磁电式传感器

第6章磁电式传感器

6.1磁电感应式传感器6.2霍尔式传感器1精选课件6.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用电磁感应原理将被测量〔如振动、位移、转速等〕转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。由于它输出功率大，且性能稳定，具有一定的工作带宽〔10～1000Hz〕，所以得到普遍应用。2精选课件6.1.1磁电感应式传感器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为式中:B——稳恒均匀磁场的磁感应强度；l——导体有效长度；v——导体相对磁场的运动速度。3精选课件当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为φ，那么线圈内的感应电势e与磁通变化率dφ/dt有如下关系：

根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。变磁通式又称为磁阻式，图6-1是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。4精选课件图6-1〔a〕为开磁路变磁通式：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。5精选课件

图6-1(b)为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。6精选课件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〔动圈式图6-2〔a〕〕〕，也可以是磁铁〔动铁式图6-2〔b〕〕，动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的。7精选课件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，从而产生感应电势为式中：B0——工作气隙磁感应强度；l——每匝线圈平均长度；W——线圈在工作气隙磁场中的匝数；v——相对运动速度。

8精选课件6.1.2磁电感应式传感器根本特性当测量电路接入磁电传感器电路时，如图6-3所示，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9精选课件而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为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10精选课件磁电感应式传感器的测量电路磁电式传感器直接输出感应电势,且传感器通常具有较高的灵敏度,所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器,假设要获取被测位移或加速度信号,那么需要配用积分或微分电路。511精选课件霍尔效应：置于磁场中的导体〔或半导体〕，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向会产生电动势〔霍尔电势〕，原因是电荷受到洛伦兹力的作用。fLfEvEHdIbB定向运动的电子除受到洛仑兹力外，还受到霍尔电场的作用，当fL=fE时，到达平衡，此时霍尔系数，材料确定后为常数灵敏度系数对于导体，霍尔系数一般较小，故霍耳元件一般用半导体制作，且愈小〔薄〕，灵敏度愈高§6.2霍尔式传感器

12精选课件一、霍尔元件的工作原理及结构1．霍尔效应

霍尔电压UH为：

式中n为半导体单位体积中的载流子数

E为电子电量

KH为霍尔元件灵敏度，KH＝1/ned

结论13精选课件2．材料及结构特点

霍尔元件一般采用具有N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成。1.锑化铟元件的输出较大，但受温度的影响也较大。2.锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。3.砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但是受温度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。采用砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用。特点小结14精选课件霍尔元件结构〔a〕霍尔元件结构示意图〔b〕图形符号〔c〕外形15精选课件3．根本电路由于建立霍尔效应所需的时间很短〔约10-12s～10-14s之间〕，因此控制电流为交流时，频率可以很高〔几千兆赫〕。注意16精选课件二、霍尔元件的根本参数与温度误差的补偿1．根本参数〔1〕输入电阻Ri；〔2〕输出电阻R0；〔3〕最大鼓励电流IM；〔4〕灵敏度KH；〔5〕最大磁感应强度BM；〔6〕不等位电势；〔7〕霍尔电势温度系数17精选课件2．温度误差及其补偿霍尔元件是由半导体制成的，因半导体对温度很敏感，霍尔元件的载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都随温度而变化，因而使霍尔元件的特性参数〔如霍尔电势和输入、输出电阻等〕成为温度的函数，导致霍尔传感器产生温度误差。〔a〕输入回路补偿电路〔b〕输出回路补偿电路〔c〕正温度系数热敏电阻的补偿电路原因处理方法18精选课件三、集成霍尔元件集成霍尔元件可分为线性型和开关型两大类线性型集成霍尔元件19精选课件开关型集成霍尔元件的外形及内部电路20精选课件四、霍尔式传感器的应用21