传感器 第五章 磁电式传感器

1、山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器传 感 器机械工程学院仪器系李云雷Tel:2786982 办公室：12#527山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器第五章磁电式传感器第五章磁电式传感器定义：定义：通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速）转换成电信号的一种传感器。速）转换成电信号的一种传感器。分类分类：A磁电感应式传感器；磁电感应式传感器；A霍尔式传感器；霍尔式传感器；A磁栅式传感器。磁栅式传感器。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器第一节第一节 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称为磁电感应式传感器简称

2、感应式传感器，也称为电电动式传感器动式传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动。它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的。它是一种而在导体两端输出感应电动势的。它是一种机机- -电电能量变换型传感器能量变换型传感器。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器一、类型及其工作原理一、类型及其工作原理 此类传感器基于电磁感应原理。此类传感器基于电磁感应原理。N N匝线圈在磁场中运动切匝线圈在磁场中运动切割磁力线割磁力线或或线圈所在磁场的磁通变化线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的时，线圈中所产生的感应电动势感应电动势e e的大小取决于穿过线圈的磁通的大小取决于穿过线圈的磁通的变

3、化率，的变化率，即即 分类：恒定磁通式和变磁通式。（依据磁场是否恒定）分类：恒定磁通式和变磁通式。（依据磁场是否恒定）山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器（一）恒定磁通式（一）恒定磁通式1 1、组成：、组成：永久磁铁（磁钢）永久磁铁（磁钢）4 4、线圈、线圈3 3、金属骨架、金属骨架1 1、弹簧、弹簧2 2、壳体壳体5 5。2 2、特点：、特点：磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙是固定不变的，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。隙是固定不变的，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。 3 3、类型：、类型： 动圈式：永久磁铁与壳体固定，线圈和骨架用柔

4、软弹簧支动圈式：永久磁铁与壳体固定，线圈和骨架用柔软弹簧支持；持； 动铁式：线圈组件和壳体固定，永久磁铁用柔软弹簧支承。动铁式：线圈组件和壳体固定，永久磁铁用柔软弹簧支承。山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器4 4、工作原理：、工作原理： 当壳体当壳体5 5随被测振动体一起振动时，由于弹簧随被测振动体一起振动时，由于弹簧2 2较软，运较软，运动部件质量相对较大，因此振动频率足够高（远高于传感动部件质量相对较大，因此振动频率足够高（远高于传感器的固有频率）时，运动部件的惯性很大，来不及跟随振器的固有频率）时，运动部件的惯性很大，来不及跟随振动体一起振动

5、，近于静止不动，动体一起振动，近于静止不动，振动能量几乎全被弹簧振动能量几乎全被弹簧2 2吸收，永久磁铁吸收，永久磁铁4 4与线圈与线圈3 3之间的相对运动速度接近于振动之间的相对运动速度接近于振动体的振动速度体的振动速度。 磁铁磁铁4 4与线圈与线圈3 3相对运动使线圈相对运动使线圈3 3切割磁力线，产生与运动切割磁力线，产生与运动速度速度v v成正比的感应电动势成正比的感应电动势e e 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器5 5、讨论：、讨论：l 由上式可知，当传感器结构参数确定后，由上式可知，当传感器结构参数确定后，B B、l l、N N0 0均为定均为定值，因此感应电动势值，因此感

6、应电动势e e与线圈相对磁场的运动速度与线圈相对磁场的运动速度v v成正比。成正比。l 振动频率低于故有频率，灵敏度变化；远大于固有频率，振动频率低于故有频率，灵敏度变化；远大于固有频率，近似为常数；更高时，线圈阻抗增加，灵敏度有所下降。近似为常数；更高时，线圈阻抗增加，灵敏度有所下降。l 一般频响范围：一般频响范围：10Hz2kHz。（二）变磁通式（二）变磁通式 又称为又称为变磁阻磁电感应式传感器变磁阻磁电感应式传感器，常用来，常用来测量旋转物体的测量旋转物体的角速度角速度。结构原理如下图。结构原理如下图。山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器1 1

7、、开磁路变磁通式、开磁路变磁通式l 工作原理：工作原理：线圈线圈3 3和磁铁和磁铁5 5静止不动，测量齿轮静止不动，测量齿轮2 2（导磁材（导磁材料制成）安装在被测旋转体料制成）安装在被测旋转体1 1上，随之一起转动，每转过上，随之一起转动，每转过一个齿，它与软铁一个齿，它与软铁4 4之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，也就变化一次，线圈线圈3 3中产生的感应电动势的变化频率等中产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮于测量齿轮2 2上齿轮的齿数和转速的乘积。上齿轮的齿数和转速的乘积。l 特点：特点：结构简单，但需在被测对象上加装齿轮，使用不方结构简单，

