《磁电式传感器》ppt课件

1、第7章 磁电式传感器 第7章 磁电式传感器 任课教师：彭东青第7章 磁电式传感器 发动机控制系统中用于检测汽车车速的传感器。利用车速传感器输出的信号，控制电脑可以控制发动机怠速、自动变速器换档及发动机冷却风扇的开闭等其它功能。在欧洲、北美、亚洲的各种汽车上比较广泛地采用磁电式车速传感器。 1、车速传感器第7章 磁电式传感器 2.机载振动检测系统机载振动检测系统飞机飞行过程发动机运转的平衡和空气动力的作用，都会引起各飞机飞行过程发动机运转的平衡和空气动力的作用，都会引起各部分产生不同程度的振动，当振动量过大，将会呵斥飞机构件的部分产生不同程度的振动，当振动量过大，将会呵斥飞机构件的损坏。因此为了

2、确保飞行平安，在飞机设计中，对一些重要部件损坏。因此为了确保飞行平安，在飞机设计中，对一些重要部件如发动机、机身、机翼等，都必需在地面进展振动实验，以保证如发动机、机身、机翼等，都必需在地面进展振动实验，以保证这些部件的构造设计能否合理，零件加工和装配能否符合质量要这些部件的构造设计能否合理，零件加工和装配能否符合质量要求，在这些实验中，广泛采用磁电式振动传感器。求，在这些实验中，广泛采用磁电式振动传感器。第7章 磁电式传感器 7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 第7章 磁电式传感器 磁电感应式传感器， 是利用电磁感应原理将被丈量如振动、位移、转速等转换成

3、感应电势输出的一种传感器。它不需求辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于丈量的电信号，是一种有源传感器。 由于它输出功率大，故配用电路较简单，得到普遍运用。 7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器第7章 磁电式传感器 由电磁感应定律可知：7.1.1 磁电感应式传感器任务原理磁电感应式传感器任务原理dtdWeBlvdtdxBldtde1导体不动，由于磁场大小或方向变化将产生感生电动势2由于导体在磁场中运动v不平行于B)将产生动生电动势第7章 磁电式传感器 因此产生感应电动势的方法有两个：2线圈相对磁场运动切割磁力线；1使磁路磁通量发生变化；根据以上原理，可设计出两种磁电感应式传感器构造：变

4、磁通式变磁阻式、恒磁通式。第7章 磁电式传感器 1、变磁阻式磁电式传感器任务原理、变磁阻式磁电式传感器任务原理这类传感器的线圈和磁铁部分静止不动，与被测物衔接而运动的部分这类传感器的线圈和磁铁部分静止不动，与被测物衔接而运动的部分是用导磁资料制成的，在运动中，它们改动磁路的磁阻，因此改动穿是用导磁资料制成的，在运动中，它们改动磁路的磁阻，因此改动穿过线圈的磁通量，于是在线圈中就会产生感应电动势。过线圈的磁通量，于是在线圈中就会产生感应电动势。构造简单、结实、价钱廉价，被广泛用于车辆上作为检测车轮转速构造简单、结实、价钱廉价，被广泛用于车辆上作为检测车轮转速的轮速传感器。上图为变磁通式磁电传感器

5、的构造原理。其中传感的轮速传感器。上图为变磁通式磁电传感器的构造原理。其中传感器线圈、磁铁和外壳均固定不动，齿轮安装在被测的旋转体上。器线圈、磁铁和外壳均固定不动，齿轮安装在被测的旋转体上。 第7章 磁电式传感器 变磁阻式磁电传感器构造分为两种：开磁路和闭磁路两种。(1) 开磁路式构造1、永久磁铁 2、软铁、感应线圈、4、铁齿轮 5、被测转轴5第7章 磁电式传感器 线圈、磁铁静止不动被测旋转体转动齿的凹凸使磁路磁阻周期变化丈量齿轮转动磁路磁通周期性变化线圈中产生周期性变化的感应电动势5第7章 磁电式传感器 线圈中感应电动势变化频率等于磁通变化频率，也就是等于被测转速与丈量齿轮上齿数的乘积，即6

