电磁传感器课件

1、传感器原理及应用 第7章 磁电式传感器主要内容：7.1 磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器 7.3 磁敏传感器 概述 磁电式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。是典型的有源传感器。 特点：输出功率大，稳定可靠，可简化仪表，但频率响应低。通常在10100HZ适合作机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。磁电式传感器机械能电 量霍尔传感器测转速磁电传感器概述71 磁电感应式传感器（电动式） 7.1.1 工作原理 根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e。e的

2、大小与穿过线圈的磁通变化率有关。 71 磁电感应式传感器（电动式） 7.1.2 基本特性电压灵敏度： 由 可得；传感器灵敏度： (常数)电流灵敏度:71 磁电感应式传感器（电动式） 7.1.1 工作原理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， 转动物体引起磁阻、磁通变化。 变磁通式（a）开磁路 （b）闭磁路恒磁通式71 磁电感应式传感器（电动式） 7.1.3 磁电感应式传感器的应用 动钢型动圈型71 磁电感应式传感器（电动式） 7.1.3 磁电感应式传感器的应用 开磁路闭磁路71 磁电感应式传感器（电动式）

3、 7.1.3 磁电感应式传感器的应用 动圈式振动速度传感器71 磁电感应式传感器（电动式） 7.1.3 磁电感应式传感器的应用 71 磁电感应式传感器（电动式） 7.1.3 磁电感应式传感器的应用 信号输出送测量电路 接入积分电路测量位移； 接入微分电路测量加速度。 71 磁电感应式传感器（电动式） 7.1.3 磁电感应式传感器的应用 磁电式振动传感器的特性： 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。 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。 速度传感器的输出电压正比于速度信号 ， 便于直接放大。 输出阻抗低，对后置电路要求低，

4、干扰小。7.2 霍尔式传感器 _ 实际应用中磁敏元件主要用于检测磁场，而与人们相关的磁场范围很宽，一般的磁敏传感器检测的最低磁场只能到 高斯。 磁场强度与磁场源的分布7.2 霍尔式传感器7.2.1 霍尔效应 霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流I，在薄片垂直方向施加磁感强度B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势 。 通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I与磁场B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。 霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片A、B方向的端面

5、之间建立起霍尔电势。ABCD7.2 霍尔式传感器7.2.1 霍尔效应 当两作用力相等时电荷不再向两边积累， 达到动态平衡：通过（半）导体薄片的电流I与载流子浓度n，电子运动速度v，薄片横截面积 b*d 有关： 霍尔电势：7.2 霍尔式传感器7.2.1 霍尔效应代入后：霍尔常数 与材料有关霍尔灵敏度 与薄片尺寸有关7.2 霍尔式传感器7.2.1 霍尔效应讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不 是都可以制造霍尔元件 绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用； 金属材料电子浓度很高，RH很小，UH很小。 半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以 霍尔元件多采用N型半导体（多电子）。由

6、上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度 KH 越大， 所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米。两种霍尔元件定电压驱动电路 两种霍尔元件定电流驱动电路7.2 霍尔式传感器7.2.3 霍尔传感器的误差及补偿(1)不等位电势 当霍尔元件通以激励电流I时，若磁场B=0，理论上霍尔电势UH=0,但实际UH不等于0，这时测得的空载电势称不等位电势U0。 产生的原因：霍尔引出电极安装不对称半导体材料不均匀7.2 霍尔式传感器7.2.3 霍尔传感器的误差及补偿(1)不等位电势 不等位电势的补偿 7.2 霍尔式传感器7.2.3 霍尔传感器的误差及补偿(2)温度误差及补偿霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温

7、度T变化时，载流子浓度n、迁移率、电阻率，霍尔系数RH 都会变化。以下是几种补偿方法：恒流源补偿： 由 UH=KHIB 可见恒流源供电可使UH稳定但灵敏度系数 KH = RH/d = /d也是温度的函数：7.2 霍尔式传感器7.2.3 霍尔传感器的误差及补偿(2)温度误差及补偿具体补偿方法:在霍尔元件上并联一Rp分流，当T增大时RH增大UH 增大IH 减小Ip增大UH 下降，Rp 自动加强分流，使Ip 增大IH 下降UH下降,补偿电阻Rp可选择负温度系数.7.2 霍尔式传感器7.2.4 霍尔传感器的应用(1)位移测量(2)测转速(3)计数装置(导磁产品)检缺口 检齿磁场测量7.2 霍尔式传感器

