磁电式传感器资料PPT学习教案

1、会计学1磁电式传感器资料磁电式传感器资料 磁敏传感器是通过磁敏传感器是通过磁电作用磁电作用将被测量（如振动、将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。 本章主要介绍本章主要介绍: 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 霍尔传感器霍尔传感器第1页/共51页7.1 7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁电感应式传感器是利用磁电感应式传感器是利用电磁感应原理电磁感应原理，将运动，将运动速度转换成线圈中的感应电势输出。速度转换成线圈中的感应电势输出。 特点特点: 1) 1) 工作不需要外加电源，而是直接从被测物体吸取机工作不需要外加电源，而是直

2、接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出，这是一种典型的发电型械能量并转换成电信号输出，这是一种典型的发电型传感器。传感器。 2) 2) 传感器输出功率大，简化了配用的二次仪表电路。传感器输出功率大，简化了配用的二次仪表电路。 3) 3) 它的性能稳它的性能稳定，还可以针对使用对象做成不同的定，还可以针对使用对象做成不同的结构形式。结构形式。 第2页/共51页 根据电磁感应定律，线圈两端的感应电势根据电磁感应定律，线圈两端的感应电势e正正比于匝链线圈的磁通的变化率，即比于匝链线圈的磁通的变化率，即 匝链线圈的磁通；匝链线圈的磁通；W线圈匝数。线圈匝数。 dtdWe第3页/共51页 若线圈在恒

3、定磁场中作直线运动并切割磁力线若线圈在恒定磁场中作直线运动并切割磁力线时，则线圈两端产生的感应电势时，则线圈两端产生的感应电势e为为 式中：式中：W 线圈的有效匝数；线圈的有效匝数； B磁场的磁感应强度；磁场的磁感应强度； l每匝线圈的平均长度。每匝线圈的平均长度。 x线圈与磁场相对运动的位移；线圈与磁场相对运动的位移；v线圈与磁场相对运动的速度；线圈与磁场相对运动的速度；线圈运动方向与磁场方向之间的夹角；线圈运动方向与磁场方向之间的夹角；当当=90o（线圈垂直切割磁力线）时，有：（线圈垂直切割磁力线）时，有： eWBlv=sinsinWBlvdtdxWBle第4页/共51页 若线圈相对磁场作

4、旋转运动切割磁力线，感若线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线，感应电势为应电势为 式中，式中， 旋转运动的相对角速度；旋转运动的相对角速度； S 每匝线圈的截面积。每匝线圈的截面积。 线圈平面的法线方向与磁场方向间的夹角。线圈平面的法线方向与磁场方向间的夹角。sinsinWBSdtdWBSedtd当当=90o时，可写成时，可写成 eWBSw=第5页/共51页 由上可见：当传感器的结构确定后，由上可见：当传感器的结构确定后，B、S、W、 均为定值，因此，感应电势均为定值，因此，感应电势e与相对速度与相对速度 v（或（或 ）成正比。成正比。 根据上述基本原理，磁电式传感器可分为两种根据上述基本原理，磁

5、电式传感器可分为两种基本类型基本类型 ：变磁通式变磁通式恒定磁通式恒定磁通式第6页/共51页1 1变磁通式变磁通式 永久磁铁与线圈均不动，感应电势是由变化的永久磁铁与线圈均不动，感应电势是由变化的磁通产生的。如图磁通产生的。如图7-1所示的转速传感器。所示的转速传感器。 结构特点结构特点 永久磁铁、线圈和外壳永久磁铁、线圈和外壳均固定不动，齿轮安装在被均固定不动，齿轮安装在被测旋转体轴上。当齿轮转动测旋转体轴上。当齿轮转动时，齿轮与软铁磁轭之间的时，齿轮与软铁磁轭之间的气隙距离随之变化，从而导气隙距离随之变化，从而导致气隙磁阻和穿过气隙的主致气隙磁阻和穿过气隙的主磁通发生变化。磁通发生变化。