8、但需在被测对象上加装齿轮，使用不方便，且因高速轴上加装齿轮会带来不平衡而不宜测高转速。便，且因高速轴上加装齿轮会带来不平衡而不宜测高转速。山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器2 2、闭磁路变磁通式、闭磁路变磁通式l 工作原理：工作原理：被测转轴被测转轴1 1带动椭圆形测量轮带动椭圆形测量轮2 2在磁场气隙中等在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性地变化，因而磁路磁阻也速转动，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，则在线圈周期性地变化，磁通同样周期性地变化，则在线圈3 3中产中产生感应电动势，生感应电动势，其频率其频率f f与测量轮与测量轮2 2的

9、转速的转速n n（r rminmin-1-1）成）成正比正比, ,即即f=n/30f=n/30。 l 在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮2 2，软铁，软铁（极掌）（极掌）4 4制成内齿轮形式，这时输出信号频率为制成内齿轮形式，这时输出信号频率为f=nZ/60f=nZ/60，其中其中Z Z为测量齿轮的齿数。为测量齿轮的齿数。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器二、设计要点：二、设计要点： 磁电感应式传感器的两个基本元件：磁路系统（永久磁铁）磁电感应式传感器的两个基本元件：磁路系统（永久磁铁）和线圈。设计时，合理选择它们的和线圈。设计时，合理

10、选择它们的结构形式、材料和结构结构形式、材料和结构尺寸尺寸来满足传感器的基本性能要求。来满足传感器的基本性能要求。恒定磁通式的设计要点恒定磁通式的设计要点1、工作气隙、工作气隙 工作气隙大，线圈窗口面积就大，线圈匝数就多，传感器工作气隙大，线圈窗口面积就大，线圈匝数就多，传感器灵敏度就高。灵敏度就高。 但气隙大，磁路系统磁感应强度就低，传感器灵敏度也低，但气隙大，磁路系统磁感应强度就低，传感器灵敏度也低，而且气隙大易造成气隙磁场分布不均匀，导致传感器输出而且气隙大易造成气隙磁场分布不均匀，导致传感器输出特性非线性。特性非线性。 设计要求设计要求：为了使传感器有较高的灵敏度和较好的线性度，：为了

11、使传感器有较高的灵敏度和较好的线性度，必须在保证足够大的窗口面积和所需加工安装精度的前提必须在保证足够大的窗口面积和所需加工安装精度的前提下，尽量减小工作气隙下，尽量减小工作气隙d d。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器 工作气隙宽度工作气隙宽度l ld d越大，灵敏度越高，线性度越好，但传感越大，灵敏度越高，线性度越好，但传感器体积和重量就较大，因此一般取器体积和重量就较大，因此一般取d d/l/ld d1/41/4。2 2、永久磁铁、永久磁铁磁铁材料、稳定性处理等。磁铁材料、稳定性处理等。3 3、线圈组件、线圈组件 骨架的材料、工作时保证组件与磁铁无摩擦、灵敏度恒定、骨架的材料、工

12、作时保证组件与磁铁无摩擦、灵敏度恒定、线圈的温升等。线圈的温升等。山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器三、应用三、应用（一）磁电感应式振动速度传感器（一）磁电感应式振动速度传感器（恒定磁通式）（恒定磁通式）1、CD-1型绝对振动传感器的主要技术规格；型绝对振动传感器的主要技术规格；2、结构组成：、结构组成： 永久磁铁永久磁铁3 3通过铝架通过铝架4 4和圆筒形导磁材料制成的壳体和圆筒形导磁材料制成的壳体7 7固定固定在一起，形成磁路系统，壳体还起屏蔽作用。在一起，形成磁路系统，壳体还起屏蔽作用。 磁路中有两个环形气隙，右气隙中放有工作线圈磁路中有两个环形气隙，右气隙中放有工作线圈6 6，左

13、气，左气隙中放有用铜或铝制成的圆环形阻尼器隙中放有用铜或铝制成的圆环形阻尼器2 2。工作线圈和圆。工作线圈和圆环形阻尼器用心轴环形阻尼器用心轴5 5连在一起组成质量块，用圆形弹簧片连在一起组成质量块，用圆形弹簧片1 1和和8 8支承在壳体上。支承在壳体上。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器3、工作原理：、工作原理： 将传感器固定在被测振动体上，永久磁铁、铝架和壳体一将传感器固定在被测振动体上，永久磁铁、铝架和壳体一起随被测体振动，由于质量块有一定的质量，产生惯性力，起随被测体振动，由于质量块有一定的质量，产生惯性力，而弹簧片又非常柔软，因此当而弹