8、7.2.4 霍尔传感器的应用霍尔元件符号 7.2 霍尔式传感器7.2.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器位移测量原理 7.2 霍尔式传感器7.2.4 霍尔传感器的应用霍尔压力传感器结构原理 7.2 霍尔式传感器 7.2.4 霍尔传感器的应用霍尔元件和磁体运动方式7.2 霍尔式传感器 7.2.4 霍尔传感器的应用霍尔元件测位置霍尔元件测角度7.2 霍尔式传感器7.2.5 霍尔集成传感器1 集成霍尔元件7.2 霍尔式传感器7.2.5 霍尔集成传感器7.2 霍尔式传感器7.2.5 霍尔集成传感器 开关集成器件(测转速、开关控制、判断N S极性) B、B形成切换回差,这是位置式作用传感器的特点, 作无触点

9、开关时可防止干扰引起的误动作 。形成切换回差 霍尔集成电路在一个晶片中形成有霍尔元件及放大并控制其输出电压的电路，而具有磁场-电气变换机能的固态组件称为霍尔集成电路。霍尔集成电路的构造如图。 依输出信号的性质不同，霍尔集成电路可分为线性型和开关性型两类。线性型霍尔集成电路可以获得与磁场强度成正比的输出电压。磁场灵敏度虽然可利用电路的放大加以调节。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低

10、于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。.开关型霍尔集成电路的外形及内部电路 OC门施密特触发电路 双端输入、 单端输出运放霍尔 元件.Vcc开关型霍尔集成电路（OC门输出）的与继电器的连接7.2 霍尔式传感器7.2.5 霍尔集成传感器2 应用 ：无触点开关2022/9/2n=60f4(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔IC T霍尔接式近开关直流无刷电机使用永磁转子，在定子的适当位置放置所需数量的霍尔器件，它们的输出和相应的定子绕组的供电电路相连。当转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令已通电的霍尔器件输出一个电压使定子绕组供电电路导通，给相

11、应的定子绕组供电，产生和转子磁场极性相同的磁场，推斥转子继续转动。到下一位置，前一位置的霍尔器件停止工作，下位的霍尔器件导通，使下一绕组通电，产生推斥场使转子继续转动。如此循环，维持电机的工作。其工作原理示于图。 霍尔开关电路用在直流无刷电机中2022/9/253 无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。无刷电动机在电动自行车上的应用 2022/9/25455光驱用的无刷电动机内部结构霍尔式无刷电动机 7.2 霍尔式传感器7.2.5 霍尔集成

12、传感器2 应用 ：天然气点火电路2022/9/257霍尔式无触点汽车电子点火装置 采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。 汽车点火线圈高压输出接头12V低压电源输入接头霍尔元件可作为乘法器 7.3 磁敏传感器 磁敏元件也是基于磁电转换原理,60年代西门子公司研制了第一个磁敏元件,68年索尼公司研制成磁敏二极管,目前磁敏元件应用广泛。磁敏元件磁敏传感器主要有：磁敏电阻；磁敏二极管；磁敏三极管；霍尔式磁敏传感器。7.3 磁敏传感器7.3.1 磁敏电阻器 磁阻效应：载流导体置于磁场中,除了产生霍尔效应外,导体中载流子因受洛仑兹力作用要发

