感应式传感器结构原理图图5-2 恒定磁通路电感应式传感器结构原理图,图库,下页,上页,机械阻抗 传递矩阵传感器机械阻抗的传递矩阵理想传感器的传递矩阵传感器电阻抗的传递矩阵 实际传感器的传递矩阵传递函数,磁电感应式传感器只适用于测量动态物理量，因此动态特性是这种传感器的主要性能。应用机械阻抗概念分析机械振动系统有很多方便之处。可以用简单的代数方法解出描述系统动态特性的传递函数方程，而不必去解微分方程，但分析的结果则完全一致。,5.1.2 动态特性分析,图5-3 理想传感器基本框图图5-4 实际传感器基本框图图5-5 二阶机械系统和二阶电路系统图5-6 磁电感应式传感器的二端口网络框图图5-7 磁电感应式传感器二端口网络的等效方框图图5-8 磁电感应式传感器的幅频特性,返回,图库,5.1.3 测量电路,测量电路的方框图 磁电感应式传感器直接输出感应电势。所以任何具有一定工作频带的电压表或示波器都可采用。并且由于该传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要增益放大器。但磁电感应式传感器是速度传感器，如要获取位移或加速度信号，就需配用积分电路或微分电路。积分电路微分电路,图5-9 磁电感应式传感器测量电路方框图,图5-10 无源积分电路,图5-11 有源积分电路,图5-12 无源和有源积分电路的对数渐近幅频特性,图5-13 一个实用的有源积分电路,图5-14 无源微分电路,图5-15 基本有源微分电路,图5-16 实用有源微分电路,图5-17 有源微分电路的幅频特性,下页,上页,返回,图库,5.1.4 磁电感应式传感器应用举例,下页,上页,磁电感应式振动速度传感器 磁电感应式转速传感器,图5-18 CD-1型振动速度传感器,图5-19 磁电感应式转速传感器,返回,图库,5.2 霍尔式传感器,下页,上页,返回,霍尔效应和霍尔元件材料霍尔元件构造及测量电路霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的补偿电路霍尔式传感器的应用举例,霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量、如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。,图库,5.2.1霍尔效应和霍尔元件材料,下页,上页,返回,霍尔效应 一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，如图5-20所示。当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH。这种现象称为霍尔效应。霍尔式传感器是由霍尔元件所组成。霍尔元件材料 1锗(Ge)，N型及P型均可。 2硅(Si)N型及P型均可。3砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相似。,图5-20 霍尔效应原理图,图库,5.2.2 霍尔元件构造及测量电路,下页,上页,霍尔元件结构:霍尔片四极引线壳体测量电路 霍尔元件的基本测量电路如图5-22所示。 激励电流由电源E供给，可变电阻RP用来调节激励电流I的大小。RL为输出霍尔电势UH的负载电阻。通常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。,图5-21 霍尔元件,图5-22 霍尔元件的基本测量电路,返回,图库,5.2.3 霍尔元件的主要技术指标,下页,上页,霍尔元件的主要技术指标:额定激励电流IH 使霍尔元件温升10所施加的控制电流值称为额定激励电流。通常用IH表示。输入电阻Ri 它是指控制电流极间的电阻值。它规定要在室温(20±5)的环境温度中测取。 输出电阻Rs 它是指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在(20±5)的条件下测取。不等位电势及零位电阻r0 当霍尔元件通以控制电流IH而不加外磁场时，它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势就称为不等位电势(或零位电势)。,返回,图库,5.2.3 霍尔元件的主要技术指标,下页,上页,霍尔元件的主要技术指标:寄生直流电势 当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时，霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和。其中的交流霍尔电势与前述零位电势相对应，而直流霍尔电势是个寄生量，称为寄生直流电势V。热阻RQ 它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输入lmW的电功率时产生的温升，单位为CmW。所以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定条件下与电阻有关。,返回,图库,5.2.4 霍尔元件的补偿电路,下页,上页,不等位电势的补偿 温度补偿 分流电阻法 电桥补偿法测量电路,图5-23 不等位电势的补偿电路,图5-24 采用分流电阻法的温度补偿电路,图5-25 桥路补偿法的温度补偿电路,返回,图库,5.2.5 霍尔式传感器的应用举例,下页,上页,霍尔式位移传感器霍尔式压力传感器,图5-26 霍尔式位移传感器原理示意图,图5-27 霍尔式压力传感器结构原理图及磁钢外形,返回,图库,第5章 本章要点,磁电感应式传感器工作原理和结构类型霍尔式传感器霍尔效应和霍尔元件材料霍尔元件构造及测量电路霍尔元件的补偿电路,结束,上页,返回,图库,