6、结果在线圈结果在线圈中感应出电势。中感应出电势。第7页/共51页 图图 (b)为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。，内外齿轮齿数相同。 当转轴连接到被测转轴上时当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。

7、显然，感应电势的频率与被测转速成感应电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。正比。 第8页/共51页2 2恒定磁通式恒定磁通式 工作气隙中的磁通保持不变，而线圈中的感应电工作气隙中的磁通保持不变，而线圈中的感应电势是由于工作气隙中的线圈相对永久磁铁运动，并切势是由于工作气隙中的线圈相对永久磁铁运动，并切割磁力线产生的，输出感应电势与相对速度成正比。割磁力线产生的，输出感应电势与相对速度成正比。 第9页/共51页 磁电式振动传感器由永久磁铁（磁钢）、线圈、弹磁电式振动传感器由永久磁铁（磁钢）、线圈、弹簧、阻尼器和壳体等组成，如图簧、阻尼器和壳体等组成，如图7-2所示。所示。按活动部件是磁铁

8、还是线圈：动钢型和动圈型。按活动部件是磁铁还是线圈：动钢型和动圈型。 磁电式振动传感器的工作原理磁电式振动传感器的工作原理第10页/共51页永久磁铁相当于二阶系统中的质量永久磁铁相当于二阶系统中的质量 块块m；阻尼阻尼c大多是由金属线圈骨架在磁场中运动产生的大多是由金属线圈骨架在磁场中运动产生的电磁阻尼提供的，有的传感器还兼有空气阻尼器；电磁阻尼提供的，有的传感器还兼有空气阻尼器；测量结构振动时传感器壳体刚性地固定在振动物体测量结构振动时传感器壳体刚性地固定在振动物体上，传感器壳体随物体一起振动。上，传感器壳体随物体一起振动。 它是一种典型的二阶传感器，可它是一种典型的二阶传感器，可以用一个由

9、集中质量以用一个由集中质量m、集中弹簧、集中弹簧K和和集中阻尼器集中阻尼器C组成的二阶系统来表示组成的二阶系统来表示，如右图，如右图第11页/共51页磁电式传感器接入测量电路时，若测量电路输入电阻为磁电式传感器接入测量电路时，若测量电路输入电阻为Ri，则输出电流，则输出电流i0 为为 00oiW B l viRR=+式中，式中，R线圈电阻。线圈电阻。电流灵敏度电流灵敏度Si为为o 0i0iiW B lSvRR=+电压灵敏度电压灵敏度Su为为iu 0iRSW B lRR=+2 基本特性基本特性第12页/共51页第13页/共51页 当传感器的工作环境温度发生变化，或受到外当传感器的工作环境温度发生

10、变化，或受到外界磁场的干扰，或受到机械振动和冲击时，其灵敏度界磁场的干扰，或受到机械振动和冲击时，其灵敏度都将发生变化而产生测量误差。相对误差公式如下：都将发生变化而产生测量误差。相对误差公式如下： 0ii0ddddBlSRSBlR3 磁电式传感器的误差磁电式传感器的误差1 1温度误差温度误差 第14页/共51页补偿的办法是采用热磁分流器。补偿的办法是采用热磁分流器。 热磁分流器由具有热磁分流器由具有很大负温度系数很大负温度系数的特殊磁性的特殊磁性材料做成，它在正常工作温度下将空气磁通分路掉材料做成，它在正常工作温度下将空气磁通分路掉一小部分。当温度升高时热磁分流器的磁导率显著一小部分。当温度

11、升高时热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工下降，经它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，从而保持空气隙中的工作磁通作温度下显著降低，从而保持空气隙中的工作磁通不随温度变化，维持传感器的灵敏度为一常数。不随温度变化，维持传感器的灵敏度为一常数。第15页/共51页2 2磁电式传感器的非线性误差磁电式传感器的非线性误差主要原因：主要原因： 当磁电式传感器在进行测量时，传感器线圈当磁电式传感器在进行测量时，传感器线圈会有电流流过，这时线圈会产生一定的交变磁通，会有电流流过，这时线圈会产生一定的交变磁通，此交变磁通会叠加在永久磁铁产生的传感器工作磁此交变磁通