13、生偏转,载流子运动方向偏转使电流路径变化,起到了加大电阻的作用,磁场越强增大电阻的作用越强。 外加磁场使导体(半导体)电阻随磁场增加而增大 的现象称磁阻效应。磁阻效应表达式：7.3 磁敏传感器7.3.1 磁敏电阻器 由于霍尔电场作用会抵消洛伦兹力,磁阻效应被大大减弱,但仍然存在。磁阻元件的电阻与形状有关：长方形样品 扁条状长形 圆盘样品7.3 磁敏传感器7.3.1 磁敏电阻器长方形样品：霍尔电场作用FH,电阻变化很小。扁条状长形：霍尔电势EH很小,电流磁场作用偏转 厉害，效应明显。圆盘样品：外加磁场时，电流以螺旋形路径指向外电 极，路径增大电阻增加。在圆盘中任何地 方都不会积累电荷也不会产生霍

14、尔电场。 为了消除霍尔电场影响获得大的磁阻效应, 一般将磁敏电阻制成圆形或长方形。 7.3 磁敏传感器7.3.1 磁敏电阻器 磁敏电阻与霍尔元件属同一类,都是磁电转换元件,本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力,只有与辅助材料(磁铁)并用才具有识别磁极的能力. 磁敏电阻的输出特性7.3 磁敏传感器7.3.1 磁敏电阻器 无偏置磁场时,检测磁场不能判别磁性； 外加偏置磁场时，相当在检测磁场外加了偏置磁场，工作点移到线性区，磁极性也作为电阻值变化表现出来。 7.3 磁敏传感器7.3.1 磁敏电阻器 磁图形识别传感器BS05A1HFAA,检测电路，工作电压5V，输出0.30.8v，被测物体3mm，可测

15、磁性齿轮，磁性墨水，磁性条形码，磁带，识别有机磁性（自动售货机）。 磁敏电阻的应用7.3 磁敏传感器7.3.2 磁敏晶体管 （1）磁敏二极管（锗管2ACM,硅管2DCM） 特点：长“基区”PiN型二极管，PI为掺杂区， 本征区I长度较长，构成高阻半导体； 工作过程： 磁敏二极管在长“基区”的一侧面设置了复合区r， r面是个粗糙面截流子复合速度非常高，r区对面 是复合率很小的光滑面。7.3 磁敏传感器7.3.1 磁敏晶体管 （2）磁敏三极管以锗管NPN型为例：磁敏三极管也是以长基区为特征，有两个PN结，发射极与基极之间的PN 结由长基区二极管构成，有一个高复合区，集电极电流大小与磁场有关。 7.

16、4 磁栅式传感器磁栅上录有等距的磁信号，它是利用磁带录音的原理将等节距的周期变化的电信号（正弦波或方波）用录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成。磁栅式传感器主要由磁栅和磁头组成。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距离，磁头相对磁栅作横向运动，在这个过程中，磁头线圈中产生感应电压，即磁头把磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测物的相对位置或位移转换成电信号。NN SN SS NS NN SS NN磁栅式传感器的结构磁栅基体磁性薄膜磁头磁栅 2) 磁栅的类型磁栅分为长磁栅和圆磁栅两大类，分别用于测量直线位移和角位移。长磁栅又可分为尺型、带型和同轴型三种。 磁栅式传感器实物图一、

17、磁栅磁栅的结构磁栅结构如图所示。磁栅由磁栅基体和磁性薄膜组成。磁栅基体是用非导磁材料做成的，上面镀一层均匀的磁性薄膜，经过录磁，其录磁信号排列情况如图所示，要求录磁信号幅度均匀，幅度变化应小于10%，节距均匀。目前长磁栅常用的磁信号节距为0.02mm 0.05mm。圆磁栅的角节距一般为几角分至几十角分。NN SN SS NS NN SS NN磁栅式的结构磁栅基体磁性薄膜磁栅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工作面平直度误差范围：0.0050.01mm/m剩余磁感应强度Br 要大、矫顽力Hc 要高、电器综合性能稳定、磁性材料（电）镀层均匀如：镍钴铝磷合金磁感应强度 Br =0

