第七章 速度 加速度

第七章速度加速度2023/9/81第1页，课件共101页，创作于2023年2月一、霍尔元件的结构及工作原理

半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。

磁感应强度B为零时的情况cdab2023/9/82第2页，课件共101页，创作于2023年2月磁感应强度B较大时的情况作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：

EH=KHIB2023/9/83第3页，课件共101页，创作于2023年2月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c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab2023/9/84第4页，课件共101页，创作于2023年2月磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势

若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度

时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos

，这时的霍尔电势为

EH=KHIBcos

结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。

2023/9/85第5页，课件共101页，创作于2023年2月二、霍耳元件结构及测量电路2023/9/86第6页，课件共101页，创作于2023年2月三、霍尔元件的主要外特性参数2023/9/87第7页，课件共101页，创作于2023年2月三、霍尔元件的主要外特性参数2023/9/88第8页，课件共101页，创作于2023年2月最大磁感应强度BM

上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯？线性区三、霍尔元件的主要外特性参数2023/9/89第9页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔元件的主要外特性参数（续）

不等位电势:当B＝0，元件通以IH时，UH应该为零。但是实际不为零，这个电势称不等位电势。

产生原因：两霍耳电极不再一等位面上、材料的不均匀、工艺不良等。

不等位电势补偿方法P1372023/9/810第10页，课件共101页，创作于2023年2月四、霍尔集成电路

霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。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，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。线性型三端霍尔集成电路2023/9/811第11页，课件共101页，创作于2023年2月线性型霍尔特性右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时，输出为正；磁场反向时，输出为负。请画出线性范围2023/9/812第12页，课件共101页，创作于2023年2月开关型霍尔集成电路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。2023/9/813第13页，课件共101页，创作于2023年2月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.Vcc2023/9/814第14页，课件共101页，创作于2023年2月开关型霍尔集成电路（OC门输出）的接线2023/9/815第15页，课件共101页，创作于2023年2月开关型霍尔集成电路

与继电器的接线?2023/9/816第16页，课件共101页，创作于2023年2月开关型霍尔集成电路的史密特输出特性

回差越大，抗振动干扰能力就越强。

当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？相当于多少高斯（Gs）？2023/9/817第17页，课件共101页，创作于2023年2月五、霍尔传感器的应用

霍尔电势是关于I、B、

三个变量的函数，即EH=KHIBcos

。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。2023/9/818第18页，课件共101页，创作于2023年2月2023/9/819第19页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔特斯拉计（高斯计）

霍尔元件2023/9/820第20页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔高斯计（特斯拉计）的使用

霍尔元件磁铁2023/9/821第21页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔传感器用于测量磁场强度

霍尔元件测量铁心气隙的B值2023/9/822第22页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔转速表在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。SN线性霍尔磁铁2023/9/823第23页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔转速表原理

当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。2023/9/824第24页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用

若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔2023/9/825第25页，课件共101页，创作于2023年2月案例：汽车速度测量:262023/9/826第26页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔转速表的其他安装方法

只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。霍尔元件磁铁2023/9/827第27页，课件共101页，创作于2023年2月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2023/9/828第28页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理

采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足。桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图

1-触发器叶片2-槽口3-分电器转轴4-永久磁铁

5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC）

a）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c）叶片位置与点火正时的关系

2023/9/829第29页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）

当叶片遮挡在霍尔IC面前时，PNP型霍尔IC的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。

汽车电子点火电路及波形

1—点火开关2—达林顿晶体管功率开关3—点火线圈低压侧4—点火线圈铁心5—点火线圈高压侧6—分火头7—火花塞

a）电路b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形

当叶片槽口转到霍尔IC面前时，霍尔IC输出跳变为高电平，经反相变为低电平，达林顿管截止，切断点火线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出30~50kV的高电压。

2023/9/830第30页，课件共101页，创作于2023年2月汽车电子点火装置使用的点火控制器、霍尔传感器及点火总成磁铁点火总成2023/9/831第31页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔式无刷电动机

霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。普通直流电动机使用的电刷和换向器2023/9/832第32页，课件共101页，创作于2023年2月无刷电动机在电动自行车上的应用

