第5章磁电式传感器

1、第五章 磁电式传感器定义定义 利用电磁感应原理电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。 它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号, 是一种有源传感器。不需要供电电源；利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势，故其只适合进行动态测量动态测量；输出阻抗小；由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为101000Hz。类型有：磁电感应式、霍尔式和磁栅式特点一、类型及其工作原理一、类型及其工作原理根据法拉第电磁感应定律：N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小取决

2、于穿过线圈的磁通 的变化率，即：deNdt 第一节 磁电感应式传感器磁电感应式传感器又称感应式传感器。磁通量的变化实现办法: 磁铁与线圈之间做相对运动； 磁路中磁阻的变化. deNdt 当磁感应强度当磁感应强度B恒定时：恒定时： 线圈导体与磁场之间如果做相对切割磁力线运动，那么在导体中将产生感应电动势。NSLveeNBvL 恒定磁场由此可设计一类恒磁通式磁电传感器，用于测量振动及线速度。（一）恒定磁通式动圈式动铁式 恒磁通式磁电传感器主要由永久磁铁、线圈、弹簧等组成。 磁路系统产生恒定的磁场, 其运动部件可以是线圈（动圈式（a）, 也可以是磁铁（动铁式(b)）, 动圈式和动铁式的工作原理是完全

3、相同的。磁铁与线圈作相对运动切割磁力线, 从而产生感应电势。（磁铁与线圈之间做相对运动）壳体随被测振动体一起振动对一设计好的传感器，结构参数就确定了， N0 、B、L均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度v成正比，因此可以用于测量速度。 0eN BLv 根据：（二）变磁通式（二）变磁通式 又称为变磁阻式或变气隙式，常用来测量旋转物体的角速度角速度。 测量齿轮2（用导磁材料制成用导磁材料制成）安装在被测旋转体1上, 随之一起转动,线圈3、 磁铁5静止不动 。齿轮每转动一个齿, 齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次, 磁通也就变化一次, 线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘

4、积。测旋转体1转速（磁路中磁阻的变化）软铁软铁开磁路开磁路变磁通式变磁通式即：/60fZ n齿轮的齿数Z为一确定值，只要测出f就可求出转速n(r/min)： n60fz 这种传感器结构简单，但输出信号小，而且转速较高时信号失真大给高速轴测量带来不平衡，所以在振动较强或转速较高的场合，往往采用闭磁路变磁通式。闭磁路闭磁路变磁通式变磁通式 被测旋转体1带动椭圆形椭圆形测量齿轮2在磁场气隙中匀速转动，使气隙平均长度周期性地变化，因而磁路磁阻也周期性地变化，磁通同样周期性地变化，则在线圈3中产生周期性感应电动势，显然，其频率f与椭圆形测量齿轮2的转速n（r/min）成正比：f=2*n/60=n/30

5、椭圆形转一圈输出信号呈周期性变化两次，故乘以2磁路闭合测旋转体1转速变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150+90的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。当转速太低时，磁通量变化率很小，故输出电势很小，以致无法测量。所以这种传感器有一个下限工作频率，一般为50Hz左右，闭磁路转速传感器的下限频率可降低到30Hz左右。上限可达100Hz。由上述工作原理可知：磁电感应式磁电感应式传感器只适应于动态只适应于动态测量测量，可直接测量振动物体的速度速度或旋转体的角速度角速度。如果在其测量电路中接入积分电路积分电路或微分电路微分电路，那么还可以用来测量位移位移或加速度加速度。

6、第二节第二节 霍尔式传感器霍尔式传感器一、工作原理一、工作原理霍尔效应霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场B中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH，此现象为霍尔效应。HHUK IBKH灵敏度系数形成过程：形成过程： 电子在磁场中受洛伦兹力作用（方向左手定则）)(BveflbIdUHfEvfl所以电子向极板一方偏转，积累电子，另一方积累正电荷，形成电场。eEfE电场力平衡。时，电荷积累达到动态当lEff其中E为电场强度（方向与fL相反）B那么：此时正负电极之间形成的电势为霍尔电势UH。lEHHHHffEvBUbEbvBIInevbdvbdneRIBUIBK IBnedd

