传感器第五章

1、传感器第五章第1页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日恒定磁通式结构如图。它由永久磁铁（磁钢）、线圈、金属骨架和壳体组成。（动圈式）（动铁式）第2页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日工作原理： 测量时，壳体随被测物体一起振动，由于动圈质量较大故惯性较大，且连接弹簧较软，若振动频率较高，则动圈来不及跟随一起振动近于静止不动。所以在永久磁铁与线圈间有接近于振动体振动速度的相对速度。这样，线圈将切割永久磁铁产生的磁力线而产生感生电动势。显然，当传感器结构参数确定后，B、l、N0 均为一定，则电动势e与振动速度v成正比。第3页，共36页，2022年，5月20日

2、，16点46分，星期日变磁通式结构如图。由测量轮（固定在被测物体上）、软铁、线圈、永久磁铁组成。（开磁路变磁通式）（闭磁路变磁通式）第4页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日工作原理测量轮随被测物旋转，磁路中的空气隙将随之变化，磁路的磁阻将随之变化，磁路中磁通也随之变化，则线圈中磁通也随之变化，线圈中将产生感生电动势。因测量轮旋转一周，磁路磁阻也周期性变化二周，线圈中感生电动势也周期性的变化二周，则测量轮转速与输出感应电动势频率为如关系为：第5页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日二、设计要点设计此类型传感器要注意如下问题1、合理选择工作气隙的大小影响磁

3、场强度理论证明,永久磁铁产生的磁感应强度B0与下列因素有关。第6页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日影响线圈体积气隙体积大，气隙间线圈体积可大，匝数可多，灵敏度提高，但同时也存在下列问题。第7页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日2、永久磁铁的选择材料选择 高剩磁、低矫顽力。如镍钢、钴钢等。工艺选择 依传感器设计磁铁形状，尽可能使体积大。稳定性处理 时效处理、高低温处理、反复磁化、振动 冲击。第8页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日3、线圈绕组设计骨架问题 导电材料作骨架，由于电磁阻尼作用而使非线性误差增加。故一般用绝缘材料作骨架

4、。线圈尺寸 保证线圈与磁路具有一定间隙前提下，尽量使其体积大（Nk ）线圈与磁铁相对运动范围 不能使线圈超出磁场范围（如图）线圈的电气特性 主要是线圈内阻R，要考虑R的温升和与后续电路匹配。第9页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日三、误差因素 （动圈式为例，动圈可等效如图电路）第10页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日第11页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日主要误差因素：线圈的“磁场效应”；气隙磁场的空间分布不均匀；温度变化引起。第12页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日四、应用一、振动速度传感器结构原理

5、如图。 质量块（阻尼器+线圈）由弹簧片支承悬于传感器的壳体中，壳体与永久磁铁构成磁路固定在被测物体上。当壳体随被测物体振动时，质量块相对静止而与壳体间形成相对运动，线圈切割磁力线而产生感应电动势e。其大小为：v质量块对壳体的相对速度第13页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日被测速度vx与质量块相对于壳体相对速度v的关系。质量块受力情况如图，对于以壳体为参照系的非惯性坐标系有：第14页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日两边进行拉氏变换有：第15页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日第16页，共36页，2022年，5月20日，16点4

6、6分，星期日第二节 霍尔式传感器运用“霍尔效应”而将被测量转换为电压输出的传感器。一、工作原理与特性1、霍尔效应金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流通过时，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。（如图）第17页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日第18页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日设电流密度为j，则有：若B与薄片有一夹角，则：VH=kHIBcos 显然，通过此关系可以实现测量磁场B或电流I的目的。第19页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日二、霍尔元件由薄片、引线、电极组成。（如图）（结构图）（外形图）

7、（符号）（基本电路）第20页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日制作要求：焊点要求是欧姆接触 纯电阻接触，无结效应；接触点要点接触 接触面要小，接触点电容小；注意薄片的内阻特性 UH与I、B、Ri有关，电极焊接点要四点对称。第21页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日三、误差补偿（一）零位误差及补偿零位误差 霍尔元件在没有外磁场作用时，仍有电压输出。即：零位误差不等位电动势；寄生直流电动势。第22页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日1、不等位电动势及其补偿不等位电动势 由于霍尔输出端两侧电极点不能完全位于同一等位面上，而产生的电动势

8、输出。电极不对称，而造成两侧电极不在同一等位面上。电极对称，但因霍尔片电阻率不均匀，厚薄不均匀， 控制电流的电极接触不良而造成等位面歪斜。第23页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日补偿 霍尔元件可等效为一个四臂电桥，如图。对于电桥，可以通过在桥臂上并联可调电阻。如图。对称补偿温度稳定性好。第24页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日2、寄生直流电动势寄生直流电动势 当霍尔片采用交流供电，则霍尔不等位电动势输出除了有交流不等位电动势外，还有直流电动势分量，此直流电动势分量称为寄生直流电动势。 寄生直流电动势是由于电极接触点的结效应、接触点的电容效应、及焊

9、点大小不等、热容量不同而产生的。补偿 尽量使电极欧姆接触，器件散热均匀，引线分布合理。第25页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日(二）霍尔元件的温度误差及其补偿 一般半导体霍尔片的电阻率（）、迁移率()、浓度(n)等都随温度变化而变化。所以，温度的变化将致使霍尔电动势输出变化而产生温度误差。为减小温度误差可使用温度补偿电路，下面介绍几种温度误差补偿方法。第26页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日1、采用恒流源供电和输入电路并联电阻补偿电路如图。采用恒流源供电且并联一个电阻RP，则温度稳定性提高第27页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，

10、星期日第28页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日为使霍尔电动势不随温度变化而变化，必须保证t0和t时的霍尔电动势相等。显然，选取RP使其满足上式，可使温度误差减到极小。第29页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日2、合理选取负载电阻的阻值如图。霍尔元件输出端接负载RL（放大器）第30页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日 由上式可知，通过串、并联电阻的方法使上式成立来实现补偿温度误差的目的。第31页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日3、采用恒压源和输入回路中串联电阻补偿电路如图。第32页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日为使霍尔电动势不随温度变化而变化，必须保证t0和t时的霍尔电动势相等。显然，选取RS使其满足上式，可使温度误差减到极小。第33页，共36页，2022年，5月20日，16点46分，星期日4、采用温度补偿元件（如热敏电阻、电阻丝等）如图为四种补偿电路。补偿元件的阻值变化与霍尔元件的阻值变化要保证输出稳定。第34页，共36页，2022年，5月