12、会叠加在永久磁铁产生的传感器工作磁通上，导致气隙磁通变化。通上，导致气隙磁通变化。 这种影响分为两种情况这种影响分为两种情况:附加电场与工作电场附加电场与工作电场方向相同（灵敏度增大方向相同（灵敏度增大），或反之。），或反之。 第16页/共51页 为了补偿这种磁场为了补偿这种磁场效应，常在传感器中加入效应，常在传感器中加入“补偿线圈补偿线圈”。“补偿线圈补偿线圈”原理图如图原理图如图7-4所示。所示。第17页/共51页3 3永久磁铁的不稳定性误差永久磁铁的不稳定性误差 当测量电路的输入电阻当测量电路的输入电阻RiRiR R时，磁电式传感器的时，磁电式传感器的电压灵敏度电压灵敏度SuSu可近似写

13、成可近似写成u 0SW B l=误差公式可写成误差公式可写成00ddBlBl 此时永久磁铁的稳定性将成为误差的决定性因素此时永久磁铁的稳定性将成为误差的决定性因素，因为永久磁铁磁感应强度的稳定性直接影响工作气，因为永久磁铁磁感应强度的稳定性直接影响工作气隙中的磁感应强度的稳定性。隙中的磁感应强度的稳定性。第18页/共51页 永久磁铁的磁性能会随着时间的推移而发生变永久磁铁的磁性能会随着时间的推移而发生变化，为提高永磁材料的时间稳定性，永磁材料在充磁化，为提高永磁材料的时间稳定性，永磁材料在充磁前需要先进行退火处理消除内应力。前需要先进行退火处理消除内应力。 为了提高永久磁铁耐受机械冲击或振动的

14、能力，为了提高永久磁铁耐受机械冲击或振动的能力，可以事先使永久磁铁经受约上千次的机械振动或冲击可以事先使永久磁铁经受约上千次的机械振动或冲击的环境实验，最后使材料的组织结构稳定下来。的环境实验，最后使材料的组织结构稳定下来。 经过这些稳定措施之后，磁电式传感器的灵敏度就经过这些稳定措施之后，磁电式传感器的灵敏度就可以稳定在某一数值上可以稳定在某一数值上 ，不随环境的变化而变化，可，不随环境的变化而变化，可以提高测量精度，减小测量误差。以提高测量精度，减小测量误差。第19页/共51页第20页/共51页第21页/共51页第22页/共51页EBDv244VDDEqvK EB第23页/共51页 霍尔式

15、传感器是基于霍尔式传感器是基于霍尔效应霍尔效应将被测量（如电流、将被测量（如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等）转换成电动势输磁场、位移、压力、压差、转速等）转换成电动势输出的一种传感器。出的一种传感器。 霍尔式传感器特点霍尔式传感器特点: : 优点优点: :结构简单、体积小、坚固、频率响应宽结构简单、体积小、坚固、频率响应宽（从直流到微波）、动态范围（输出电动势的变化）（从直流到微波）、动态范围（输出电动势的变化）大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化集成化 。 缺点：缺点：转换率较低、温度影响大、要求转换精转换率较低、温度影响大

16、、要求转换精度较高时必须进行温度补偿度较高时必须进行温度补偿 。第24页/共51页7.2.1 7.2.1 霍尔效应霍尔效应图图7-5 7-5 霍尔效应霍尔效应N N型半导体簿片：型半导体簿片：长度长度l l 、宽度、宽度w w、厚度、厚度d d位于磁感应强度为位于磁感应强度为B B的磁的磁场中，场中，B B垂直于垂直于l-wl-w平面。平面。沿沿l l 通电流通电流I I。UHwldIFBFHvBEHabcd 半导体薄片置于磁场强度为半导体薄片置于磁场强度为B B的磁场中，磁场方的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流流过薄片时，在垂直于电流向垂直于薄片，当有电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的

