第7章磁电式传感器

1、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7.2霍尔式传感器霍尔式传感器第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器: 通过磁电作用将被测量转换成 电信号的一种传感器。 主要类型主要类型: 磁电感应式传感器 霍尔式传感器第第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磁电感应式传感器又称磁电式传感器。传感机理：利用电磁感应原理将被测量（如振动、位 移、转速等）转换成电信号。它不需要辅助 电源，是一种有源传感器。一、一、 磁电感应式传感器工作原理磁电感

2、应式传感器工作原理线圈内的感应电势e与磁通变化率d/dt之间关系: dtdWe 磁电传感器结构: 变磁通式 恒磁通式。 磁阻式第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器1变磁通式传感器变磁通式传感器 （磁阻式）（磁阻式） 工作原理：被测量磁路磁阻变化 磁通变化 产生感应电势e f = Z n60 (Hz)第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式转速传感器磁电式转速传感器 CS-CCT-01 该磁电式转速传感器常用于发动机速度测量，当齿轮旋转时，通过传感器线圈的磁力线发生变化，在传感器线圈中产生周期性的电压，通过对该电压处理计数，测出齿轮的转速。特点：特点：可检测齿轮、曲轴、轮辐、等转动且有缝隙的表

3、面输出信号强抗干扰性能力强 无需供电无需控制装置提供任何激励电路安装使用方便 可在烟雾、油气、水气等恶劣环境中使用第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器输出电压的变化：输出电压的变化：输出电压随转速增加而增加，输出电压随气隙增大而减小，输出电压波形取决于齿轮相对 于敏感头的尺寸和形状。主要参数：主要参数：检测距离（敏感头和齿轮之间垂直距离范围）：0.251.02mm工作温度：-10+125齿直径：0.51mm直流电阻：20015(25)测速范围：7099999转/分输出电压：130V正弦波信号输出阻抗 200输出频率：HZ=齿轮数量*齿转速/60抗振动：20g第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器

4、2恒磁通式磁电传感器恒磁通式磁电传感器 组成组成:永久磁铁、线圈、弹簧、金属骨架等。 第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器磁铁与线圈的相对运动切割磁力线, 从而产生感应电势为 e = - B0 l W v (7 - 3) 式中: B0 工作气隙磁感应强度; l每匝线圈平均长度; W线圈在工作气隙磁场中的匝数; v相对运动速度。 二、二、 磁电感应式传感器基本特性磁电感应式传感器基本特性 测量电路接入磁电传感器电路中, 磁电传感器的输出电流Io为 Io = （7 - 4）式中: R f测量电路输入电阻; R 线圈等效电阻。ffRRlWvBRRE0第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器传感器的电流灵

5、敏度为 SI= (7 - 5)传感器的输出电压和电压灵敏度分别为 (7 - 6) (7 - 7) 当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、 机械振动或冲击时, 其灵敏度将发生变化而产生测量误差。 相对误差为 (7 - 8)fRRlWBvI0fffRRlWvRBRIU000ffURRlWRBvUS00RdRLdLBdBsdsII第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器1.非线性误差非线性误差2.产生原因： 线圈内电流I交变磁通I -I +I附加磁通削弱工作磁通附加磁通增强工作磁通导致非线性误差补偿方法补偿方法:传感器中加入参数适当的补偿线圈（如 图7-2所示） 产生交变磁通2 2 与1相抵消第

6、第7章章 磁电式传感器磁电式传感器2、温度误差、温度误差原因：T变化灵敏度变化测量误差 T变化时，dB/B、 dl/l、 dR/R均不为 0。补偿方法： 采用热磁分流器 T正常时，分路掉一小部分工作磁通 T时，分路掉的磁通显著降低为一负值工作磁通增加恒定铜线:dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-2 dB/B-0.0210-2 t(-4.5%)/10 RdRLdLBdBsdsII由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器 三、磁电式传感器测量电路三、磁电式传感器测量电路测量图如下图所示：当S在“1”时，经过一微分电路，可测加速度。当S在“2”时，经