14、簧片又非常柔软，因此当振动频率远大于传感器固有振动频率远大于传感器固有频率时，线圈在磁路系统的环形气隙中相对永久磁铁运动，频率时，线圈在磁路系统的环形气隙中相对永久磁铁运动，以振动体的振动速度切割磁力线以振动体的振动速度切割磁力线，产生感应电动势，通过，产生感应电动势，通过引线引线9 9接到测量电路。接到测量电路。 良导体阻尼器良导体阻尼器也在磁路系统气隙中运动，感应产生涡流，也在磁路系统气隙中运动，感应产生涡流，形成系统的阻尼力，起衰减固有振动和扩展频率响应范围形成系统的阻尼力，起衰减固有振动和扩展频率响应范围的作用。的作用。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器（二）磁电感应式转速传感

15、器（二）磁电感应式转速传感器（变磁通式）（变磁通式）1 1、结构组成：、结构组成： 转子转子2 2与转轴与转轴1 1固紧。转子固紧。转子2 2和定子和定子5 5都用工业纯铁制成，都用工业纯铁制成，它它们和永久磁铁们和永久磁铁3 3组成磁路系统组成磁路系统。转子。转子2 2和定子和定子5 5的环形端面的环形端面上都均匀地铣了一些齿和槽，上都均匀地铣了一些齿和槽，两者的齿、槽数对应相等两者的齿、槽数对应相等。2 2、测量原理：、测量原理： 测量转速时，传感器的转轴测量转速时，传感器的转轴1 1与被测物转轴相连接，因而与被测物转轴相连接，因而带动转子带动转子2 2转动。转动。 当转子当转子2 2的齿

16、与定子的齿与定子5 5的齿相对时，气隙最小，磁路系统的的齿相对时，气隙最小，磁路系统的磁通最大。而齿与槽相对时，气隙最大，磁通最小。磁通最大。而齿与槽相对时，气隙最大，磁通最小。 因此当定子因此当定子5 5不动而转子不动而转子2 2转动时，磁通就周期性地变化，转动时，磁通就周期性地变化，从而在线圈从而在线圈4 4中感应出近似正弦波的电压信号，其中感应出近似正弦波的电压信号，其频率与频率与转速成正比关系转速成正比关系。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器（三）磁电感应式扭矩仪（三）磁电感应式扭矩仪（变磁通式）（变磁通式）1 1、结构组成：、结构组成：

17、 转子（包括线圈）固定在传感器轴上，定子（永久磁铁）转子（包括线圈）固定在传感器轴上，定子（永久磁铁）固定在传感器外壳上。转子、定子上都有一一对应的齿和固定在传感器外壳上。转子、定子上都有一一对应的齿和槽。槽。 2 2、测量原理：、测量原理： 测量扭矩时，需用两个传感器，将它们的转轴（包括线圈测量扭矩时，需用两个传感器，将它们的转轴（包括线圈和转子）分别固定在被测轴的两端，它们的外壳固定不动。和转子）分别固定在被测轴的两端，它们的外壳固定不动。 安装时，一个传感器的定子齿与其转子齿相对，另一个传安装时，一个传感器的定子齿与其转子齿相对，另一个传感器的定子槽与其转子齿相对。感器的定子槽与其转子齿

18、相对。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器 当被测轴无外加扭矩时，扭转角为零，当被测轴无外加扭矩时，扭转角为零， 若转轴以一定角若转轴以一定角速度旋转，则两个传感器输出相位差为速度旋转，则两个传感器输出相位差为0 0或或180180的两个的两个近似正弦波感应电动势。近似正弦波感应电动势。 被测轴感受扭矩时，轴的两端产生扭转角被测轴感受扭矩时，轴的两端产生扭转角 ，因此两个，因此两个传感器输出的两个感应电动势将因扭矩而有附加相位传感器输出的两个感应电动势将因扭矩而有附加相位差差 。扭转角与感应电动势相位差的关系为。扭转角与感应电动势相位差的关系为 经

19、测量电路，将相位差转换成角度差，就可测出扭矩。经测量电路，将相位差转换成角度差，就可测出扭矩。 z00山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器第二节霍尔式传感器第二节霍尔式传感器l 定义：定义：霍尔式传感器是基于霍尔式传感器是基于霍尔效应原理霍尔效应原理而将被测量，如而将被测量，如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等转换成电流、磁场、位移、压力、压差、转速等转换成电动势输电动势输出出的一种传感器。的一种传感器。l 特点：特点：不足：转换率较低，温度影响大，要求转换精度较高不足：转换率较低，温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿；时必须进行温度补偿；优点：结构简单，体积小，坚固，频率响应

