传感器第7章 ppt课件

1、第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用磁电感应式传感器又称磁电式传感器,利用电磁感应原理将被丈量(振动、位移、转速)转换成电信号的一种传感器第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器7.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器它不需辅助电源把被测的机械量转成电信号,有源传感器输出功率大且性能稳定,义务带宽(101000 Hz), 运用广 由电磁感应定律, w匝线圈在磁场内运动时,E-wdF/dt7.1.1 磁电感应式传感器义务原理磁电感应式传感器义务原理两种磁电传感器: 变磁通式和恒磁通式。1、变磁通式：也称变磁阻式或变气隙式第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感

2、器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用图a为开磁路变磁通式，每转动一个齿,磁路磁阻变化一次,磁通也就变化一次, 感应电势变化频率等于被测转速与丈量齿轮齿数的乘积。图b为闭磁路变磁通式.齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化,引起磁通的变化,线圈产生周期变化的感生电动势。这种传感器构造简单,输出信号较小,不宜丈量高转速。感应电势频率与转速成正比 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用2、恒定磁通式磁路系统产生恒定直流磁场,磁路中义务气隙固定不变,因此气隙中磁通也是恒定不变的。运动部件可以是线圈动圈式图a, 运动部件可以是磁铁动铁式图b义务原理是完全一

3、样当振动频率远大于固有频率时, 运动部件不随振动体振动, 能量被弹簧吸收,磁铁与线圈间的相对运动速度接近于振动速度, 产生感应电势为 E=-B0lWv典型构造如图第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用传感器的电流灵敏度为00IfIB lWSvRR000fffBlwvRUI RR R00fUfB lwRUSvRR磁电传感器接入丈量电路中,输出电流Io为7.1.2 磁电感应式传感器根本特性磁电感应式传感器根本特性00ffB lWvEIRRRR传感器义务温度发生变化或遭到外界磁场干扰、机械振动或冲击时,灵敏度发生变化而产生丈量误差。 相对误差为传感器输出电压

4、和电压灵敏度分别为IIdsdBdldRsBlRRERfIoUo第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用主要缘由: 传感器线圈有电流I流过时,产生交变磁通I,叠加在永久磁铁所产生的义务磁通上,使恒定的气隙磁通变化如以下图。1. 1. 非线性误差非线性误差传感器线圈相对于磁铁运动速度大时,产生较大感生电势E和电流I产生的附加磁场与原义务磁场方向相反,减弱义务磁场作用, 使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。当线圈的运动速度与图示方向相反时,产生的附加磁场方向与义务磁场同向, 从而增大了传感器的灵敏度。线圈运动速度方向不同, 传感器的灵敏度具有不同的数值

5、第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。传感器灵敏度越高,线圈中电流越大, 非线性越严重为补偿上述干扰,在传感器中参与补偿线圈,如图a。适中选择补偿线圈参数, 使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通相互抵消, 从而到达补偿的目的。第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用温度变化,误差式中右边三项不为零,对铜线每摄氏度变化量为dl/l0.16710-4,dR/R0.4310-2,对铝镍钴永磁合金dB/B-0.0210-2,可得近似值:t(-4.5%)/10 2.

6、 2. 温度误差温度误差 补偿通常采用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性资料做成。当温度升高时,热磁分流器的磁导率显著下降,分流掉的磁通占总磁通的比例较正常义务温度下显著降低, 坚持空气隙的义务磁通不随温度变化, 维持传感器灵敏度为常数。第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用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。 图为普通丈量电路方框图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

7、丈量电路第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用图为用集成运算放大器组成的积分或微分丈量电路。传感传感器器1231R223C1R1R4R5C2R3R3SST1T2-+-+U0传感器传感器1231R223C1R1C2R3SSU0第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用左图是动圈式振动速度传感器构造表示图7.1.4 磁电感应式传感器的运用磁电感应式传感器的运用1. 1. 动圈式振动速度传感器动圈式振动速度传感器义务时,传感器外壳和永久磁铁随物体振动, 芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不振动。线圈切割磁力线产生正比于振动速度的

8、感应电动势,线圈的输出经过引线输出到丈量电路，丈量振动速度参数, 。在丈量电路中接入积分电路, 那么输出电势与位移成正比; 在丈量电路中接入微分电路, 那么其输出与加速度成正比。第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用2. 2. 磁电式扭矩传感器磁电式扭矩传感器左图是磁电式扭矩传感器的义务原理图。第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用在驱动源和负载之间改动轴的两侧安装有齿形圆盘, 它们旁边装有相应的两个磁电传感器。磁电传感器的构造见图所示。传感器检测元件部分由永久磁场、感应线圈和铁芯组成。当齿形圆盘旋转时,引起磁

9、路气隙的变化,磁通量发生变化, 在线圈中感应出交流电压,频率等于齿数与转数乘积。扭矩作用在改动轴上时,磁电传感器输出的感应电压u1和u2存在相位差。这相位差与改动轴的改动角成正比。传感器就可以把扭矩引起的改动角转换成相位差的电信号。 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。用于电磁丈量、压力、加速度、振动等丈量。7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器1. 1. 霍尔效应霍尔效应7.2.1 霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及霍尔元件bHU-e- - - - + + + +huf efmBE在垂直于B的方向上放置一导电板,通电流I,

10、方向如以下图。电子受洛仑磁力fm作用 ， f m 大 小 为 ：fm=eBv 。 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用使金属导电板前面积累电子, 而后面积累正电荷, 从而构成了附加内电场EH, 称霍尔电场, EH=UH/b霍尔电场的出现,使定向运动的电子除受洛仑磁力作用外,还受霍尔电场的作用力,大小为eEH，阻止电荷继续积累。当电子所受洛仑磁力与霍尔电场力大小相等、方向相反时,eEH=evB,即EH=vB,到达平衡外形。金属板单位体积内电子数为n, 电子定向运动平均速度为v, 那么鼓励电流I=nevbd, 那么v=I/bdne得EH=IB/bdne

