传感器第五章

传感器第五章第一页，共三十六页，2022年，8月28日㈠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）第二页，共三十六页，2022年，8月28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。第三页，共三十六页，2022年，8月28日㈡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）第四页，共三十六页，2022年，8月28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：第五页，共三十六页，2022年，8月28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①影响磁场强度——理论证明,永久磁铁产生的磁感应强度B0与下列因素有关。第六页，共三十六页，2022年，8月28日②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。第七页，共三十六页，2022年，8月28日2、永久磁铁的选择①材料选择——高剩磁、低矫顽力。如镍钢、钴钢等。②工艺选择——依传感器设计磁铁形状，尽可能使体积大。③稳定性处理——时效处理、高低温处理、反复磁化、振动冲击。第八页，共三十六页，2022年，8月28日3、线圈绕组设计①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。②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（N↑→k↑

）③线圈与磁铁相对运动范围——不能使线圈超出磁场范围（如图）④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。第九页，共三十六页，2022年，8月28日三、误差因素（动圈式为例，动圈可等效如图电路）第十页，共三十六页，2022年，8月28日第十一页，共三十六页，2022年，8月28日主要误差因素：①线圈的“磁场效应”；②气隙磁场的空间分布不均匀；③温度变化引起。第十二页，共三十六页，2022年，8月28日四、应用一、振动速度传感器——结构原理如图。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十三页，共三十六页，2022年，8月28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：第十四页，共三十六页，2022年，8月28日两边进行拉氏变换有：第十五页，共三十六页，2022年，8月28日第十六页，共三十六页，2022年，8月28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）第十七页，共三十六页，2022年，8月28日第十八页，共三十六页，2022年，8月28日设电流密度为j，则有：若B与薄片有一夹角α，则：VH=kHIBcosα显然，通过此关系可以实现测量磁场B或电流I的目的。第十九页，共三十六页，2022年，8月28日二、霍尔元件——由薄片、引线、电极组成。（如图）（结构图）（外形图）（符号）（基本电路）第二十页，共三十六页，2022年，8月28日制作要求：①焊点要求是欧姆接触——纯电阻接触，无结效应；②接触点要点接触——接触面要小，接触点电容小；③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。第二十一页，共三十六页，2022年，8月28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。第二十二页，共三十六页，2022年，8月28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，而产生的电动势输出。①电极不对称，而造成两侧电极不在同一等位面上。②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。第二十三页，共三十六页，2022年，8月28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。第二十四页，共三十六页，2022年，8月28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。第二十五页，共三十六页，2022年，8月28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（ρ）、迁移率(μ)、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。第二十六页，共三十六页，2022年，8月28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二十七页，共三十六页，2022年，8月28日第二十八页，共三十六页，2022年，8月28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。第二十九页，共三十六页，2022年，8月28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）第三十页，共三十六页，2022年，8月28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。第三十一页，共三十六页，2022年，8月28日3、采用恒压源和输入回路中串联电阻——补偿电路如图。第三十二页，共三十六页，2022年，8月28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。第三十三页，共三十六页，2022年，8月28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