6、0nZf Z为齿轮齿数，为齿轮齿数，n为被测体的转速为被测体的转速(r/min)这种构造简单，但输出信号较小，适用于转速较低或振动不这种构造简单，但输出信号较小，适用于转速较低或振动不太剧烈的场所太剧烈的场所第7章 磁电式传感器 (2) 闭磁路式构造1、永久磁铁、永久磁铁 3、线圈，、线圈，5、内齿轮、内齿轮 6、外齿轮、外齿轮 7、被测转轴被测转轴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，内外齿轮齿数一样。 当转轴衔接到被测转轴上时，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感应电动势。 显

7、然，感应电势的频率也与被测转速成正比。 第7章 磁电式传感器 2、恒磁通式磁电传感器任务原理相对运动式、恒磁通式磁电传感器任务原理相对运动式磁路系统永久磁铁产生恒定的直流磁场，磁路中的气隙固定不变，磁路系统永久磁铁产生恒定的直流磁场，磁路中的气隙固定不变，因此气隙中磁通是恒定的，运动部件可以是线圈，也可以是磁铁，二者因此气隙中磁通是恒定的，运动部件可以是线圈，也可以是磁铁，二者之间只需有相对运动，就会使线圈切割磁力线产生感应电动势。之间只需有相对运动，就会使线圈切割磁力线产生感应电动势。图图7-2 恒磁通式磁电传感器构造原理图恒磁通式磁电传感器构造原理图a 动圈式；动圈式； (b) 动铁式动铁

8、式 第7章 磁电式传感器 运用时，磁电式传感器于被测物体紧固在一同，当物体振动时，传感器外壳也随之振动。由于弹簧非常软、轻，运动部件绕扎在金属骨架上的线圈质量相对较大，当物体振动频率足够高时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一同振动，近乎静止不动，振动能量几乎全部被弹簧吸收，永久磁铁于线圈之间的相对运动速度就接近于振动体的振动速度。磁铁与线圈的相对运动速度切割磁力线，从而产生感应电动势。第7章 磁电式传感器 设线圈运动空间的任务气隙磁场磁感应强度设线圈运动空间的任务气隙磁场磁感应强度B是均匀的，线圈是均匀的，线圈的匝数为的匝数为W，l 为线圈平均长度，当线圈与磁场的相对运动速为线圈平均长度，当

9、线圈与磁场的相对运动速度为度为dx/dt时，那么线圈的感应电动势为：时，那么线圈的感应电动势为：sinsinWBlvdtdxWBle 为线圈运动方向与为线圈运动方向与B的夹角的夹角当当 =90WBlve 因此，当线圈匝数，任务气隙磁感应强度，线圈有效长度不因此，当线圈匝数，任务气隙磁感应强度，线圈有效长度不变时，感应电动势大小与被测速度成正比。变时，感应电动势大小与被测速度成正比。第7章 磁电式传感器 7.1.2 磁电感应式传感器的非线性误差磁电感应式传感器的非线性误差 磁电式传感器产生非线性误差的主要缘由是: 由于传感器线圈内有电流I流过时, 将产生一定的交变磁通I, 此交变磁通叠加在永久磁

10、铁所产生的任务磁通上, 使恒定的气隙磁通变化如下图。v图图7-4 传感器线圈电流的磁场效应传感器线圈电流的磁场效应 第7章 磁电式传感器 1、当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时, 将产生较大的感生电势E和较大的电流I, 由此而产生的附加磁场方向与原任务磁场方向相反, 减弱了任务磁场的作用, 从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。2、当线圈的运动速度与图中所示方向相反时, 感生电势E、 线圈感应电流反向, 所产生的附加磁场方向与任务磁场同向, 从而增大了传感器的灵敏度。其结果是线圈运动速度方向不同时，传感器的灵敏度具有不其结果是线圈运动速度方向不同时，传感器的灵敏度具有不同

11、的数值，即传感器输出具有非线性特性，且传感器灵敏度同的数值，即传感器输出具有非线性特性，且传感器灵敏度越高，线圈中电流越大，这种非线性越严重。越高，线圈中电流越大，这种非线性越严重。v第7章 磁电式传感器 7.1.3 磁电感应式传感器的丈量电路磁电感应式传感器的丈量电路 图7-5 磁电式传感器丈量电路方框图 位移丈量加速度丈量 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, 所以普通不需求高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器, 假设要获取被测位移或加速度信号, 那么需求配用积分或微分电路。第7章 磁电式传感器 7.1.4 动圈式振动速度传感器动圈式振动速度传感器 JS-05