20、宽（从直优点：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）大，无流到微波），动态范围（输出电动势的变化）大，无触点，使用寿命长，可靠性高，易于微型化和集成电触点，使用寿命长，可靠性高，易于微型化和集成电路化。路化。山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器一、工作原理与特性一、工作原理与特性（一）霍尔效应（一）霍尔效应定义：定义：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在金属或半导体薄片置于磁场中，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，这种物理现象垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。称为霍尔效应。 原理分析：原

21、理分析：N N型半导体薄片，磁感应强度为型半导体薄片，磁感应强度为B B的磁场方向垂直于薄的磁场方向垂直于薄片，在薄片左右两端通以电流片，在薄片左右两端通以电流I I；电子在磁场力电子在磁场力F FL L( (洛仑兹力洛仑兹力) )而发生偏转，在前后端面间而发生偏转，在前后端面间形成电场，电场力形成电场，电场力F FE E阻止电子继续偏转；阻止电子继续偏转；F FE E与与F FL L相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在半导相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在半导体前后两端面之间建立电场，称为霍尔电场体前后两端面之间建立电场，称为霍尔电场E EH H，相应的，相应的电动势就称为霍尔电动势电

22、动势就称为霍尔电动势U UH H。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器5 56 6山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器霍尔电动势计算：霍尔电动势计算： 若电子均速度若电子均速度v v按图示方向运动，那么在按图示方向运动，那么在B B的作用下所的作用下所受的力受的力F FL LevBevB，其中，其中e e为电子电荷量，为电子电荷量，e e1.6021.6021010- -1919C C。 电场电场E EH H作用于电子的力作用于电子的力F FH H-eE-eEH H，式中的负号表示力的，式中的负号表示力的方向与电场方向相反。方向与电场方向相反。 设薄片长、宽、厚分别为设薄片长、宽、厚

23、分别为l l、b b、d d，则，则F FH H-eU-eUH H/b/b。当。当电子积累达到动态平衡时电子积累达到动态平衡时F FL LF FH H0 0，即，即vBvBU UH H/b/b。 电流密度电流密度j=-nevj=-nev，n n为为N N型半导体中的电子浓度，即单型半导体中的电子浓度，即单位体积中的电子数，负号表示电子运动速度的方向与位体积中的电子数，负号表示电子运动速度的方向与电流方向相反。所以电流方向相反。所以I=jbd=-nevbdI=jbd=-nevbd，即，即v=-I/(nebdv=-I/(nebd) ) 。将将v v代入上述力平衡式，则得代入上述力平衡式，则得 山东

24、理工大学机械学院第五章 磁电式传感器cos/1IBkUdRkkneRRIBkdIBRnedIBUHHHHHHHHHH角时，则若磁场和薄片法线有电动势的大小。制电流时的霍尔位磁感应强度和单位控何尺寸有关，表示在单性质和几，它与载流材料的物理灵敏度系数，质决定；），由载流材料物理性（霍尔系数，小结：小结：具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件。霍尔式传具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件。霍尔式传感器就是由霍尔元件所组成。感器就是由霍尔元件所组成。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器讨论：讨论： 金属材料金属材料中自由电子浓度中自由电子浓度n n很高，因此很高，因此R RH H很小，使输出很小，使

25、输出U UH H极极小，不宜作霍尔元件。小，不宜作霍尔元件。 如果是如果是P P型半导体，载流子是空穴，若空穴浓度为型半导体，载流子是空穴，若空穴浓度为p p，同理，同理可得可得U UH HIB/pedIB/ped。 因因R RH H（其中（其中为材料电阻率；为材料电阻率；为载流子迁移率，为载流子迁移率，=v/E=v/E，即单位电场强度作用下载流子的平均速度），一，即单位电场强度作用下载流子的平均速度），一般电子迁移率大于空穴迁移率，因此般电子迁移率大于空穴迁移率，因此霍尔元件多用霍尔元件多用N N型半型半导体材料导体材料。 霍尔元件越薄（即霍尔元件越薄（即d d越小），越小），k kH H就

