第7章-压电式传感器 ppt课件

1、第六章第六章 磁电式传感器磁电式传感器第六章第六章 磁电式传感器磁电式传感器 定义：磁电式传感器是利用磁电作用将被测量定义：磁电式传感器是利用磁电作用将被测量如振动、位移、转动等转换成电信号的一种如振动、位移、转动等转换成电信号的一种传感器。传感器。 磁电作用：所有的磁信号与电信号之间磁电作用：所有的磁信号与电信号之间相互作用的现象。相互作用的现象。 电磁感应效应电磁感应效应 霍尔效应霍尔效应 电磁转换原理电磁转换原理1 磁电感应式磁电感应式2 霍尔式霍尔式3 磁栅式磁栅式dtdNedeNdt 4321NSeNBlv eNBl 工作气隙永久磁铁线圈组件霍尔效应：金属或半导体处于磁场霍尔效应：金

2、属或半导体处于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的流和磁场的方向上将产生电动势的现象。现象。一、工作原理一、工作原理NMz zy yx xd dl lb bIBNMBFLIv vEy+EHFH+ + + + + + + +NIBz zy yMx xFL FHEHFH = -eEH = -eUHb(1)FL = evB(2)FL = -FH(3)I = -nevbd(5)(4)UH = bvB-11UH =(6)ne.dIB1=dIBRH=.IBkHUH.IB= kH=d1IBRHRH =ne-1霍尔系数，与材料有关。霍尔系数，与材料有关

3、。kH =dRH霍尔灵敏度霍尔灵敏度霍尔电势方向判别：霍尔电势方向判别：霍尔器件：利用霍尔效应工作的器件。霍尔器件：利用霍尔效应工作的器件。 分类集成度分类集成度 霍尔元件霍尔元件 霍尔集成电路霍尔集成电路 二、霍尔器件二、霍尔器件 分类输出信号分类输出信号 霍尔线性元件霍尔线性元件 霍尔开关元件霍尔开关元件 结构与选材结构与选材霍尔片单晶薄片）霍尔片单晶薄片）4根引线根引线壳体壳体UH.IB= kH=d1IBRH（1对于金属而言，对于金属而言，n很大，所以很大，所以RH很小，而半导体尤其是很小，而半导体尤其是N型半导体型半导体RH则则较大；较大； 结构与选材结构与选材UH.IB= kH=d1

4、IBRH（2kH与与d有关，所以霍尔元件一般有关，所以霍尔元件一般都很薄，如采用薄膜技术的薄膜霍尔都很薄，如采用薄膜技术的薄膜霍尔元件。元件。 结构与选材结构与选材原因：制造工艺、使用条件、环境温原因：制造工艺、使用条件、环境温 度等因素，影响霍尔元件的转度等因素，影响霍尔元件的转 换精度。换精度。 误差及其补偿误差及其补偿误差类型误差类型 零位误差零位误差 温度误差温度误差 误差及其补偿误差及其补偿 当外界磁场当外界磁场B0时，输出的霍尔时，输出的霍尔电动势电动势UHUo 0，这种误差称为零，这种误差称为零位误差。位误差。 误差及其补偿误差及其补偿v 零位误差零位误差 误差及其补偿误差及其补

5、偿v 零位误差零位误差寄生直流电动势寄生直流电动势不等位电动势不等位电动势 误差及其补偿误差及其补偿 霍尔元件在额定控制电流作用下，霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时，霍尔输出端之间的空不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载电动势，称为载电动势，称为不等位电动势不等位电动势原因：原因： 焊点不对称、电极不对称、电焊点不对称、电极不对称、电 阻率不均匀、厚薄不均匀。阻率不均匀、厚薄不均匀。 误差及其补偿误差及其补偿措施：加调节电阻措施：加调节电阻 X 误差及其补偿误差及其补偿 当通以交流控制电流而不加外磁场时，当通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出除存在交流不等位电动势外，霍尔输出除存在

6、交流不等位电动势外，还有直流分量，称为还有直流分量，称为寄生直流电动势寄生直流电动势 误差及其补偿误差及其补偿措施：电极安装尽量欧姆接触、对称、措施：电极安装尽量欧姆接触、对称、 良好散热。良好散热。 误差及其补偿误差及其补偿原因：电极非完全的欧姆接触而形成原因：电极非完全的欧姆接触而形成 的整流效应。的整流效应。 半导体材料的电阻率、迁移率、载半导体材料的电阻率、迁移率、载流子浓度等容易受温度影响，从而影流子浓度等容易受温度影响，从而影响霍尔元件的输出变化，即产生温度响霍尔元件的输出变化，即产生温度误差。误差。 误差及其补偿误差及其补偿v 温度误差温度误差电路补偿电路补偿 误差及其补偿误差及

7、其补偿v 温度误差温度误差 措施措施选择温度系数小的材料选择温度系数小的材料B、选择合适的串、并、负载电阻、选择合适的串、并、负载电阻C、采用温度补偿元件如热敏电阻）、采用温度补偿元件如热敏电阻）D、桥路补偿、桥路补偿 误差及其补偿误差及其补偿A、采用恒流源和输入回路并联电阻、采用恒流源和输入回路并联电阻 A、恒流源供电、恒流源供电RpI霍尔元件不等位电势U0的温度补偿 桥路补偿电路桥路补偿电路符号符号等效电桥等效电桥三、基本电路三、基本电路 由霍尔元件、差分放大器和射极跟由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。输出电压和加在霍尔元件上随器组成。输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度的磁感强度B成