17、方向上将产生电动势，这种现象称为和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效霍尔效应，应，该电动势称为该电动势称为霍尔电势霍尔电势，上述半导体薄片称为，上述半导体薄片称为霍霍尔元件。尔元件。第25页/共51页当当N N型半导体通电流型半导体通电流I I时，半导体中电子受到洛伦兹力时，半导体中电子受到洛伦兹力 evBFBweUeEFHHH霍尔电场产生的电场力霍尔电场产生的电场力FH为为当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有 故霍尔电场的强度为故霍尔电场的强度为evBeEHBvEH第26页/共51页流过霍尔元件的电流流过霍尔元件的电流为为 所

18、以：所以：dIBRUHHR RH H被定义为霍尔元件的被定义为霍尔元件的霍尔系数霍尔系数。显然，霍尔系数由显然，霍尔系数由半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。 1) 1) 当电子运动的方向与外磁场强度的方向相互垂直时当电子运动的方向与外磁场强度的方向相互垂直时，则有霍尔电势，则有霍尔电势BvwUHwdvnedtdQInewdIv n n是单位体积中的载流子数是单位体积中的载流子数nedBIUHneRH1第27页/共51页dRKHH设设IBKUHHK KH H即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔

19、元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小的大小. .单位是单位是mV/mV/（mATmAT）nedKH1第28页/共51页结论：结论： 霍尔器件的灵敏度，不仅与霍尔器件的材料有关，霍尔器件的灵敏度，不仅与霍尔器件的材料有关，还与尺寸有关。还与尺寸有关。 当外界磁场强度当外界磁场强度B B和激励电流和激励电流I I中的一个量为常数中的一个量为常数而另一个为输入量时，则输出霍尔电势正比于而另一个为输入量时，则输出霍尔电势正比于B B或或I I。当当B B和和I I均为输入变量时，则输出霍尔电势正比于均为输入变量时，则输出霍尔电势正比于B

20、B和和I I的乘积。的乘积。 2） 如果磁场方向与半导体簿片法线方向不垂直，如果磁场方向与半导体簿片法线方向不垂直，其角度为其角度为，则霍尔电势为，则霍尔电势为 HHcosUK IBa=第29页/共51页 霍尔元件的外形如图霍尔元件的外形如图7-6所示，它是由霍尔片、所示，它是由霍尔片、4根引线和壳体组成，如图根引线和壳体组成，如图7-6（b）所示。）所示。 7.2.2 7.2.2 霍尔元件霍尔元件第30页/共51页7.2.3 7.2.3 霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件的测量误差和补偿1 1. . 不等位电势的产生不等位电势的产生及补偿方法及补偿方法定义定义：霍尔元件在额定激励电流作用下，不

21、加外磁场：霍尔元件在额定激励电流作用下，不加外磁场时，霍尔电极间的空载电势时，霍尔电极间的空载电势U Uo o，称为，称为不等位电势不等位电势，它，它是一个主要的零位误差。是一个主要的零位误差。产生原因：产生原因： 1 1）在制作霍尔元件时，两个霍尔电极不可能保证）在制作霍尔元件时，两个霍尔电极不可能保证装在同一等位面上，如图装在同一等位面上，如图7-77-7所示；所示； 2 2）霍尔元件材料的电阻率不均，霍尔片的厚度、宽）霍尔元件材料的电阻率不均，霍尔片的厚度、宽度不一致，电极与片子的接触不良等也会产生不等位度不一致，电极与片子的接触不良等也会产生不等位电势。电势。第31页/共51页 图图7