26、越大，所以通常霍尔元就越大，所以通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件厚度只有件都较薄。薄膜霍尔元件厚度只有1m1m左右。左右。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器（二）霍尔元件（二）霍尔元件霍尔元件的外形如图霍尔元件的外形如图5-7a5-7a所示，它是由霍尔片、所示，它是由霍尔片、4 4根引线根引线和壳体组成，如图和壳体组成，如图5-7b5-7b所示。所示。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器霍尔片：霍尔片： 矩形半导体单晶薄片（一般为矩形半导体单晶薄片（一般为4 42 20.1mm0.1mm3 3）；）； 长度方向两端面上焊有长度方向两端面上焊有a a、b b两根引线，称为控制电流端

27、引两根引线，称为控制电流端引线，通常用线，通常用红色导线红色导线。其焊接处称为。其焊接处称为控制电流极控制电流极（或称激（或称激励电极），要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧励电极），要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触（无姆接触（无PNPN结特性）。结特性）。 在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c c、d d两两根霍尔输出引线，通常用根霍尔输出引线，通常用绿色导线绿色导线。其焊接处称为。其焊接处称为霍尔电霍尔电极极，要求欧姆接触，且，要求欧姆接触，且电极宽度与基片长度之比要小于电极宽度与基片长度之比要小于0.10.1，否则影

28、响输出。，否则影响输出。壳体壳体用非导磁金属，陶瓷或环氧树脂封装。用非导磁金属，陶瓷或环氧树脂封装。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器霍尔元件材料：霍尔元件材料：目前最常用的霍尔元件材料是锗（目前最常用的霍尔元件材料是锗（GeGe）、硅（）、硅（SiSi）、）、锑化铟（锑化铟（InSbInSb）、砷化铟（）、砷化铟（InAsInAs）和不同比例亚砷酸）和不同比例亚砷酸铟和磷酸铟组成的铟和磷酸铟组成的InIn（AsAsy yP P1-1-y y）型固熔体（其中）型固熔体（其中y y表示表示百分比）等半导体材料。百分比）等半导体材料。 各类材料的性能比较各类材料的性能比较。山东理工大学机械

29、学院第五章 磁电式传感器（三）霍尔元件的电磁特性（三）霍尔元件的电磁特性1 1、U UH HI I特性特性l 图图5 58a8a，磁场、温度一定，控制电流，磁场、温度一定，控制电流I I与霍尔输出电动势与霍尔输出电动势U UH H成线性。成线性。l 直线斜率为控制电流灵敏度直线斜率为控制电流灵敏度kIkI。2 2、U UH HB B特性特性l 图图5 58b8b，控制电流恒定，开路霍尔输出随磁感应强度增，控制电流恒定，开路霍尔输出随磁感应强度增加并不完全成线性。加并不完全成线性。3 3、R RB B特性特性l 霍尔元件输入电阻与磁场之间关系：内阻随磁场绝对值增霍尔元件输入电阻与磁场之间关系：内

30、阻随磁场绝对值增加而增加，即磁阻效应。加而增加，即磁阻效应。l 磁阻效应导致霍尔输出降低，尤其是强磁场，需补偿措施。磁阻效应导致霍尔输出降低，尤其是强磁场，需补偿措施。山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器二、霍尔元件的误差及其补偿二、霍尔元件的误差及其补偿（一）零位误差及其补偿（一）零位误差及其补偿1 1、不等位电动势、不等位电动势U Uo o及其补偿及其补偿 含义：含义：不等位电动势是零位误差中最主要的一种。当霍尔不等位电动势是零位误差中最主要的一种。当霍尔元件在额定控制电流元件在额定控制电流( (元件在空气中温升元件在空气中温升1010所对应的电所对应的电流流) )作用下，作用下，不加

31、外磁场时不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载电势，霍尔输出端之间的空载电势，称为不等位电动势称为不等位电动势U U0 0。 产生原因：产生原因： 由于制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍由于制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上，尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上，如图如图5-8a5-8a所示。所示。 此外霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均匀或控制电流极此外霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均匀或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜（见图接触不良都将使等位面歪斜（见图5-8b5-8b），致使两霍尔电），致使两霍尔电极不在同一等位面上

32、而产生不等位电动势。极不在同一等位面上而产生不等位电动势。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器 要求：要求：U U0 0lmVlmV； 补偿方法：补偿方法：A工艺措施；工艺措施；A补偿电路：霍尔元件可等效为一个四臂电桥，如图补偿电路：霍尔元件可等效为一个四臂电桥，如图5-5-9a9a所示，因此可在某一桥臂上并上一定电阻而将所示，因此可在某一桥臂上并上一定电阻而将U U0 0降到降到最小，甚至为零。图最小，甚至为零。图5-9b5-9b中给出了几种常用的不等位中给出了几种常用的不等位电动势的补偿电路，其中不对称补偿简单，而对称补电动势的补偿电路，其中不