18、.70.8T矫顽力 Hc=6.37104A/m薄膜厚度在 0.100.20mm磁栅分为长磁栅和圆磁栅长磁栅又分为尺型、带型、同轴型磁栅基体磁性薄膜磁栅的类型圆盘结构录磁剩余磁感应强度 Br （Remanent Magnetic Induction ）矫顽力 Hc （Coercive Force）铁磁质材料磁化后，当撤去外磁场 H 时，介质中仍能保持一定的磁感应强度 Br 。这时的磁感应强度称为剩余磁感应强度。为了使磁化后的铁磁质完全退磁所需要加的与磁化方向相反的磁场强度。矫顽力与铁磁材料性质、铁磁质原磁感应强度有关二、磁头磁头用于读取磁栅上的磁信号按读取方式分为：动态磁头和静态磁头1、动态磁头

19、动态磁头结构动态磁头结构如图所示。它由铁心和线圈组成。铁心铁心材料为铁镍合金（镍80%）铁心每片厚度0.2mm，叠成厚度318mm线圈线径 d=0.05mm，匝数 N=10001200匝电感量为 L=4.5mHNN SN SS NS NN SS NN动态磁头读出信号磁栅基体磁性薄膜磁头动态磁头的工作原理当磁头与磁栅之间以一定的速度相对平行移动时，由于磁性薄膜上录有永久磁信号，因此在磁头感应线圈中产生感应电动势。磁头与磁栅相对静止时，磁头感应线圈中没有感应信号输出。因此它不适合用于静止长度测量。磁头中感应电动势的大小取决于磁头与磁栅相对平行位移的速度；当磁头与磁栅之间的相对运动速度不同时，输出感

20、应电动势的大小也不同；动态磁头的工作原理磁头读出信号如图所示。读出信号为正弦信号（是距离的正弦函数），在 N 处为正的最强，S 处为负的最强。W为磁信号节距。NN SN SS NS NN SS NN动态磁头读出信号磁栅基体磁性薄膜磁头N磁栅2、静态磁头 静态磁头是调制式磁头，又称磁通响应式磁头。静态磁头与动态磁头的根本不同在于，在磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出。ue0132S NN SS NN SS NN S0静态磁头读出原理励磁线圈感应线圈静态磁头的组成励磁线圈 产生激磁磁通1感应线圈产生感应电压 e0铁心磁栅的外形及结构图磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔磁尺磁栅外观图磁头德

21、国SIKO 磁栅尺磁头与磁尺相对运动时的输出波形磁栅传感器的工作原理 1基本工作原理磁栅传感器工作原理动画演示静态磁头读出原理静态磁头对磁栅信号的读出原理如图所示。磁栅漏磁通0 经过磁头分为2 、 3 ：式中:R 气隙磁阻RT 铁心磁阻ue0132S NN SS NN SS NN S0静态磁头读出原理励磁线圈感应线圈2从气隙通过磁头铁心（进入铁心）3从磁头铁心通过气隙（回到磁栅）磁栅传感器示意图一般情况下（磁栅与磁头相对位置静止）气隙磁阻 R（磁头与磁栅的垂直的相对位置不变）可以认为不变磁头铁心磁阻 RT 的大小则与励磁线圈所产生的励磁磁通1有关式中：a0、a2 与磁头结构参数有关的常数 励磁

22、电源的角频率上式为铁心磁通非饱和铁心 P、Q 两段的截面积很小，在励磁电压 u 变化的一个周期内，铁心被励磁电流所产生的磁通1饱和两次，RT 变化两个周期。（设计时使励磁磁通在励磁电压的波峰时铁心工作在磁饱和区）由于磁头铁心饱和时其磁阻 RT 很大，2 不能通过，因此在励磁电压 u 的一个周期内，2 也变化一个周期，可近似认为：0= 2 + 1 PQue0132S NN SS NN SS NN S0静态磁头读出原理励磁线圈感应线圈在磁栅相对磁头不动的情况下0 为一个常量，输出绕组中产生的感应电动势 e0 为式中:W2 （输出）感应绕组匝数 k 常数， k=2W2a2 在磁栅相对磁头移动的情况下