7、过一积分电路，可测位移。当S在“3”时，传感器输出信号直接送主放大器，可测速度。第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器四、四、 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用 1. 动圈式振动速度传感器动圈式振动速度传感器第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器DM6200系列振动速度传感器 第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器1HZ地脉动测试传感器地脉动测试传感器 EG-1地脉动检波器是把地震信号转换为电信号的一种动圈式速度型传感器。该检波器具有灵敏度高，一致性好，结构牢靠，密封防水性好等特点，可用于天然地震检测和建筑工程地脉动测试等方面的低频测振。 第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器NE6100

8、磁电式转速传感器 NE360300磁电式速度传感器 NE360400磁电式速度传感器 NE360200磁电式速度传感器 NE360100磁电式速度传感器 NE3600 系列磁电式速度传感器 第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器NE6100磁电式转速传感器磁电式转速传感器又称为变磁阻式或变气隙式传感器名称:NE6100磁电式转速传感器磁电式转速传感器是高性价比、用途广泛的常用转速传感器。NE360300磁电式速度传感器名称:NE3600系列磁电式速度传感器兼容EPRO公司PR9266频率响应：NE360300：101000Hz(-3db) 灵敏度：NE360300：30mv/mm/s，峰值3%

9、线性度：2% 横向灵敏度：4%最大 最大振幅：NE360300：1000um（峰峰值） 工作与储存温度：-20+120。NE360400磁电式速度传感器名称:NE3600系列磁电式速度传感器兼容EPRO公司 PR9268 频率响应：NE360400：41000Hz(-3db)。 灵敏度：NE360400：28.5mv/mm/s，峰值5%。 线性度：2%。 横向灵敏度：4%最大 最大振幅： NE360400：3000um（峰峰值） 工作与储存温度：-20+120。第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器NE360200磁电式速度传感器名称:NE3600系列磁电式速度传感器兼容BENTLY公司9200

10、速度传感 频率响应：最小工作频率到1000Hz（-3db)。 灵敏度：20mv/mm/s(500mV/inch/sec)，峰值5% （在100Hz，速度为25mm/s情况下测得）。 横向灵敏度：10%最大。 所带电缆长度：在速度传感器和监测器之间 最大为1000feet（305m。） 工作与储存温度范围： 普通型：-29到120； 高温型：-29到+200NE360100磁电式速度传感器名称:NE3600系列磁电式速度传感器频率响应： NE360100/01：101000Hz（-3db） NE360100/02： 51000Hz（-3db) NE360100/03： 51000Hz（-3db）

11、 灵敏度：20mv/mm/s,峰值 5%（在20Hz，速度为10mm/s情况下测得）。 幅值线性度：3% 横向灵敏度比：5% 最大可测位移：1mm（单峰值）NE3600 系列磁电式速度传感器名称:NE3600系列磁电式速度传感器NE3600磁电式速度传感器是惯性式传感器，它利用磁电感应原理把振动信号变换成电压信号，该电压正比于振动速度值。 技术特点： 1）可以兼顾高、中、低频振动测量应用，符 合国际标准对旋转机械振动评价的要求。 2）有较低的输出阻抗和良好的性噪比，与其 它设备连接方便，对电缆和接插件无特殊 要求，安装简单，易于使用。 3）灵活性好，可测量微小的振动（um级）。 4）有一定的抗

12、横向振动能力（10g峰值）。第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器2. 磁电式扭矩传感器磁电式扭矩传感器 第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔传感器:基于霍尔效应的一种传感器。用途:用于电磁测量、压力、加速度、振动等方 面的测量。 第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器一、霍尔效应及霍尔元件一、霍尔效应及霍尔元件 1. 霍尔效应霍尔效应 半导体薄片置于磁场中，当在其两端通以电流时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。霍尔效应。相应的电动势被称为霍尔电动势霍尔电动势半导体薄片被称为霍尔片霍尔片或霍尔元件

13、霍尔元件第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。方向的端面之间建立起霍尔电势。c cd da ab b第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器电磁力(洛仑磁力)fL大小为 f L = e B v （7 - 9）式中: e电子电荷; v电子运动平均速度; B磁场的磁感应强度。霍尔电场EH强度为 EH = （7 - 10）霍尔电场的作用力, f E = e E H e E H = e v B （7 - 11）则