33、对称补偿简单，而对称补偿温度稳定性好。偿温度稳定性好。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器（二）温度误差及其补偿（二）温度误差及其补偿 产生原因：产生原因：一般半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓一般半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度而变化。霍尔元件由半导体材料制成，因此度等都随温度而变化。霍尔元件由半导体材料制成，因此它的性能参数如它的性能参数如输入和输出电阻输入和输出电阻、霍尔常数霍尔常数等也随温度而等也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。 补偿方法：补偿方法：1 1、采用恒流源

34、供电和输入回路并联电阻、采用恒流源供电和输入回路并联电阻n 温度变化引起霍尔元件输入电阻变化，在温度变化引起霍尔元件输入电阻变化，在稳压源供电稳压源供电时，使时，使控制控制电流变化电流变化，带来误差。为了减小这种误差，最好采用恒流源提供，带来误差。为了减小这种误差，最好采用恒流源提供控制电流。控制电流。n 元件的灵敏度系数元件的灵敏度系数k kH H也是温度的函数也是温度的函数，因此采用恒流源后仍有温，因此采用恒流源后仍有温度误差。为了进一步提高度误差。为了进一步提高U UH H的温度稳定性，对于具有的温度稳定性，对于具有正温度系数正温度系数的霍尔元件，可在其输入回路中的霍尔元件，可在其输入回

35、路中并联电阻并联电阻R R。n 并联电阻并联电阻 R R的计算：的计算：山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器00000000000000000000)(1)(15)(1/4/3)(1,)(121iiiiHtHtHHiHtiHiHiHpHpiitHHtiHRRRRRRRttRttBIkBIkRttRRIItRRRIItRRRIIRIRIIIIttRRttkktRkt，一般温度变化，有）为使霍尔电动势不随（。时，；时，）（，）（电阻温度系数。灵敏度温度系数，。输入电阻，灵敏度系数）温度（；，输入电阻，灵敏度系数）温度（山东理工大学机械学院第五章 磁电式传

36、感器2 2、合理选择负载电阻、合理选择负载电阻R RL L的阻值的阻值 霍尔元件的输出电阻霍尔元件的输出电阻R Ro o和霍尔电势和霍尔电势U UH H都是温度的函数（设都是温度的函数（设为正温度系数），当霍尔元件接有负载为正温度系数），当霍尔元件接有负载R RL L（如放大器的输（如放大器的输入电阻）时，在入电阻）时，在R RL L上的电压为上的电压为 R Ro0o0温度为温度为t t0 0时的霍尔元件输出电阻。时的霍尔元件输出电阻。 为使负载上的电压不随温度而变化，应使为使负载上的电压不随温度而变化，应使d dU UL L/d(/d(t t- -t t0 0)=0)=0，即得即得 山东理工

37、大学机械学院第五章 磁电式传感器3 3、采用恒压源和输入回路串联电阻、采用恒压源和输入回路串联电阻 当霍尔元件采用稳压电源供电，且霍尔输出开路状态下当霍尔元件采用稳压电源供电，且霍尔输出开路状态下工作时，可在输入回路中串入适当的电阻来补偿温度误差。工作时，可在输入回路中串入适当的电阻来补偿温度误差。4、采用温度补偿元件、采用温度补偿元件 这是一种常用的温度误差的补偿方法，尤其适用于锑化铟这是一种常用的温度误差的补偿方法，尤其适用于锑化铟材料的霍尔元件，图材料的霍尔元件，图5-115-11示出了几种不同连接方式的例子。示出了几种不同连接方式的例子。 热敏电阻热敏电阻R Rt t具有负温度系数，电

38、阻丝具有正温度系数。图具有负温度系数，电阻丝具有正温度系数。图a a、b b、c c中霍尔元件材料为锑化铟，其中霍尔元件材料为锑化铟，其霍尔输出具有负温霍尔输出具有负温度系数度系数。图。图d d为用为用R Rt t补偿霍尔输出具有正温度系数的温度补偿霍尔输出具有正温度系数的温度误差。误差。 使用时要求这些热敏元件尽量靠近霍尔元件，使它们具有使用时要求这些热敏元件尽量靠近霍尔元件，使它们具有相同的温度变化。相同的温度变化。山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器三、应用三、应用（一）霍尔式位移传感器（一）霍尔式位移传感器 保持霍尔元件的控制电流恒定，而使霍