11、UH=IB/bne,令RH=1/(ne)称为霍尔常数,KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。那么UH=RHIB/d=KHIB霍尔电势正比于鼓励电流及磁感应强度,灵敏度与霍尔常数RH成正比与厚度d成反比。霍尔元件常制成薄片外形。 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用霍尔片资料的要求,有较大的霍尔常数RH, nebdLbdL鼓励极间电阻R=L/bd, 同时R=UI/I=EL/I=vL/(nevbd),霍尔常数等于霍尔片资料电阻率与电子迁移率的乘积。那么解得RH=要求霍尔片资料有较大的电阻率和载流子迁移率。 金属载流子迁移率高,电阻率小;而绝缘资料电阻率极高,

12、 载流子迁移率极低。故只需半导体资料适于制造霍尔片N型锗容易加工制造,霍尔系数、温度性能和线性度都较好N型硅的线性度最好, 霍尔系数、温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感,低温温度系数大,室温霍尔系数较大砷化铟霍尔系数较小,温度系数也较小,输出特性线性度好第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用霍尔元件的构造简单,由霍尔片、引线和壳体组成,如图a所示2. 2. 霍尔元件根本构造霍尔元件根本构造霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四个引线。1、1引线加鼓励电压或电流，称为

13、鼓励电极；2、2引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图b。 b第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用元件本身温升10时所流过的鼓励电流称为额定鼓励电流3. 3. 霍尔元件根本特性霍尔元件根本特性1 额定鼓励电流和最大允许鼓励电流元件允许最大温升对应的鼓励电流称为最大允许鼓励电流运用中选用尽可以大的鼓励电流, 改善霍尔元件的散热条件, 可以使最大允许鼓励电流添加。2 输入电阻和输出电阻鼓励电极间的电阻值称为输入电阻;霍尔电极输出相当于电压源，其内阻输出电阻称为电势电阻值是在

14、磁感应强度为零且环境温度在205时确定的。3 不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的鼓励电流为I时,元件所处位置磁感应强度为零时测得的空载霍尔电势称不等位电势。第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用产生缘由:霍尔电极安装不对称或不在同一等电位面上 资料不均匀呵斥了电阻率不均匀或几何尺寸不均匀 鼓励电极接触不良呵斥鼓励电流不均匀分布等。不等位电势也可用不等位电阻表示 r0=U0/IH不等位电势是鼓励电流流经不等位电阻r0所产生的电压。4 寄生直流电势：在外加磁场为零,霍尔元件用交流鼓励时,霍尔电极输出的直流电势,称寄生直流电势。产生缘由 电极接触不良, 构成

15、非欧姆接触, 呵斥整流效果; 两个霍尔电极大小不对称, 那么两个电极点的热容不同, 散热外形不同构成极向温差电势。寄生直流电势普通在1mV以下, 影响霍尔片温漂的缘由5 霍尔电势温度系数：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霍尔电势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用不等位电势与霍尔电势相当,消除它极困难,须采用补偿。4. 4. 霍尔元件不等位电势补偿霍尔元件不等位电势补偿采用分析电阻的方法来找到不等位电势的补偿方法。如图,A、B为鼓励极,C、D为霍尔极,极分布电阻用R1,

16、R2,R3,R4表示理想情况下,R1=R2=R3=R4,即可获得零位电势为零。不等位电阻的存在,此四个电阻值不相等,可将其视为电桥的四个桥臂,那么电桥不平衡。为使其到达平衡，可在阻值较大的桥臂上并联电阻(图a),或在两个桥臂上同时并联电阻(图b)。 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用霍尔元件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、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. 5. 霍尔元件温度补偿霍尔元件温度补偿减小霍尔元件温度误差, 除用温度系数小的元件或采用恒温措施外,用恒流源供电是有效

17、,可以使霍尔电势稳定。减小输入电阻随温度变化引起的鼓励电流I变化带来的影响霍尔元件的灵敏系数KH随温度变化引起霍尔电势的变化。它与温度的关系： KH=KH01+T多数霍尔元件的温度系数是正值,它们的霍尔电势随温度升高而添加1+T倍。同时让鼓励电流I相应地减小,坚持KHI乘积不变, 就抵消了灵敏系数KH添加的影响。第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用在图示电路中,初始温度为T0,霍尔元件输入电阻为Ri0,灵敏系数为KH1,分流电阻为Rp0, 得电路中用一个分流电阻Rp与霍尔元件的鼓励电极相并联。)/(I000H0iPPRRIR左图是按此设计的一个简单、

18、补偿效果又较好的补偿电路。RpUHISIpIH输入电阻随温度升高而添加,旁路分流电阻Rp自动地加强分流, 减少了霍尔元件鼓励电流I,从而到达补偿的目的。当温度升至T时, 电路中各参数变为Ri=Ri0(1+T),Rp=Rp0(1+T)那么PHPiR IIRR)1()1()1(000TRTRITRiPP第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用UH0=UH, KH0IH0B=KHIHB,aRai0P0)(R温度升高T,补偿电路须满足温升前、后霍尔电势不变, 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。那么:KH0IH0=KHIH略去(T)2得:计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值。 为了满足R0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。第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用霍尔元件可用于磁感应强度,有功功率,电能参数及位移丈量。7.2.2 霍尔式传感器的运用1. 1. 霍尔式微位移传感器霍尔式微位移传感器图a的传感器,其动态范围可达5 mm, 分辨率为 0.001mm。图b是一种构造简单的霍尔位移传感器图c是一个由两个构造一样磁路组成的霍尔式位