14、 E H = v B （7 - 12）设:金属导电板单位体积内电子数为n, 电子定向运动平均速度为v, 则: 激励电流 I = n e v b d , 则 v = （7 - 13）bUHbdneI第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器将式（7 -13）代入式（7 - 12）得 E H = （7 -14）将上式代入式（7 - 10）EH = 得 U H = （7 -15） 令R H = 1/ne -霍尔常数, 大小取决于导体载流子密度，则霍尔电势可用下式表示: UH = RH （7 - 16）式中：K H 霍尔片的灵敏度，K H = R H / d ； R H 霍尔常数(霍尔系数)； I控制电流；

15、 B 磁感应强度； d霍尔元件厚度。nebdIBnedIBIBKdIBHbUH第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器结论结论： 霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片的厚度d成反比，为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。 霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。而半导体材料（尤其是N型半导体材料）的电阻率大，载流子迁移率高，因而可以获得很大的霍尔系数，适合制造霍尔元件。 目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、锑化铟、砷化稼等。dIBRUHH 第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器2. 霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构第第7章章 磁电式传感器磁电式

16、传感器 霍尔元件基本特性霍尔元件基本特性 1） 额定激励电流和最大允许激励电流 2） 输入电阻R i和输出电阻R 0 3） 不等位电势U 0和不等位电阻r0 4） 寄生直流电势 5） 霍尔电势温度系数 6）灵敏度KH 7）电阻温度系数 8）灵敏度系数 9）霍尔电压对磁场的非线性第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器 3. 霍尔元件基本特性霍尔元件基本特性 1） 额定激励电流和最大允许激励电流额定激励电流额定激励电流:当霍尔元件自身温升10时所流过的激励 电流。最大允许激励电流：最大允许激励电流：以元件允许最大温升为限制所对应 的激励电流。 2） 输入电阻R i和输出电阻R 0输入电阻输入电阻R

17、i： 激励电极间的电阻。输出电阻输出电阻R 0 ：霍尔电压极间电阻。(额定控制电流)第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器3） 不等位电势U 0和不等位电阻r0不等位电动势：不等位电动势：霍尔元件在额定控制电流作用下，不加 外磁场时，其霍尔电压电极间的电动势。产生不等位电势的原因原因有: 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。 不等位电阻不等位电阻r0：不等位电动势与额定控制电流之比。 r0 = U0 / I 第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器4） 寄生直流电势 在不加外磁场时，交流控

18、制电流通过霍尔元件而在霍尔电极间产生的直流电动势。 产生的原因有: 激励电极与霍尔电极接触不良, 形成非欧姆接触, 造 成整流效果； 两个霍尔电极大小不对称, 则两个电极点的热容不同, 散热状态不同形成极向温差电势。5） 霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下, 温度每变化1时, 霍尔电势变化的百分率。它也是霍尔系数的温度系数。 第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器6）灵敏度KH灵敏度：在单位磁感应强度下，通以单位控制电流所产 生的霍尔电压。7）电阻温度系数为温度每变化1霍尔元件材料的电阻变化的百分率。8）灵敏度系数为温度每变化1霍尔元件灵敏度变化率。9）霍尔电压对磁场的非线性%100

19、)()()(BUBUBUNHHHL式中：）（、BUBUHH)(分别为在一定磁场B下，实际测量的霍尔 电压和理论值第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器4.霍尔元件不等位电势补偿霍尔元件的等效电路图如图7-12示A、B为霍尔电极C、D为激励电极(1)理想情况下，r1=r2=r3=r4电桥平衡，不等位电势U0=0；(2)实际情况下，四个电阻并不完全相等，电桥不平衡，产生U0输出；(3)补偿办法：加平衡电阻，并调节之，使电桥平衡；第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器7霍尔元件的特点及应用范围霍尔元件的特点及应用范围(1)特点特点1) 可测磁物理量及电量，可通过转换测量其他非2) 电量；2) 可方便准确地实现乘法运算，可构成各种非线性运算部件； 3) 频率范围宽；4) 体积小、重量轻、使用方便；5) 稳定性好，寿命长可使用无限次；6) 测量方式是非接触测量。第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器(2)应用范围应用范围 保持