传感器原理-速度传感器磁电霍尔.ppt

速度测量概述,1、转速测量中主要考虑的问题,1）被测物体运动的速度范围,超低速(0.102.00r/min) 低速(0.5500r/min) 中高速(2020000r/min) 高速(500200000r/min) 超高速(500600000r/min) 全速(0.10600000r/min),适用的测速 传感器较多,2）被测物体可测点几何形状,例：光轴、齿轮、叶片、带孔、带槽、带销、微型电机,3）环境条件,4）动态/静态时的显示、记录、控制,5）误差、响应时间、输出控制形式,2、转速测量的分类及实现方案,根据传感器安装方式： 1接触式 2非接触式,根据传感器不同： 1磁电 2光电 3霍尔 4磁敏,3、转速测量电路,1）转速测量仪的基本组成：,2）转速测量基本方法,定数采样：这种方法其实是测量单个脉冲的周期或指定个数脉冲的总周期。这种测量脉冲的方法又叫做测周法。 定时采样。这种方法其实是测量单位时间的脉冲个数。这种测量脉冲的方法又叫做测频法。,频率电压转换(f/V),频率转速 N=f/分频数,4、转速传感器的选择原则,测量环境 价格 测量范围 可靠性 系统功耗,单位r/min r/s,一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理,在半导体薄片中通以电流I,在与薄片垂直方向加磁场B，则在半导体薄片的另外两端，产生一个大小与控制电流I和B乘积成正比的电动势，这种现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。,1、霍尔效应,2、霍尔电势,UH KH I B,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/（mAT）,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时，霍耳电势应为：,VH KH I B cos,霍耳器件薄膜化是提高灵敏度的一个途径。,霍尔电压UH为：,式中 n 半导体单位体积中的载流子数,e 电子电量,KH霍尔元件灵敏度，KH1/ned,霍尔器件符号,C、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4mm2mm0.1mm,二材料及结构特点,霍尔元件一般采用具有N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成。,1.锑化铟元件的输出较大，但受温度的影响也较大。,2.锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。,3.砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但是受温度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。,采用砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用。,特点,小结,材料：锗 、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟,灵敏度低、温度特性及线性度好,灵敏度最高、受温度影响大,霍尔元件的主要特性参数：,(1) 输入电阻和输出电阻 输入电阻：控制电极间的电阻 输出电阻：霍尔电极之间的电阻 (2) 额定控制电流和最大允许控制电流 额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在 空气中产生10温升时，对应的控制电流值 最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对 应的控制电流值,(3) 不等位电势Uo和不等位电阻ro,不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。 不等位电势是由霍尔电极2和之间的电阻决定的， r 0称不等位电阻,霍尔元件的主要技术指标,四、霍尔元件连接方式和输出电路,特点：,（1）测量磁物理量、电量及其它物理量 （2）实现乘法运算，构成各种非线性运算部件 （3）输出信号的信噪比大 （4）频率范围宽：直流 数百千赫兹 （5）体积小、重量轻 （6）稳定性好、寿命长,2、霍尔元件连接方式,控制电流端并联 输出电势为：2倍,控制电流端串联 次级绕阻叠加输出,3、霍尔电势的输出电路,四端器件 输出电势：mV量级,五、霍尔元件的测量误差及补偿方法,1、零位误差及补偿,电桥补偿原理：在阻值较大的桥臂上并联电阻,六、霍尔开关集成传感器,集成霍尔元件,和开关型两大类,可分为线性型,1、结构及工作原理,材料：硅 工艺：硅平面工艺,提高灵敏度,N型硅外延层很薄 集成工艺,工作原理：,有磁场：VH，放大，整形： 开启阈值，高电平 VT导通，具有吸收电流的负载能力,磁场减弱：VH 减小，放大，整形： 关闭阈值， 翻转，低电平，VT截止,开状态,关状态,2、工作特性,3、接口电路,4、磁场施加方式,（3）采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度,六、霍尔线性集成传感器,1、结构及工作原理,输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系,构成：霍尔元件、放大器、稳压、 电流放大输出级、失调调整、线性度调整,2、主要技术特性,霍尔线性集成传感器的技术参数,七、霍尔传感器的应用,1、霍尔位移传感器,磁场梯度越大，灵敏度越高 磁场梯度越均匀，输出线性越好,测量范围：1 2 mm,2、磁感应强度测量仪,3、直流功率测量仪,4、转速测量,5、测量电流,测量大直流电流（10kA）：电阻器分流,霍尔元件测量电流：检测通电导线周围的磁场,简单、测量精度差、 受外界干扰大,环形铁芯集中磁力线， 提高电流测量精度,6、测量表面覆盖层厚度,7、自动凭票供水装置,霍尔式传感器的应用实例,霍尔转速测量,霍尔特斯拉计（高斯计）,霍尔元件,霍尔角位移测量,霍尔钳形电流表的使用,叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便,用钳形表测量 电动机的相电流,实验探究1,若闭合电路中有感应电流,电路中就一定有电动势. 演示实验并播放动画 画出等效电路图,实验探究2： 在向线圈中插入条形磁铁的实验中，磁铁的磁场越强、插入的速度越快，产生的感应电流就越大。,实验:电磁感应插磁铁,实验探究3:,一、磁电感应式传感器工作原理,B：稳恒均匀磁场磁感应强度； L：导体有效长度； V：导体相对磁场运动速度。,导体在稳恒均匀磁场中运动,N匝线圈处于变化的磁场中,两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。,开磁路变磁通式：结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。,1、变磁通式,闭磁路变磁通式：感应电势的频率与被测转速成正比。,2、恒定磁通式,2、恒定磁通式,B0：工作气隙磁感应强度； l：每匝线圈平均长度； N：线圈在工作气隙磁场 中的匝数； v：相对运动速度。,二、 磁电感应式传感器基本特性,Rf：测量电路输入电阻； R：线圈等效电阻。,传感器的电流灵敏度为,输出电压和电压灵敏度分别为,为了保证传感器输出的线性度，要保证线圈始终在均匀磁场内运动。,提高灵敏度方法： 选用具有磁能积较大的永久磁铁； 尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度B； 增加和N，但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率等因素的限制。,三、磁电感应式传感器的测量电路,磁电式传感器直