电动自行车可充电电池组无刷电动机2023/9/833第33页，课件共101页，创作于2023年2月无刷电动机在电动自行车上的应用

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。2023/9/834第34页，课件共101页，创作于2023年2月电动自行车的无刷电动机及控制电路去速度控制器利用PWM调速2023/9/835第35页，课件共101页，创作于2023年2月光驱用的无刷电动机内部结构2023/9/836第36页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔式接近开关

当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。2023/9/837第37页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔式接近开关

用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。2023/9/838第38页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔式接近开关用于转速测量演示n=60f4(r/min)软铁分流翼片

开关型霍尔ICT2023/9/839第39页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔电流传感器将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。2023/9/840第40页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔电流传感器演示铁心线性霍尔IC

EH=KHIB

I所实现的多媒体界面：I2023/9/841第41页，课件共101页，创作于2023年2月其他霍尔电流传感器2023/9/842第42页，课件共101页，创作于2023年2月其他霍尔电流传感器（续）2023/9/843第43页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口2023/9/844第44页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔钳形电流表演示直流200A量程被测电流的导线未放入铁心时示值为零70.9A2023/9/845第45页，课件共101页，创作于2023年2月钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示70.9A2023/9/846第46页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的铁心张开将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中将空调电源的“三芯护套线”夹到钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？2023/9/847第47页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔钳形电流表的使用（续）叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便用钳形表测量电动机的相电流2023/9/848第48页，课件共101页，创作于2023年2月霍尔式电流谐波分析仪

被测电流的谐波频谱铁心的开合缝隙

铁心的杠杆压舌2023/9/849第49页，课件共101页，创作于2023年2月第三节加速度的测量

一、概述

2023/9/850第50页，课件共101页，创作于2023年2月先看一个实验：将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如图4-1所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。

二、电感式传感器

2023/9/851第51页，课件共101页，创作于2023年2月电感传感器的基本工作原理演示F220V变压器准备工作电感传感器2023/9/852第52页，课件共101页，创作于2023年2月电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小F2023/9/853第53页，课件共101页，创作于2023年2月电感传感器的基本工作原理当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL较小，所以电流I较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。

自感式互感式2023/9/854第54页，课件共101页，创作于2023年2月自感式电感传感器常见的形式

变隙式变截面式螺线管式

2023/9/855第55页，课件共101页，创作于2023年2月电感量计算公式

：

请分析电感量L与气隙厚度

及气隙的有效截面积A之间的关系，并讨论有关线性度的问题。N：线圈匝数；A：气隙的有效截面积；

0：真空磁导率；

：气隙厚度。

2023/9/856第56页，课件共101页，创作于2023年2月差动电感传感器的特点

请分析：灵敏度、线性度有何变化曲线1、2为L1、L2的特性，3为差动特性在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。1-差动线圈2-铁心3-衔铁4-测杆5-工件

2023/9/857第57页，课件共101页，创作于2023年2月差动式电感传感器的特性

从曲线图可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。

从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。

2023/9/858第58页，课件共101页，创作于2023年2月2023/9/859第59页，课件共101页，创作于2023年2月2023/9/860第60页，课件共101页，创作于2023年2月2023/9/861第61页，课件共101页，创作于2023年2月相敏检波电路测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。若仅采用电桥电路和普通的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判别输出的相位和位移的方向。如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映位移的大小（的幅值），还可以反映位移的方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。2023/9/862第62页，课件共101页，创作于2023年2月

相敏检波输出特性曲线a）非相敏检波b）相敏检波1—理想特性曲线2—实际特性曲线

2023/9/863第63页，课件共101页，创作于2023年2月实测得到的相敏检波电路的特性曲线

通过调零电路，可使输出曲线平移到原点。标定位移时的实验数据及曲线2023/9/864第64页，课件共101页，创作于2023年2月电感式传感器的应用

1.位移测量

轴向式电感测微器的外形

航空插头红宝石测头2023/9/865第65页，课件共101页，创作于2023年2月其他电感测微头2023/9/866第66页，课件共101页，创作于2023年2月模拟式及数字式电感测微仪2023/9/867第67页，课件共101页，创作于2023年2月轴向式电感测微器的内部结构

