第四章 速度的检测

1、 如果波源和观察如果波源和观察者之间有相对运动，者之间有相对运动，那么观察者接收到的那么观察者接收到的频频率率和波源的频率就和波源的频率就不相同了，这种现象不相同了，这种现象叫做多普勒效应。测叫做多普勒效应。测出出 f 就可得到运动速就可得到运动速度。度。2cos21cos2vfvdtdLfvdtOMNOdLdd=+=：若光垂直于反射面，则频率漂移量：dttutuTRT0021)-()(1) (0lv=)/(sesseeKKKMKM=：游丝扭转变形的反力矩电磁力矩：mmffmffN+=11)1(0TNf=磁电式传感器机械能机械能电电 量量 电感式传感器是把电感式传感器是把被测量转换成电感量被测

2、量转换成电感量的变化，磁电式传感的变化，磁电式传感器通过检测磁场的变器通过检测磁场的变化测量被测量。化测量被测量。磁电传感器磁电传感器deNd t0eBlN 由由 磁电式传感器灵敏度：磁电式传感器灵敏度：0eN Blvsv 0SN Bl 电流灵敏度电流灵敏度: :0/IISAc msv电压灵敏度电压灵敏度： 0/USVc ms 根据以上原理有两种磁电感应式传感器：根据以上原理有两种磁电感应式传感器： 恒磁通式：磁路系统恒定磁场，运动部件可以是线恒磁通式：磁路系统恒定磁场，运动部件可以是线圈也可以是磁铁。圈也可以是磁铁。 变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁变磁通式：线圈、磁铁静止不动，

3、转动物体引起磁阻、磁通变化。阻、磁通变化。 图为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，图为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 测量齿轮安装在被测旋测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿， 齿的凹凸引起磁路磁阻变化齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，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上齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合

4、。因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。 实际应用中实际应用中磁敏元件主要用磁敏元件主要用于检测磁场，而于检测磁场，而与人们相关的磁与人们相关的磁场范围很宽，一场范围很宽，一般的磁敏传感器般的磁敏传感器检测的最低磁场检测的最低磁场只能到只能到 高斯。高斯。 磁场强度与磁场源的分布磁场强度与磁场源的分布610测磁的方法：测磁的方法：利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如：利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如： 磁头、机磁头、机 电设备、测转速、磁性标定、差动变压器；电设备、测转速、磁性标定、差动变压器； 利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件测量磁场；利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件测量磁

5、场； 利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器；利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器； 利用超导效应传感器，利用超导效应传感器，SQVID SQVID 约瑟夫元件；约瑟夫元件； 利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。 随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，微型化和集成化方向发展。微型化和集成化方向发展。 霍尔传感器属于磁敏元件，霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转磁敏元件也是基于磁电转换原理，换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。 随着半导体技术的发展

6、，磁敏元件得到应用和发展，随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。面的电磁、压力、加速度、振动测量。 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。磁敏传感器磁学量磁学量电信号电信号18781878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明

7、显，并且体积小有利于集成化。霍尔传材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传感器是基于霍尔效应。感器是基于霍尔效应。把一个导体（半导体薄片）两端通以电流把一个导体（半导体薄片）两端通以电流I I，在垂直方向施加，在垂直方向施加磁感强度磁感强度B B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I I和和磁场强度磁场强度B B的乘积成比例的电动势的乘积成比例的电动势 。 或通电的导体（半导体）放在磁场中，电流或通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I I与磁场与磁场B B方向垂方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。直，在

8、导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。 HU在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。 每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧： LFe B霍尔电场作用于电子的力霍尔电场作用于电子的力HHFeE霍尔电场霍尔电场HHUEb当两作用力相等时电荷不再当两作用力相等时电荷不再 向两边积累达到动态平衡：向两边积累达到动态平衡：HLFFHeEe B 结论：霍尔电势与输入电流结论：霍尔电势与输入电流I I、磁感应强度、磁感应强度B B成正比，且当成正比，且当B B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的

9、磁的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。 ( (二二) ) 霍尔元件的基本结构与基本测量电路霍尔元件的基本结构与基本测量电路1. 1. 霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构 霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的，霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的， 如如图（图（a a）所示。）所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四根引线：引出四根引线： 1 1、 11两根引线加激励电压或电流，称激励电极（控制电极）；两根引线加激

10、励电压或电流，称激励电极（控制电极）； 2 2、 22引线为引线为霍尔输出引线，霍尔输出引线， 称霍尔电极。称霍尔电极。 霍尔元件的壳体是用非导磁金属、霍尔元件的壳体是用非导磁金属、 陶瓷或环陶瓷或环氧树脂封装的。氧树脂封装的。 在电路中，在电路中， 霍尔元件一般可用两种符号表示，霍尔元件一般可用两种符号表示， 如图（如图（b b）所示。所示。 国产霍尔元件别号的命名方法如下：国产霍尔元件别号的命名方法如下：常见的国产霍尔元件型号有常见的国产霍尔元件型号有HZ1HZ1、HZ2HZ2、HZ3HZ3、HT1HT1、HT2HT2、HS1HS1等。等。 霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线，霍尔晶体的外

