传感器第7章 磁电式传感器知识分享.ppt

第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用磁电感应式传感器又称磁电式传感器,利用电磁感应原理将被测量(振动、位移、转速)转换成电信号的一种传感器第7章 磁电式传感器7.1磁电感应式传感器它不需辅助电源把被测的机械量转成电信号,有源传感器输出功率大且性能稳定,工作带宽(101000 Hz), 应用广 由电磁感应定律, w匝线圈在磁场内运动时,E-wdF/dt7.1.1 磁电感应式传感器工作原理两种磁电传感器: 变磁通式和恒磁通式1、变磁通式：也称变磁阻式或变气隙式第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用图a为开磁路变磁通式，每转动一个齿,磁路磁阻变化一次,磁通也就变化一次, 感应电势变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积图b为闭磁路变磁通式.齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化,引起磁通的变化,线圈产生周期变化的感生电动势这种传感器结构简单,输出信号较小,不宜测量高转速感应电势频率与转速成正比 第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用2、恒定磁通式磁路系统产生恒定直流磁场,磁路中工作气隙固定不变,因而气隙中磁通也是恒定不变的运动部件可以是线圈（动圈式图a）, 运动部件可以是磁铁（动铁式图b）工作原理是完全相同当振动频率远大于固有频率时, 运动部件不随振动体振动, 能量被弹簧吸收,磁铁与线圈间的相对运动速度接近于振动速度, 产生感应电势为 E=-B0lWv典型结构如图第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用主要原因: 传感器线圈有电流I流过时,产生交变磁通I,叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上,使恒定的气隙磁通变化如图所示。

1. 非线性误差传感器线圈相对于磁铁运动速度大时,产生较大感生电势E和电流I产生的附加磁场与原工作磁场方向相反,减弱工作磁场作用, 使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低当线圈的运动速度与图示方向相反时,产生的附加磁场方向与工作磁场同向, 从而增大了传感器的灵敏度线圈运动速度方向不同, 传感器的灵敏度具有不同的数值第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真传感器灵敏度越高,线圈中电流越大, 非线性越严重为补偿上述干扰,在传感器中加入补偿线圈,如图a适当选择补偿线圈参数, 使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通互相抵消, 从而达到补偿的目的第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用温度变化,误差式中右边三项不为零,对铜线每摄氏度变化量为dl/l0.16710-4,dR/R0.4310-2,对铝镍钴永磁合金dB/B-0.0210-2,可得近似值:t(-4.5%)/10 2. 温度误差 补偿通常采用热磁分流器热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成当温度升高时,热磁分流器的磁导率显著下降,分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低, 保持空气隙的工作磁通不随温度变化, 维持传感器灵敏度为常数。

第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用磁电式传感器直接输出感应电势, 且传感器通常具有较高的灵敏度, 所以一般不需要高增益放大器但磁电式传感器是速度传感器, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积分或微分电路 图为一般测量电路方框图7.1.3 磁电感应式传感器的测量电路第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用图为用集成运算放大器组成的积分或微分测量电路传感器1231R223C1R1R4R5C2R3R3SST1T2-+-+U0传感器1231R223C1R1C2R3SSU0第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用左图是动圈式振动速度传感器结构示意图7.1.4 磁电感应式传感器的应用1. 动圈式振动速度传感器工作时,传感器外壳和永久磁铁随物体振动, 芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不振动线圈切割磁力线产生正比于振动速度的感应电动势,线圈的输出通过引线输出到测量电路，测量振动速度参数, 在测量电路中接入积分电路, 则输出电势与位移成正比; 在测量电路中接入微分电路, 则其输出与加速度成正比第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用2. 磁电式扭矩传感器左图是磁电式扭矩传感器的工作原理图第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用在驱动源和负载之间扭转轴的两侧安装有齿形圆盘, 它们旁边装有相应的两个磁电传感器。

磁电传感器的结构见图所示传感器检测元件部分由永久磁场、感应线圈和铁芯组成当齿形圆盘旋转时,引起磁路气隙的变化,磁通量发生变化, 圈中感应出交流电压,频率等于齿数与转数乘积扭矩作用在扭转轴上时,磁电传感器输出的感应电压u1和u2存在相位差这相位差与扭转轴的扭转角成正比传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号 第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器用于电磁测量、压力、加速度、振动等测量7.2 霍尔式传感器1. 霍尔效应7.2.1 霍尔效应及霍尔元件- - - - + + + +huf efmBE在垂直于B的方向上放置一导电板,通电流I,方向如图所示电子受洛仑磁力fm作用，fm大小为：fm=eBv 第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用使金属导电板前面积累电子, 而后面积累正电荷, 从而形成了附加内电场EH, 称霍尔电场, EH=UH/b霍尔电场的出现,使定向运动的电子除受洛仑磁力作用外,还受霍尔电场的作用力,大小为eEH，阻止电荷继续积累当电子所受洛仑磁力与霍尔电场力大小相等、方向相反时,eEH=evB,即EH=vB,达到平衡状态金属板单位体积内电子数为n, 电子定向运动平均速度为v, 则激励电流I=nevbd, 则v=I/bdne得EH=IB/bdne UH=IB/bne,令RH=1/(ne)称为霍尔常数,KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。