12、型磁电式振动速度传感器型磁电式振动速度传感器 价钱：490元 第7章 磁电式传感器 构造：钢制圆形外壳，里面用铝支架将圆柱形永久磁铁构造：钢制圆形外壳，里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体，永久磁铁中间有一条小孔，穿过小孔的与外壳固定成一体，永久磁铁中间有一条小孔，穿过小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环，芯轴两端经过圆形膜片支撑架芯轴两端架起线圈和阻尼环，芯轴两端经过圆形膜片支撑架空且于外壳相连。空且于外壳相连。1、芯轴2、圆形外壳3、弹簧片4、铝支架5、永久磁铁6、线圈7、阻尼环8、引线第7章 磁电式传感器 任务时, 传感器与被测物体刚性衔接, 当物体振动时, 传感器外壳和永久磁铁随之振

13、动, 而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。 因此, 磁路空气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势, 线圈的输出经过引线输出到丈量电路。 该传感器丈量的是振动速度参数, 假设在丈量电路中接入积分电路, 那么输出电势与位移成正比; 假设在丈量电路中接入微分电路, 那么其输出与加速度成正比。第7章 磁电式传感器 7.1.5 磁电感应式流量计磁电感应式流量计 可以用来丈量具有一定电导率的流体的流量。原理如图：可以用来丈量具有一定电导率的流体的流量。原理如图：NS差动放大输出导电的流体在绝缘的导管中流动时，两电极之间的流体可以看作是导电的流体在绝缘的导管中流动时，两电极之间的流

14、体可以看作是一段长度为导管内径的导体垂直于磁场运动，这一段导体将产生一一段长度为导管内径的导体垂直于磁场运动，这一段导体将产生一定大小的感应电动势。定大小的感应电动势。第7章 磁电式传感器 设管道中流体的流速分布均匀，各处的流速皆为设管道中流体的流速分布均匀，各处的流速皆为v，各处的，各处的磁感应强度皆为磁感应强度皆为B，那么感应电动势，那么感应电动势e大小为：大小为：BDve kBDvkeu差动放大后输出为：差动放大后输出为：管道中流体的流量管道中流体的流量Q为：为：vDQ42所以流量计的输出输入关系为：所以流量计的输出输入关系为：DQkBDQkBDu442流量计的输出与被测流量流量计的输出

15、与被测流量Q成正比，可以丈量管道内流体的流量。成正比，可以丈量管道内流体的流量。第7章 磁电式传感器 7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器7.2.1 霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及霍尔元件 在一块导体的两侧面在一块导体的两侧面ab通以电流，在导体的垂直方向上施加磁感应强度通以电流，在导体的垂直方向上施加磁感应强度为为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场方向的另外两侧面的磁场，那么，在垂直于电流和磁场方向的另外两侧面cd上将产生电上将产生电势，这种景象称霍尔效应。产生的电势称为霍尔电势。势，这种景象称霍尔效应。产生的电势称为霍尔电势。 1. 霍尔效应霍尔效应霍尔效应B a bdc第7章 磁电式传感器 如

16、图7-9所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板，导电板通以电流I，方向如下图。导电板中的电流使金属中自在电子在电场作用下做定向运动。此时，每个电子受洛伦兹力fL 的作用，f=qVB，大小为fL=evB 。方向呢？ 根据左手定理或右手螺旋定那么判别，并留意负电荷，所以方向与拇指方向相反，即为图中红色箭头方向图7-9 霍尔效应原理图鼓励电极霍尔效应原理分析：霍尔效应原理分析：第7章 磁电式传感器 bUEHH此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在fL的作用下漂移，结果使金属导电板内侧面积累电子，而外侧面积累正电荷，从而构成了附加内电场EH， 称霍尔电场，该电场强度为 式中, UH为内外两侧面

17、的电位差。 霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛伦兹力作用外，还遭到霍尔电场力的作用。其力的大小为e EH，方向呢，为图中绿色箭头所指方向。由于与fL方向相反 ，所以阻止电荷继续积累。bUEHH第7章 磁电式传感器 eEH=eBv 即：EH=vB 此时电荷不再向两侧面积累，到达平衡形状。 当电子所受洛伦磁力与霍尔电场作用力大小相等方向相反，即 随着内、外侧面电荷的添加，霍尔电场增大，电子遭到的霍尔电场力也增大。第7章 磁电式传感器 假设金属导电板单位体积内电子数为载流子密度n，电子定向运动平均速度为v，那么鼓励电流I=ne(bdx)/t=nebdv，即 nebdIv 将式7-13代入式ne