11、形为矩形薄片有四根引线， 两端加激励，两端为输出，两端加激励，两端为输出，RLRL为负载电阻为负载电阻 ； 电源电源E E通过通过R R控制激励电流控制激励电流I I； B B 磁场与元件面垂直（向里）磁场与元件面垂直（向里） 实测中可把实测中可把I I* *B B作输入，作输入， 也可把也可把I I或或B B单独做输入；单独做输入； 通过霍尔电势输出测量结果。通过霍尔电势输出测量结果。 输出输出UoUo与与I I或或B B成正比关系，或与成正比关系，或与I I* *B B成正比关系。成正比关系。 霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，为了获得较大的霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，为了获得较

12、大的霍尔电压，可将几个霍尔元件的输出串联起来，如图所示，在霍尔电压，可将几个霍尔元件的输出串联起来，如图所示，在这种连接方法中，激励电流极应该是并联的，如果将其接成串这种连接方法中，激励电流极应该是并联的，如果将其接成串联，霍尔元件将不能正常工作，虽然霍尔元件的串联可以增加联，霍尔元件将不能正常工作，虽然霍尔元件的串联可以增加输出电压，但其输出电阻也将增大。输出电压，但其输出电阻也将增大。( (三三) )霍尔元件的主要技术参数霍尔元件的主要技术参数(1) (1) 额定激励电流和最大允许激励电流额定激励电流和最大允许激励电流 当霍尔元件自身温升当霍尔元件自身温升1010时所流过的激励电时所流过的

13、激励电流称为额定激励电流。流称为额定激励电流。 以元件允许最大温升为限以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以使用霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以使用中希望选用尽可能大的激励电流，因而需要知道中希望选用尽可能大的激励电流，因而需要知道元件的最大允许激励电流。改善霍尔元件的散热元件的最大允许激励电流。改善霍尔元件的散热条件，可以使激励电流增加。条件，可以使激励电流增加。 (2） 输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻值称为输入电阻。激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极

14、输出电势对电路外部来说相霍尔电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。出电阻。 以上电阻值是在磁感应强度以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在为零，且环境温度在205时所确时所确定的。定的。 ( (三三) )霍尔元件的主要技术参数霍尔元件的主要技术参数 (3） 不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度时，若元件所处位置磁感应强度为零，为零， 则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不

15、等位电势。空载霍尔电势称为不等位电势。 产生这一现象的原因有：产生这一现象的原因有： 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； ( (三三) )霍尔元件的主要技术参数霍尔元件的主要技术参数 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸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；不均匀； 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。 ( (三三) )霍尔元件的主要技术参数霍尔元件的主要技术参数 (4） 寄生直流电势寄生直流电势 在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除在外加磁场为零、霍

16、尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。 其产生的原因有：其产生的原因有： 激励电极与霍尔电极接触不良，激励电极与霍尔电极接触不良， 形成非欧姆接触，形成非欧姆接触， 造成造成整流效果；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，两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同， 散热状态不同而形成极间温差电势。散热状态不同而形成极间温差电势。 寄生直流电势一般在寄生直流电势一般在1mV以下，它是影响霍尔片温漂的原以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。因之一。 ( (三三) )霍尔

17、元件的主要技术参数霍尔元件的主要技术参数 线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如如UGN3501等。等。 线性型三端线性型三端 霍尔集成电路霍尔集成电路( (五五) )霍尔集成传感器霍尔集成传感器OCOC门门 施密特施密特 触发电路触发电路 双端输入、双端输入、 单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件元件. .VccVcc( (六六) )霍尔传感器的应用霍尔传感器的

18、应用测量铁心测量铁心 气隙的气隙的B值值S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁带有微带有微型磁铁型磁铁的霍尔的霍尔传感器传感器钢质钢质霍尔霍尔汽车点火线圈汽车点火线圈高压输出高压输出接头接头12V低压电源低压电源输入接头输入接头桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图 1-1-触发器叶片触发器叶片 2- -槽口槽口 3- -分电器转轴分电器转轴 4- -永久磁铁永久磁铁 5- -霍尔集成电路（霍尔集成电路（PNP型霍尔型霍尔IC） a a）带缺口的触发器叶片）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系

19、 c c）叶片位置与点火正时的关系）叶片位置与点火正时的关系 普通直流电动机使用普通直流电动机使用的电刷和换向器的电刷和换向器 在右图中，当磁铁随在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔开关几毫米时，霍尔ICIC的输的输出由高电平变为低电平，经出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔（否则将撞坏霍尔ICIC）起到）起到限位的作用。限位的作用。 n= = 6060f4(r/min)软铁分流翼片 T T线性霍尔线性霍尔IC EH=KH IB 磁电式振动传感器的

20、特点：磁电式振动传感器的特点： u 磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要静止的基准参磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要静止的基准参考，可直接装在被测体上。考，可直接装在被测体上。 u 传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械能转化为电能输出。能转化为电能输出。 u 速度传感器的输出电压正比于速度信号，便于直接放大。速度传感器的输出电压正比于速度信号，便于直接放大。 u 输出阻抗低几十几千欧，对后置电路要求低，干扰小。输出阻抗低几十几千欧，对后置电路要求低，干扰小。应用场合应用场合 u航空，发动机等设备的振动实验；航空，发动机等设

21、备的振动实验； u兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射；兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射； u民用，机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。民用，机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。光电效应可分为：光电效应可分为： 外光电效应外光电效应 内光电效应内光电效应 光电导效应光电导效应 光生伏特效应光生伏特效应 定义：对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波定义：对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作是一连频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作是一连串能量为串能量为AuAu的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递