7、由有而由则式中：RH霍尔系数， RH =-1/(ne)，由载流材料物理性质决定 kH 灵敏度系数， kH =RH /d，它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的大小。n单位体积内电子数（电子密度） 根据 ，即霍尔系数RH等于霍尔片材料的电阻率电阻率与电子迁移率电子迁移率的乘积。若要霍尔效应强, 即RH值大, 因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。 一般金属材料载流子迁移率很高, 但电阻率很小; 而绝缘材料电阻率极高, 但载流子迁移率极低；故只有半导体材料半导体材料适于制造霍尔片。 HR二、霍尔元件二、霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成a

8、, b两根引线，称为控制电流端引线c, d两根引线，称为霍尔输出引线霍尔元件符号 基本电路基本电路 RW调节控制电流的大小。RL为负载电阻，或者是放大器的内阻或测量电势指示器内阻。霍尔效应建立的时间极短（10-1210-14S），所以I既可以是直流，也可以是交流（输出则为交流）。例题：例题：已知霍尔元件的灵敏度系数Kh = 30V/AT，输入电阻Ri=2K，输出电阻Ro=3K，采用恒压源供电，恒压源电压为5V，不考虑恒压源的输出电阻，当霍尔元件置于B=0.4T的磁场中，如果输出接负载电阻RL=27K，求负载上的电压。 三、霍尔元件的误差及其补偿三、霍尔元件的误差及其补偿产生误差的原因：一是制作

9、工艺、制作水平的限制。二是外界温度的影响。包括：零位误差零位误差 和和 温度误差温度误差（一） 霍尔元件的零位误差及补偿霍尔元件的零位误差及补偿 1、不等位电势U0及其补偿 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载电动势，称为不等位电势不等位电势 ，即：，即： B=0，I0时，UH=U0 0。 U0为不等位电势。 产生原因产生原因： 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上; 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀; 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等，都使得等电位面歪斜两电极点不在两电极点不在同一等电位面上同一等电位面上等电位面歪斜等电位面歪斜不

10、等位电势补偿方法：不等位电势补偿方法：在某一桥壁上加调节电阻，使在某一桥壁上加调节电阻，使U0降到最降到最小，甚至为小，甚至为0霍尔元件等效电路几种不等位电势的补偿电路 把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。 2、寄生直流电势、寄生直流电势原因：原因：由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而形成的整流效应；（欧姆接触是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻。 ）两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同引起温差所产生的。当霍尔元件通以交流控制电流而不外加磁场时，霍尔输出除存在前面所述的交流不等位电动势外，还有直流分量，称为寄生直流电动势。采

11、取措施采取措施：电极安装尽量欧姆接触、对称、良好散热。电极安装尽量欧姆接触、对称、良好散热。 （二） 霍尔元件温度误差及补偿霍尔元件温度误差及补偿 霍尔元件是采用半导体材料制成的, 因此它的许多参数都具有较大的温度系数。当温度温度变化时, 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，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。 1. 采用恒流源供电和输入回路并联电阻补偿采用恒流源供电和输入回路并联电阻补偿补偿思想不变。的分流作用）并联电阻由HPHHHHHURIRTKTIBKU(0;0 温度 时，元件灵敏度系数为 ,输入电阻为 ，温度为t时，他们分别为 ， 令0Hk0HR0tHtkHtR0

12、01()HtHkktt001()HtHRRttPHIII因为PPHHI RI RPHPHR IIRR因此温度为t时001()PPHtPHtPHRRIIIRRRRtt0000PHPHR IIRR温度 时0t为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证00HHHtHtkIBk I B将有关式子代入可得0PHRR通常霍尔元件的灵敏度温度系数远小于元件的电阻温度系数 ，因此0PHRR根据此式，合理选择Rp即可2合理选取负载电阻合理选取负载电阻 的阻值补偿的阻值补偿LR00001()1()LLHLoRUUttRRtt只要满足00()LdUd tt得01LoRR（温度变化则输出电阻、霍尔电势发生变化）1. 微位移和压力的测量微位移和压力的测量 测量