23、漏磁通0是磁栅位置的周期函数当磁栅与磁头相对移动一个节距W 时， 0 就变化一个周期。因此0 可近似为于是可得式中： x 磁栅与磁头之间的相对位移m 漏磁通的峰值 W 为磁信号节距PQue0132S NN SS NN SS NN S0静态磁头读出原理励磁线圈感应线圈由式可见静态磁头是利用磁栅的漏磁通0变化和励磁磁通1激励作用产生变化磁通，从而在感应线圈中产生感应电动势e0静态磁头输出信号的频率为励磁电源频率的两倍感应电动势 e0 与磁栅、磁头之间的相对位移 x 成正弦（或余弦）关系磁栅式传感器的信号处理方法动态磁头只有一个磁头和一组线圈，利用磁栅与磁头间以一定速度的相对移动读出磁栅上的信号，将

24、此信号进行处理后使用。检测电路也较为简单。静态磁头在实际应用中总是成对使用，即用两个间距为的磁头，其中n为正整数，为磁信号节距，也就是两个磁头布置成在空间相差90。其信号处理方式分为鉴幅和鉴相型两种，其中鉴相型信号处理方式应用广泛， 将一组磁头的励磁信号移相45(或把其输出信号移相90)，则两磁头输出电压分别为两电压相加得总输出电压为 输出信号是一个幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置而变化的信号，可由鉴相型检测电路测量出来。 7.5 感应同步器 感应同步器是一种电磁感应式的高精度位移检测装置，在伺服系统中，用于检测机械角位移或直线位移（被测部件偏移基准点的角度和位置），并将其转换成测量电信号。

25、 旋转式：用于测量角度； 直线式：用于测量长度；有标准型、窄型、带型和三速式。直线感应同步器： 定尺：表面制有连续平面绕组，绕组节距为p 滑尺：表面制有两段分段绕组，分别为正弦绕组和余弦绕组，它们相对于定尺绕组在空间错开1/4节距（1/p）。直线感应同步器感应同步器的工作原理感应同步器原理动画演示定尺绕组产生感应电动势原理图感应同步器工作原理： 感应同步器实际上是多极旋转变压器的展开形式， 其工作原理与旋转变压器基本一致。 在滑尺绕组中通以一定频率的交流电压，由于电磁感应，在定尺绕组中产生感应电动势，其幅值与相位取决于定尺和滑尺的相对位置。 1、鉴相方式 给滑尺的sin绕组和cos绕组分别通以

26、幅值相等、频率相等，相位相差90度的交流电压。则在定尺和滑尺有相对位置差时，定尺绕组中产生感应电势为： 可见在一个节距p内，与x是一一对应的，通过测量定尺感应电动势相位差 ，即可测得定尺和滑尺的位移x当正弦绕组单独激励时励磁电压为us=Um sint，感应电势为 式中，k为耦合系数。 当余弦绕组单独激励时（励磁电压为uc=Umcost）, 感应电势为 按叠加原理求得定尺上总感应电动势为 式中的=2x/称为感应电动势的相位角，它在一个节距W之内与定尺和滑尺的相对位移有一一对应的关系，每经过一个节距， 变化一个周期（2）。 2. 鉴幅方式 如在滑尺的正弦、余弦绕组加以同频、 同相但幅值不等的交流激

27、磁电压，则可根据感应电势振幅来鉴别位移量， 称为鉴幅型。 加到滑尺两绕组的交流励磁电压为 式中 Us=Um sin； Uc=Um cos；Um激励电压幅值；给定的电相角。 它们分别在定尺绕组上感应出的电动势为 es=-kUs sint sinec=-kUc sint cos定尺的总感应电势为 e=es+ec=-kUs sint sin+kUc sint cos=-kUm sint(cos cos+sinsin) =-kUm sint cos(+)式中把感应同步器两尺的相对位移x=2/和感应电势的幅值kUm cos(-)联系了起来。 感应同步器的特点： 精度高： 感应同步器的极对数多，平均效应所产生的测量精度要比制造精度高，且输出信号是由滑尺和定尺之间相对移动产生的，中间无机械转换环节，所以测量结果只受本身精度的影响。而定尺的节距误差有平均自补偿作用，所以尺子本身的精度可以做得很高。 工作可靠，抗干扰能力强： 在感应同步器绕组的每个周期内，测量信号与绝对位置有一一对应的单值关系