则UH=RHIB/d=KHIB霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,灵敏度与霍尔常数RH成正比与厚度d成反比霍尔元件常制成薄片形状 第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用霍尔片材料的要求,有较大的霍尔常数RH, 激励极间电阻R=L/bd, 同时R=UI/I=EL/I=vL/(nevbd),霍尔常数等于霍尔片材料电阻率与电子迁移率的乘积则解得RH=要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率 金属载流子迁移率高,电阻率小;而绝缘材料电阻率极高, 载流子迁移率极低故只有半导体材料适于制造霍尔片N型锗容易加工制造,霍尔系数、温度性能和线性度都较好N型硅的线性度最好, 霍尔系数、温度性能同N型锗相近锑化铟对温度最敏感,低温温度系数大,室温霍尔系数较大砷化铟霍尔系数较小,温度系数也较小,输出特性线性度好第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用霍尔元件的结构简单,由霍尔片、引线和壳体组成,如图a所示2. 霍尔元件基本结构霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四个引线1、1引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。

电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图b b第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用元件自身温升10时所流过的激励电流称为额定激励电流3. 霍尔元件基本特性1） 额定激励电流和最大允许激励电流元件允许最大温升对应的激励电流称为最大允许激励电流使用中选用尽可能大的激励电流, 改善霍尔元件的散热条件, 可以使最大允许激励电流增加2） 输入电阻和输出电阻激励电极间的电阻值称为输入电阻;霍尔电极输出相当于电压源，其内阻输出电阻称为电势电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在205时确定的3） 不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的激励电流为I时,元件所处位置磁感应强度为零时测得的空载霍尔电势称不等位电势第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用产生原因:霍尔电极安装不对称或不在同一等电位面上 材料不均匀造成了电阻率不均匀或几何尺寸不均匀 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等不等位电势也可用不等位电阻表示 r0=U0/IH不等位电势是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压4） 寄生直流电势：在外加磁场为零,霍尔元件用交流激励时,霍尔电极输出的直流电势,称寄生直流电势产生原因 电极接触不良, 形成非欧姆接触, 造成整流效果; 两个霍尔电极大小不对称, 则两个电极点的热容不同, 散热状态不同形成极向温差电势。

寄生直流电势一般在1mV以下, 影响霍尔片温漂的原因5） 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, 霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数它同时也是霍尔系数的温度系数 第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用不等位电势与霍尔电势相当,消除它极困难,须采用补偿4. 霍尔元件不等位电势补偿采用分析电阻的方法来找到不等位电势的补偿方法如图,A、B为激励极,C、D为霍尔极,极分布电阻用R1,R2,R3,R4表示理想情况下,R1=R2=R3=R4,即可取得零位电势为零不等位电阻的存在,此四个电阻值不相等,可将其视为电桥的四个桥臂,则电桥不平衡为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联电阻(图a),或在两个桥臂上同时并联电阻(图b) 第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用霍尔元件的许多参数都具有较大的温度系数当温度变化时, 霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化, 从而使霍尔元件产生温度误差5. 霍尔元件温度补偿减小霍尔元件温度误差, 除用温度系数小的元件或采用恒温措施外,用恒流源供电是有效,可以使霍尔电势稳定减小输入电阻随温度变化引起的激励电流I变化带来的影响霍尔元件的灵敏系数KH随温度变化引起霍尔电势的变化。

它与温度的关系： KH=KH0（1+T）多数霍尔元件的温度系数是正值,它们的霍尔电势随温度升高而增加（1+T）倍同时让激励电流I相应地减小,保持KHI乘积不变, 就抵消了灵敏系数KH增加的影响第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用在图示电路中,初始温度为T0,霍尔元件输入电阻为Ri0,灵敏系数为KH1,分流电阻为Rp0, 得电路中用一个分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极相并联左图是按此设计的一个简单、补偿效果又较好的补偿电路RpUHISIpIH输入电阻随温度升高而增加,旁路分流电阻Rp自动地加强分流, 减少了霍尔元件激励电流I,从而达到补偿的目的当温度升至T时, 电路中各参数变为Ri=Ri0(1+T),Rp=Rp0(1+T)则第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用UH0=UH, KH0IH0B=KHIHB,温度升高T,补偿电路须满足温升前、后霍尔电势不变, 当霍尔元件选定后, 它的输入电阻Ri0和温度系数及霍尔电势温度系数是确定值则:KH0IH0=KHIH略去(T)2得:计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值 为了满足R0及两个条件, 分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合, 这样虽然麻烦但效果很好。

第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用霍尔元件可用于磁感应强度,有功功率,电能参数及位移测量7.2.2 霍尔式传感器的应用1. 霍尔式微位移传感器图a的传感器,其动态范围可达5 mm, 分辨率为 0.001mm图b是一种结构简单的霍尔位移传感器图c是一个由两个结构相同磁路组成的霍尔式位移传感器灵敏度很高,检测的位移量较小,用于微位移量及振动测量第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用2. 霍尔式转速传感器左图是几种不同结构的霍尔式转速传感器磁性转盘上小磁铁数目多少决定了传感器测量转速的分辨率 第7章 磁电式传感器传感器原理及工程应用3. 霍尔计数装置左图是对钢球进行计数的工作示意图和电路图钢球通过霍尔开关传感器时,传感器可输出峰值20mV脉冲电压, 经运算放大器A放大后,驱动半导体三极管VT工作, VT输出端便可接计数器进行计数,并显示检测数值。