39、尔元件在一个保持霍尔元件的控制电流恒定，而使霍尔元件在一个均均匀梯度的磁场匀梯度的磁场中沿中沿x x方向移动如图方向移动如图5-135-13所示。则输出的霍所示。则输出的霍尔电势为尔电势为 k k位移传感器的灵敏度。位移传感器的灵敏度。霍尔电势的极性表示了元件位移的方向。磁场梯度越大，灵霍尔电势的极性表示了元件位移的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。为了得敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。为了得到均匀的磁场梯度，往往将磁钢的磁极片设计成特殊形状，到均匀的磁场梯度，往往将磁钢的磁极片设计成特殊形状，如图如图5-14b5-14b所示。这种位移传感器可用来测

40、量所示。这种位移传感器可用来测量0.5mm0.5mm的小的小位移，特别适用于微位移、机械振动等测量。位移，特别适用于微位移、机械振动等测量。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器图图5-13 5-13 霍尔式位移传感器原理示意图霍尔式位移传感器原理示意图 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器讨论：讨论：l 霍尔电势的极性表示了元件位移的方向。霍尔电势的极性表示了元件位移的方向。l 磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。为了得到均匀的磁场梯度，往往将磁钢的磁极度就越好。为了得到均匀的磁场梯度，往往将磁钢的磁极片设计成

41、特殊形状，如图片设计成特殊形状，如图5-14b5-14b所示。所示。l 这种位移传感器可用来测量这种位移传感器可用来测量0.5mm0.5mm的小位移，特别适用的小位移，特别适用于微位移、机械振动等测量。于微位移、机械振动等测量。山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器（二）霍尔式压力传感器（二）霍尔式压力传感器 霍尔式压力传感器如图霍尔式压力传感器如图5-14a5-14a所示。它首先由弹性元件所示。它首先由弹性元件（可以是波登管或膜盒）将被测压力变换成位移，由于霍（可以是波登管或膜盒）将被测压力变换成位移，由于霍尔元件固定在弹性元件的自由端上，因此弹性元件产生位尔元件固定在弹性元件的自由端上，

42、因此弹性元件产生位移时将带动霍尔元件，使它在线性变化的磁场中移动，从移时将带动霍尔元件，使它在线性变化的磁场中移动，从而输出霍尔电势。而输出霍尔电势。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器第三节第三节 磁栅式传感器磁栅式传感器l 组成：组成：磁栅和磁头；磁栅和磁头；l 基本工作原理：基本工作原理：A磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁带录音的原磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁带录音的原理将理将等节距的周期变化的电信号等节距的周期变化的电信号( (正弦波或矩形波正弦波或矩形波) )用用录磁的方法录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成的。记录在磁性尺子或圆盘上而制成的。A装有磁栅传感器的仪

43、器或装置工作时，磁头相对于磁装有磁栅传感器的仪器或装置工作时，磁头相对于磁栅有一定的相对位置或位移，在这个过程中，栅有一定的相对位置或位移，在这个过程中，磁头把磁头把磁栅上的磁信号读出来磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测位置或位移转，这样就把被测位置或位移转换成电信号。换成电信号。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器一、磁栅一、磁栅（一）结构（一）结构 磁栅基体磁栅基体1 1是用是用不导磁材料不导磁材料做成的，上面镀一层均匀的磁做成的，上面镀一层均匀的磁性薄膜性薄膜2 2，经过录磁，其磁信号排列情况如图中所示。目，经过录磁，其磁信号排列情况如图中所示。目前长磁栅常用的磁信号节距一般为前长

44、磁栅常用的磁信号节距一般为0.05mm0.05mm和和0.02mm0.02mm两种，两种，圆磁栅的角节距一般为几角分至几十角分。圆磁栅的角节距一般为几角分至几十角分。 磁栅基体磁栅基体1 1要有良好的加工性能和电镀性能，其线膨胀系要有良好的加工性能和电镀性能，其线膨胀系数应与被测件接近数应与被测件接近, , 基体也常用钢制作基体也常用钢制作，然后用镀铜的方，然后用镀铜的方法解决隔磁问题，铜层厚度约为法解决隔磁问题，铜层厚度约为0.150.150.20mm0.20mm。 磁性薄膜磁性薄膜2 2的剩余磁感应强度的剩余磁感应强度B Br r要大、矫顽力要大、矫顽力H Hc c要高、性要高、性能稳定、

45、电镀均匀。目前常用的磁性薄膜材料为能稳定、电镀均匀。目前常用的磁性薄膜材料为镍钴磷合镍钴磷合金，金，薄膜厚度在薄膜厚度在0.100.100.20mm0.20mm左右。左右。山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器（二）类型（二）类型 磁栅分为长磁栅和圆磁栅两大类，前者用于测量直线位磁栅分为长磁栅和圆磁栅两大类，前者用于测量直线位移，后者用于测量角位移。移，后者用于测量角位移。1、长磁栅、长磁栅 尺型：尺型： 在一根不导磁材料（例如铜或玻璃）制成的尺基上镀一层在一根不导磁材料（例如铜或玻璃）制成的尺基上镀一层Ni-Co-PNi-Co-P或或Ni-CoNi-

