磁敏式传感器09课件

第7章磁敏式传感器主要内容

7.1磁电感应式传感器7.2霍尔式传感器磁敏式传感器的定义：对磁场参量（B、Φ）敏感、通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换为电信号的器件或装置。磁电作用：电磁感应、霍尔效应分类：磁电感应式传感器霍尔式传感器7.1.1工作原理根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势。对于一个N匝线圈，设穿过线圈的磁通为Φ，则线圈内的感应电动势将与Φ的变化速率成正比，即：1.电磁感应如果线圈相对于磁场的运动线速度为v或角速度ω，则或（1）恒磁通式传感器工作原理：磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式（图（a））和动铁式（图(b)）的工作原理是完全相同的。当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大，当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生与运动速度成正比的感应电势。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。闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。2磁电感应式传感器基本特性当测量电路接入磁电传感器电路时，磁电传感器的输出电流Io为式中：Rf——测量电路输入电阻；

R——线圈等效电阻。传感器的电流灵敏度为

测量误差

当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为1）非线性误差

主要原因：当磁电式传感器在进行测量时，传感器线圈会有电流流过，这时线圈会产生一定的交变磁通，此交变磁通会叠加在永久磁铁产生的传感器工作磁通上，导致气隙磁通变化。这种影响分为两种情况①当传感器线圈相对磁场运动所产生的附加磁场与员工作磁场方向相反时，附加磁场将减弱工作磁场的作用，从而使传感器的灵敏度随检测速度的增而降低。即当传感器向上运动时，ΦI与Φ方向相反，减弱了工作磁场的作用，使传感器灵敏度降低。②当传感器线圈相对磁场运动所产生的附加磁场与原磁场方向相同时，传感器灵敏度增高。即当向下运动时，ΦI与Φ方向同向，增加了工作磁场的作用，灵敏度增大。这两种情况将导致测量结果中出现非线性项，且速度越大，影响越明显。其结果是线圈的运动方向和速度大小都会使传感器的灵敏度具有不同的数值，使传感器的基波能量降低，谐波能量增加。结果：灵敏度越高，线圈中电流越大，非线性影响越严重。补偿方法：加入补偿线圈。▲▲3）动态特性

当被测物振动频率低于传感器的固有频率时，传感器的灵敏度是随振动频率的升高而明显增加的；当振动频率远大于传感器固有频率时，传感器的灵敏度接近为一个常数，它基本上不随频率变化，即在这一频率范围内，传感器的输出电压与振动速度成正比关系，这一频段就是传感器的理想工作频段；在振动频率更高（过大）的情况下，线圈阻抗增加，传感器灵敏度会随着振动频率的增加反而下降。7.1.2测量电路磁电式传感器只用于测量动态量，可以直接测量振动物体的线速度或旋转体的角速度，加入积分或者微分电路后，可以测量位移和加速度。▲▲7.1.3磁电感应式传感器的应用（1）磁电感应式振动速度传感器

（3）电磁流量计7.2霍尔式传感器当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差，这一现象被称为霍尔效应。霍尔效应产生的电动势被称为霍尔电势。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。▲▲7.2.1工作原理1.霍尔效应在场为l、宽为b、厚度为d的长方形导电板上，两对垂直侧面各装上电极。如果在长度方向通入控制电流I，在厚度方向施加磁感应强度为B的磁场时，那么导电板上的自由电子在电场作用下定向移动，此时，每个电子受到洛伦兹力ƒL的作用，大小为：电子沿电流反方向坐定向移动，又在fL作用下向里漂移，结果在导电板里底面积累了电子，而外表面积累了正电荷，将形成附加内电场EH，称为霍尔电场。在EH的作用下，电子将受到一个与洛伦兹力方向相反的电场力作用，此力阻止电荷的继续积聚，当在金属体内电子积累达到动态平衡时，电子所受的洛伦兹力与电场力大小相等，即则：对于N型材料：对于P型材料：物理意义：KH表征了一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小。▲▲电子在电场中的平均迁移速度为：则：2.霍尔元件（1）霍尔元件的基本结构

霍尔元件的基本结构比较简单，它由霍尔片、4根阴线和壳体三部分组成。a、b的焊点称为激励电极；c、d的焊点称为霍尔电极。▲▲2）霍尔元件的温度误差及其补偿一般半导体材料都具有较大的温度系数。所以当温度发生变化是，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率以及霍尔系数都会发生变化。为了减小温度误差，除了使用温度系数小的半导体材料（如砷化铟）以外，还可以采用适当的补偿电路进行补偿。霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系：如图所示，当霍尔元件的初始温度为T0，初始输入电阻为RI0，灵敏度系数为KH0，分流电阻为RP0时：当温度上升T时，电路中个参数变化为：则有要使电路满足在温度变化前后，霍尔电动势U0不发生变化，即则▲▲7.2.2测量电路