1—引线电缆2—固定磁筒3—衔铁4—线圈5—测力弹簧6—防转销7—钢球导轨（直线轴承）8—测杆9—密封套10—测端11—被测工件12—基准面2023/9/868第68页，课件共101页，创作于2023年2月2.加速度测量2023/9/869第69页，课件共101页，创作于2023年2月2.电感式滚柱直径分选装置图3-14滚柱直径分选装置1—气缸2—活塞3—推杆4—被测滚柱5—落料管6—电感测微器7—钨钢测头8—限位挡板9—电磁翻板10—容器（料斗）

2023/9/870第70页，课件共101页，创作于2023年2月3.电感式滚柱直径分选装置测微仪圆柱滚子2023/9/871第71页，课件共101页，创作于2023年2月电感式滚柱直径分选装置（外形）

滑道分选仓位轴承滚子外形（参考中原量仪股份有限公司资料）2023/9/872第72页，课件共101页，创作于2023年2月电感式滚柱直径分选装置外形落料振动台滑道11个分选仓位（参考无锡市通达滚子有限公司资料）废料仓2023/9/873第73页，课件共101页，创作于2023年2月电感式滚柱直径分选装置（机械结构放大）汽缸控制键盘直径测微装置长度测微装置滑道2023/9/874第74页，课件共101页，创作于2023年2月机械及气动元件电感测微器汽缸

气水分离器（供气三联件）储气罐导气管

气压表（0.4MPa左右）2023/9/875第75页，课件共101页，创作于2023年2月4.电感传感器在仿形机床中的应用

1—标准靠模样板2—测端（靠模轮）3—电感测微器4—铣刀龙门框架5—立柱6—伺服电动机7—铣刀8—毛坯2023/9/876第76页，课件共101页，创作于2023年2月仿形铣床外形仿形机床采用闭环工作方式仿形头主轴2023/9/877第77页，课件共101页，创作于2023年2月仿形车床原理2023/9/878第78页，课件共101页，创作于2023年2月5.电感式不圆度计原理该圆度计采用旁向式电感测微头2023/9/879第79页，课件共101页，创作于2023年2月电感式不圆度测试系统旁向式电感测微头2023/9/880第80页，课件共101页，创作于2023年2月电感式不圆度测量系统外形

（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）旋转盘测量头2023/9/881第81页，课件共101页，创作于2023年2月不圆度测量打印2023/9/882第82页，课件共101页，创作于2023年2月电感式轮廓仪旁向式电感测微头2023/9/883第83页，课件共101页，创作于2023年2月6.压力测量1—压力输入接头2—波纹膜盒3—电缆4—印制线路板5—差动线圈6—衔铁7—电源变压器8—罩壳9—指示灯10—密封隔板11—安装底座2023/9/884第84页，课件共101页，创作于2023年2月7.电感传感器在粗糙度测量中的应用

——手持式粗糙度仪

•触针:金刚石圆锥；

•针尖圆弧半径：5μm；

•可存储500个粗糙度参数值及4组轮廓数据；

•可进行粗糙度参数的打印；

•可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复杂表面进行测试；2023/9/885第85页，课件共101页，创作于2023年2月粗糙度仪外形金刚石测头2023/9/886第86页，课件共101页，创作于2023年2月粗糙度测量结果打印（1）2023/9/887第87页，课件共101页，创作于2023年2月粗糙度测量结果打印（2）2023/9/888第88页，课件共101页，创作于2023年2月某一压力变送器的测量电路2023/9/889第89页，课件共101页，创作于2023年2月三、压电式加速度传感器横向振动测振器纵向振动测振器1.外形2023/9/890第90页，课件共101页，创作于2023年2月2.压电加速度传感器工作原理压电式加速度传感器的结构主要有：压缩型、剪切型、复合型传感器与质量块组合。质量块大、压电常数大灵敏度高。测量振荡时，振动频率应远低于传感器的固有频率2023/9/891第91页，课件共101页，创作于2023年2月压缩型加速度传感器原理2023/9/892第92页，课件共101页，创作于2023年2月2023/9/893第93页，课件共101页，创作于2023