46、Co磁性薄膜，然后录制而成。磁性薄膜，然后录制而成。 磁头一般用磁头一般用片簧机构片簧机构固定在磁头架上，工作中磁头架沿磁固定在磁头架上，工作中磁头架沿磁尺的基准面运动，尺的基准面运动，磁头不与磁尺接触磁头不与磁尺接触。 尺型磁栅主要用于尺型磁栅主要用于精度要求较高的场合精度要求较高的场合。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器带型：带型： 用于量程较大或安装面不好安排的场合；用于量程较大或安装面不好安排的场合； 磁尺磁尺1 1是在一条宽约是在一条宽约20mm20mm、厚约、厚约0.2mm0.2mm的铜带上镀一层磁性的铜带上镀一层磁性薄膜，然后录制而

47、成的。薄膜，然后录制而成的。 2 2为软垫（常用泡沫塑料），为软垫（常用泡沫塑料），3 3为防尘与屏蔽罩，为防尘与屏蔽罩，4 4为上压为上压板，板，5 5为拉紧块。为拉紧块。 带状磁尺的录磁与工作均在张紧状态下进行。带状磁尺的录磁与工作均在张紧状态下进行。 磁头在接触状态下读取信号，能在振动环境下正常工作。磁头在接触状态下读取信号，能在振动环境下正常工作。山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器同轴型：同轴型： 在在2mm2mm的青铜棒上电镀一层磁性薄膜，然后录制而成。的青铜棒上电镀一层磁性薄膜，然后录制而成。 磁头套在磁棒上工作，如图磁头套在磁棒上工作，如图5-16c5-16c所示，两者之间

48、具有微所示，两者之间具有微小的间隙。由于磁棒的工作区被磁头围住，对周围的磁场小的间隙。由于磁棒的工作区被磁头围住，对周围的磁场起了很好的屏蔽作用，增强了它的抗干扰能力。起了很好的屏蔽作用，增强了它的抗干扰能力。 这种磁栅传感器结构特别小巧，可用于结构紧凑的场合或这种磁栅传感器结构特别小巧，可用于结构紧凑的场合或小型测量装置中。小型测量装置中。2 2、圆磁栅、圆磁栅 圆磁栅传感器如图圆磁栅传感器如图5-175-17所示。磁盘所示。磁盘1 1的圆柱面上的磁信号的圆柱面上的磁信号由磁头由磁头3 3读取，磁头与磁盘之间应有微小的间隙以避免磨读取，磁头与磁盘之间应有微小的间隙以避免磨损。罩损。罩2 2起

49、屏蔽作用。起屏蔽作用。 山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器山东理工大学机械学院第五章 磁电式传感器二、磁头二、磁头（一）动态磁头（一）动态磁头l 动态磁头为非调制式磁头，又称动态磁头为非调制式磁头，又称速度响应式磁头速度响应式磁头，它只有，它只有一组线圈。一组线圈。l 图图5-18a5-18a所示为动态磁头的实例，其所示为动态磁头的实例，其铁心铁心由每片厚度为由每片厚度为0.2mm0.2mm的铁镍合金（含的铁镍合金（含Ni80Ni80）片叠成需要的厚度）片叠成需要的厚度, , 前端前端放入放入0.01mm0.01mm厚度的铜片，后端磨光靠紧。线径厚度的铜片，后端磨光靠紧。线径d d0.0

50、5mm0.05mm，匝数匝数N N= 2= 2l000l0002 2l200l200，电感量约为，电感量约为L L=4.5mH=4.5mH。l 当磁头与磁栅之间以一定的速度相对移动时，由于电磁感当磁头与磁栅之间以一定的速度相对移动时，由于电磁感应将在磁头线圈中产生感应电动势。当磁头与磁栅之间的应将在磁头线圈中产生感应电动势。当磁头与磁栅之间的相对运动速度不同时相对运动速度不同时, ,输出感应电动势的大小也不同输出感应电动势的大小也不同, , 静静止时，就没有信号输出。因此它止时，就没有信号输出。因此它不适合用于长度测量不适合用于长度测量。l 用此类磁头读取信号的示意图如图用此类磁头读取信号的示意图如图5-18b5-18b所示。读出信号所示。读出信号为正弦信号，在为正