18、bdIBvBEH因此霍尔电势为： nebIBdEUHH霍尔电场EH=vB ，得bUEHH第7章 磁电式传感器 通常令RH=1/ne，称之为霍尔系数，其大小取决于导体载流子密度n, 那么 IBKdIBRUHHH式中, KH=RH/d 称为霍尔片的灵敏度，它表示在单位磁感应强度和单位鼓励电流下，输出的霍尔电势。霍尔电势为： nebIBdEUHH由上式可见，霍尔电势正比于鼓励电流I及磁感应强度B，其灵敏度与霍尔系数RH成正比，与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片外形。 第7章 磁电式传感器 设导体资料的电阻率为，那么霍尔元件鼓励极间电阻 R=l/(bd) 同时 R=U/I=El/

19、I=El/(nevbd) ，引入迁移率是指载流子电子和空穴在单位电场作用下的平均漂移速度,=v/E 。 bUEHH那么R=El/(nevbd)=vl/ (nevbd)=l/ (nebd)第7章 磁电式传感器 RH= 从上式可知，霍尔系数从上式可知，霍尔系数RH等于霍尔片资料的电阻率与电子迁移率等于霍尔片资料的电阻率与电子迁移率的乘积。的乘积。 假设要霍尔效应强，那么希望有较大的霍尔系数假设要霍尔效应强，那么希望有较大的霍尔系数RH，因此要求霍尔片资料有较大的电阻率和载流子迁移率。因此要求霍尔片资料有较大的电阻率和载流子迁移率。因此霍尔系数nebdlbdl那么ne1普通金属资料载流子迁移率很高，

20、但电阻率很小；而绝缘资料电阻率极高，但载流子迁移率极低，故只需半导体资料才适于制造霍尔片。目前常用的霍尔元件资料有：锗、硅、等半导体资料。理想的资料是砷化钾(GaAs)的霍尔系数大，电子迁移率高，温度系数也较小，输出特性线性度好。第7章 磁电式传感器 图7-10 霍尔元件a 外形构造表示图；b 图形符号c)实物 霍尔元件的构造很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的， 如图7-10a所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四根引线： 1、 1两根引线加鼓励电压或电流，称鼓励电极控制电极； 2、 2引线为霍尔输出引线， 称霍尔电极。 霍尔元件的壳体是用非导磁金属、 陶瓷或环氧树脂封装的。

21、 在电路中， 霍尔元件普通可用两种符号表示， 如图7-10b所示。 2. 霍尔元件根本构造霍尔元件根本构造第7章 磁电式传感器 3. 霍尔元件根本特性因霍尔电势随鼓励电流添加而线性添加，所以运用中希望选用尽能够大的鼓励电流，因此需求知道元件的最大允许鼓励电流。改善霍尔元件的散热条件，也可以使鼓励电流添加。 (1) 额定鼓励电流和最大允许鼓励电流 当霍尔元件本身温升10时所流过的鼓励电流称为额定鼓励电流。以元件允许最大温升为限制所对应的鼓励电流称为最大允许鼓励电流。第7章 磁电式传感器 鼓励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即两个霍尔电势输出端

22、之间的电阻就是输出电阻。 以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在205时所确定的。它的数值从几十欧到几百欧，视不同型号的元件而定； (2 输入电阻和输出电阻 第7章 磁电式传感器 在一定磁感应强度和鼓励电流下，温度每变化1时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。 (3 霍尔电势温度系数 KH=KH0(1+T) 第7章 磁电式传感器 当霍尔元件的鼓励电流为I时，假设元件所处位置磁感应强度为零，那么它的霍尔电势应该为零，但实践不为零。这时测得的空载即开路霍尔电势称为不等位电势，如图7-11所示。图7-11 不等位电势表示图 B=0时，UAB0 (4 不等位电