22、-7 7-7 不等位电势不等位电势图图7-8 7-8 霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路AIU0BCDDAR1R2BCR3R4第32页/共51页不等位电势几种常用补偿方法不等位电势几种常用补偿方法WCDAR2R3R4R1BWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（ a ） （ b ） （c）图图7-9 不等位电势的补偿电路不等位电势的补偿电路WABCDWABCD (b)WCABD第33页/共51页2 2温度误差及补偿温度误差及补偿 霍尔元件与一般半导体元件一样，对温度的变化霍尔元件与一般半导体元件一样，对温度的变化是很敏感的。这是因为霍尔元件的是很敏感的。这是因为霍尔元件的电阻率

23、、载流子迁电阻率、载流子迁移率、浓度移率、浓度等都是温度的函数。因此，在工作温度变等都是温度的函数。因此，在工作温度变化时，它的一些特性参数，如内阻、霍尔电势等都要化时，它的一些特性参数，如内阻、霍尔电势等都要发生相应的变化，从而使霍尔传感器产生温度误差，发生相应的变化，从而使霍尔传感器产生温度误差，必须采用适当电路进行补偿。必须采用适当电路进行补偿。 第34页/共51页温度补偿温度补偿 （1 1）输入端并联电阻法）输入端并联电阻法 由由 ，因，因Ri随温度变化，随温度变化，影响流过影响流过Ri的控制电流的控制电流IH。现。现采采用恒流源供电用恒流源供电，使总电流，使总电流I保持不保持不变。为

24、补偿变。为补偿IH和和KH随温度的变化，随温度的变化，可在输入端并联一适当的电阻可在输入端并联一适当的电阻RP，如图如图7-10所示。所示。HHUK IB=图图7-10 7-10 输入端输入端并联电阻补偿并联电阻补偿第35页/共51页0(1)HHKKT0000IPPHRRIRI)1 (0TRRII)1 (0TRRPP)1 ()1 ()1 (000TRTRITRRRIRIPIPPIPHHHHHIKIK0000)(IPRR第36页/共51页（2 2）采用热敏元件法）采用热敏元件法 图图7-11给出了几种最常用的补偿电路的例子。给出了几种最常用的补偿电路的例子。 图图7-117-11采用热敏元件的温

25、度误差补偿电路采用热敏元件的温度误差补偿电路第37页/共51页练习练习第38页/共51页7.2.4 7.2.4 集成霍尔传感器集成霍尔传感器 集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传件和测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此路三位一体。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功

26、耗低等优点。功耗低等优点。第39页/共51页1 1）霍尔式传感器按被测量的性质可分成电量型和非电）霍尔式传感器按被测量的性质可分成电量型和非电量型两大类，电量型又有量型两大类，电量型又有电流型、电压型电流型、电压型两类；非电两类；非电量型按用途可分为量型按用途可分为开关型（用于控制）和线性型（用开关型（用于控制）和线性型（用于测量）于测量）两大类。两大类。2 2）按被检测的对象的性质可将霍尔开关的应用分为）按被检测的对象的性质可将霍尔开关的应用分为：直接应用和间接应用直接应用和间接应用。前者直接检测出受检测对象前者直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检测对象上人为本身的磁场或磁

27、特性，后者是检测受检测对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测信息的载体。设置的磁场，用这个磁场来作被检测信息的载体。第40页/共51页1 1 开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器 开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。高电平或低电平的数字信号。 霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器和输出级尔片、差分放大器，施密特触发器和输出级五部分组五部分组成。成。霍尔开关集成传感器内部结构框图23输出+稳压VCC1霍尔元件放

28、大BT整形地H第41页/共51页2 2 线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器 线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出电压与外加磁场成线性比成在一起的传感器。其输出电压与外加磁场成线性比例关系。一般由例关系。一般由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压及稳压四部分组成。四部分组成。 霍尔线性集成传感器广泛用于霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。等的测量或控制。第42页/共51页7.2.5 7.2.5 霍尔式传感器的典型应用霍尔式传感器的典型应用例例7-1 7-1 检测磁场检测磁场 检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。的磁感应强度成线性正比的电压。第43页/共51页例例