8、比例，这类电路有很高成比例，这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。磁场检测。v 线性电路线性电路XVoVccVoBv 线性电路线性电路v 开关电路开关电路 霍尔开关电路又称霍尔数字电路，霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。密特触发器和输出级组成。 XVoVccVoBv 开关电路开关电路 霍尔传感器是一种磁传感器和磁霍尔传感器是一种磁传感器和磁电转换元件，检测磁场及其变化，另电转换元件，检测磁场及其变化，另外各种与磁场有关的场合都可以应用。外各种与磁场有关的场合

9、都可以应用。 四、应用四、应用UH.IB= kH=d1IBRH（1 1直接测磁场强度；直接测磁场强度；IBkUHH1 1、应用范围与特点、应用范围与特点（2 2衍生：电流、电压、位移、力、衍生：电流、电压、位移、力、 速度、加速度等，人为的附加磁场。速度、加速度等，人为的附加磁场。 1 1体积小，重量轻，功耗小，可靠性好；体积小，重量轻，功耗小，可靠性好；2 2响应频率高可达响应频率高可达1MHZ1MHZ）；）；3 3非接触式、可用于特殊应用环境；非接触式、可用于特殊应用环境；4 4易于集成。易于集成。线性、非机械、半导体线性、非机械、半导体5 5霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔线性器件的

10、精度高、线性度好；6 6霍尔开关器件无触点、无磨损、输霍尔开关器件无触点、无磨损、输 出波形清晰、无抖动、无回跳、位置出波形清晰、无抖动、无回跳、位置 重复精度高。重复精度高。测量过程演示a a对移对移 b b侧移侧移 c c旋转旋转 d d遮断遮断2 2、应用实例位移、速度、应用实例位移、速度检测齿轮的速度、齿形、齿数检测齿轮的速度、齿形、齿数 2 2、应用实例齿轮检测、应用实例齿轮检测2 2、应用实例齿轮检测、应用实例齿轮检测汽车防抱死汽车防抱死ABS系统霍尔传感器系统霍尔传感器2 2、应用实例、应用实例ABSABS2 2、应用实例、应用实例ABSABS2 2、应用实例、应用实例ABSAB

11、S2 2、应用实例钳形电流表、应用实例钳形电流表 利用霍尔元件测地磁场，用于寻北、空间利用霍尔元件测地磁场，用于寻北、空间姿态等。姿态等。2 2、应用实例霍尔电子罗盘、应用实例霍尔电子罗盘 与容栅式传感器非常相似，磁与容栅式传感器非常相似，磁栅式传感器也是一种位移传感器。栅式传感器也是一种位移传感器。q 基本原理基本原理 类似于磁带录音原理，把周期性类似于磁带录音原理，把周期性的电信号以录磁的方式记录在磁性的电信号以录磁的方式记录在磁性介质上，通过磁头读出该信号，当介质上，通过磁头读出该信号，当磁头与磁性介质发生相对位移时，磁头与磁性介质发生相对位移时，完成位移信号到电信号的转变。完成位移信号

12、到电信号的转变。q 基本类型基本类型长磁栅长磁栅圆磁栅圆磁栅线位移线位移角位移角位移 类似于磁带录音，包括磁栅或类似于磁带录音，包括磁栅或称磁尺）、磁头和检测电路三部分组称磁尺）、磁头和检测电路三部分组成。成。v 磁栅相当于磁带，录有正弦波或矩磁栅相当于磁带，录有正弦波或矩v 形波的周期信号；形波的周期信号；v 磁头把磁信号转换称电信号；磁头把磁信号转换称电信号；v 检测电路对电信号进行分析、处置。检测电路对电信号进行分析、处置。一、工作原理一、工作原理1 1、磁栅、磁栅N SN SN SN SS NS NS N磁性薄膜磁性薄膜基体基体节距节距W磁栅式传感器磁栅式传感器 在铁芯上绕了一个线圈，

13、构成磁头，在铁芯上绕了一个线圈，构成磁头，当磁头沿着磁栅表面移动时，产生感当磁头沿着磁栅表面移动时，产生感应电动势，当磁头运动的速度不同时，应电动势，当磁头运动的速度不同时，感应电动势的大小不一样，静止时，感应电动势的大小不一样，静止时，没有信号，所以动态磁头也叫速度响没有信号，所以动态磁头也叫速度响应式磁头。应式磁头。2 2、磁头动态磁头、磁头动态磁头v v2 2、磁头动态磁头、磁头动态磁头N SN SN SN SS NS NS N 也称磁通响应式，通过也称磁通响应式，通过Ui作用改变作用改变磁阻来调制输出信号。磁阻来调制输出信号。UiUo2 2、磁头静态磁头、磁头静态磁头2 2、磁头静态磁头、磁头静态磁头N SN