23、势和不等位电阻 不等位电势也可以用不等位电阻来表示：r0=U0/I第7章 磁电式传感器 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； 半导体资料不均匀呵斥了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀； 鼓励电极接触不良呵斥鼓励电流不均匀分布等。 不等位电势与霍尔电势具有一样的数量级，有时甚至超越霍尔电势，实践运用中要消除不等位电势是极其困难的，因此必需采用补偿的方法。产生不等位电势这一景象的缘由有：第7章 磁电式传感器 可以把霍尔元件等效为一个电桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电势。可以把霍尔元件等效为一个电桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电势。 4. 霍尔元件不等位电势的补偿霍尔元件不等位电势的补偿图7-1

24、2 霍尔元件的电桥等效电路 其中A、 B为霍尔电极，C、 D为鼓励电极，电极分布电阻分别用r1、r2、r3、r4表示，把它们看作电桥的四个桥臂。理想情况下，电极A、B处于同一等位面上， r1= r2= r3= r4 ，电桥平衡，不等位电势U0为0。实践上，由于A、 B电极不在同一等位面上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电势不等于零。第7章 磁电式传感器 补偿方法：可根据A、 B两点电位的高低，判别应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥到达平衡， 从而使不等位电势为零。几种补偿线路：如图7-13所示。图a为在一个桥臂上并联电阻，图b、c相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻， 图d用于

25、交流供电的情况。 第7章 磁电式传感器 霍尔元件是采用半导体资料制成的，因此它们的许多参数都具有霍尔元件是采用半导体资料制成的，因此它们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、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。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. 霍尔元件温度补偿霍尔元件温度补偿1选用温度系数小的元件或采用恒温措施外；2由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电，减小由于输入电阻随温度变化所引起的鼓励电流I的变化的影响，可以使霍尔电势稳定。为了减小霍尔

26、元件的温度误差：第7章 磁电式传感器 霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数，它随温度变化将引起霍尔电势的变化。大多数霍尔元件的温度系数是正值，霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成 KH=KH0(1+T) 7-20 式中： KH0温度T0时的KH值；T=T-T0温度变化量；霍尔电势温度系数。 抵消灵敏系数KH温度系数的影响的原理霍尔电势因灵敏系数KH随温度升高而添加 KH0T;假好像时让鼓励电流I H相应地减小，并能坚持KH I H 乘积不变那么霍尔电势不变。第7章 磁电式传感器 图7-14就是一个既简单，补偿效果又较好的补偿电路。电路中Is为恒流源，分流电阻Rp与霍尔元件的鼓励电极即输入电阻

27、相并联。当霍尔元件的输入电阻随温度升高而添加时，旁路分流电阻Rp自动地增大分流，减小了霍尔元件的鼓励电流IH，从而抵消灵敏系数KH随温度升高而添加带来的影响。 图7-14 恒流温度补偿电路补偿电路：第7章 磁电式传感器 在图7-14所示的温度补偿电路中，设初始温度为T0，霍尔元件输入电阻为Ri0，灵敏系数为KH0，分流电阻为Rp0，根据分流原理得 0000ipspHRRIRI7-21 当温度升至T时，电路中各参数变为 )1 ()1 (00TRRTRRppii7-22 7-23 式中：霍尔元件输入电阻温度系数； 分流电阻温度系数。 000000ipipsiHRRRRIRI第7章 磁电式传感器 那

28、么 )1 ()1 ()1 (000TRTRITRRRIRIipspipspH7-24 温度升高了T，为使霍尔电势不变，补偿电路必需满足温升前、 后的霍尔电势不变，即UH0=UH，那么 KH0IH0B=KHIHB 7-25 第7章 磁电式传感器 KH=KH0(1+T) )1 ()1 ()1 (000TRTRITRRRIRIipspipspH0000ipspHRRIRI有 KH0IH0=KHIH 7-26 第7章 磁电式传感器 将式7-20、7-21、7-24代入上式，经整理并略去(T)2高次项后得 00)(ipRR7-27 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

29、。由式7-27即可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值。为了满足Rp0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，这样虽然费事但效果很好。 第7章 磁电式传感器 1、霍尔转速表、霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统接近齿盘。齿盘的转动使磁个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统接近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改动而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲路的磁阻随气隙的改动而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N霍尔器件霍尔器件磁铁磁铁7.2.2 霍尔传感器的运用霍尔传感器的运用第7章 磁电式传感器 霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。平。第7章