铁道车辆传感器技术-磁敏式传感器

项目一传感器技术

任务6磁敏式传感器磁电式传感器结构和工作原理1.2磁敏式传感器概述0102霍尔传感器结构和工作原理03磁电式传感器输出特性04磁敏式传感器的应用05一、磁敏式传感器概述磁电式传感器,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。

简介：

MT系列振动速度传感器是一种固定式测量振动体绝对振动速度的传感器，适用与振动、速度表配接后，可以测量各种振动位移、速度等。由轴承支承的转子，其振动会足够大地传到轴承座，安装在轴承座上或者很靠近轴承外壳上的速度传感器，由内部运动线圈切割磁力线而输出电压信号输送给监测仪表，用于对机械故障进行预测和报警。MT系列振动速度传感器KTR02F-A02F-A磁电式转速传感器

简介：采用变磁通式（也称为磁阻式）磁电传感器结构，利用机车点击减速齿轮在转动时，对传感器内部磁路的磁阻产生变化，从而使得线圈两端产生周期性的感应电压信号，通过对感应电压信号的分析，计算出机车运行转速。当一个W匝的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，则线圈内的感应电动势e雨磁通变化率dΦ/dt有如下关系：E=-wdΦ/dt。

二、磁电式传感器结构和工作原理

根据电磁感应定律,当w匝线圈在恒定磁场内运动时,设穿过线圈的磁通为Φ,则线圈内的感应电势E与磁通变化率dΦ/dt有如下关系:

E＝-w

根据这一原理,可以设计成两种磁电传感器结构:变磁通式和恒磁通式。

变磁通式磁电传感器：用来测量旋转物体的角速度

左图为开磁路变磁通式:线圈、磁铁静止不动,测量齿轮安装在被测旋转体上,随之一起转动。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。（一）变磁通结构原理图左图为闭磁路变磁通式,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生电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。（一）变磁通结构原理图介绍：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。其运动部件是线圈（动圈式）。原理：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。（二）恒磁通结构原理图介绍：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。其运动部件是磁铁（动铁式）。原理：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。（二）恒磁通结构原理图三、磁电式传感器输出特性（一）灵敏度当测量电路接入磁电传感器电路中,磁电传感器的输出电流Io为

Io=

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SI=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、机械振动或冲击时,其灵敏度将发生变化而产生测量误差。相对误差为（二）非线性误差（线性度）磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是:由于传感器线圈内有电流I流过时,将产生一定的交变磁通ΦI,此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上,使恒定的气隙磁通变化。

当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度如图所示时,由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反,减弱了工作磁场的作用,从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。传感器电流的磁场效应（削弱）

当线圈的运动速度与上图所示方向相反时,感生电势E、线圈感应电流反向,所产生的附加磁场方向与工作磁场同向,从而增大了传感器的灵敏度。

其结果是线圈运动速度方向不同时,传感器的灵敏度具有不同的数值,使传感器输出基波能量降低,谐波能量增加。即这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。显然，传感器灵敏度越高,线圈中电流越大,这种非线性越严重。为补偿上述附加磁场干扰,可在传感器中加入补偿线圈,如图所示。补偿线圈通以经放大K倍的电流,适当选择补偿线圈参数,可使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通互相抵消,从而达到补偿的目的。（三）温度误差补偿补偿通常采用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。当温度升高时,热磁分流器的磁导率显著下降,经它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低,从而保持空气隙的工作磁通不随温度变化,维持传感器灵敏度为常数。四、霍尔式传感器结构和工作原理霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。产生的电动势称霍尔电势。半导体薄片称霍尔元件。（一）霍尔效应导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。此时,每个电子受洛仑磁力F的作用，此时电子除了沿电流反方向作定向运动外,还在F的作用下向上漂移,结果使金属导电板上底面积累电子,而下底面积累正电荷,从而形成了附加内电场EH,称霍尔电场，霍尔电场的出现,使定向运动的电子除了受洛仑磁力作用外,还受到霍尔电场的作用力,其大小为eEH，此力阻止电荷继续积累。随着上、下底面积累电荷的增加,霍尔电场增加,电子受到的电场力也增加,当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反时,此时电荷不再向两底面积累,达到平衡状态。载流子受洛仑兹力霍尔电场强度平衡状态电子运动平均速度因为霍尔常数

霍尔电势霍尔常数大小取决于导体的载流子密度（成反比）：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值，提高灵敏度，霍尔元件制成薄片形状。霍尔元件灵敏度（灵敏系数）半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。目前常用的霍尔元件材料有:锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。N型锗容易加工制造,其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好,其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感,尤其在低温范围内温度系数大,但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小,温度系数也较小,输出特性线性度好。（二）霍尔元件的结构和基本电路

霍尔元件的结构很简单,它由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件可用两种符号表示。（三）霍尔元件的主要特性参数根据当磁场和环境温度一定时:

霍尔电势与控制电流I成正比当控制电流和环境温度一定时:

霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比当环境温度一定时:

输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比测量以上电阻时，应在没有外磁场和室温变化的条件下进行。1.输入电阻和输出电阻输入电阻：激励电极间的电阻输出电阻：霍尔电极之间的电阻2.额定激励电流和最大允许激励电流额定控制电流：当霍尔元件有激励电流使其本身在空气中产生10℃温升时，对应的激励电流值。最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对应的激励电流值。

因霍尔电势随激励电流增加而性增加,所以,使用中希望选用尽可能大的激励电流,因而需要知道元件的最大允许激励电流,改善霍尔元件的散热条件,可以使激励电流增加。

3.不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的激励电流为I时,若元件所处位置磁感应强度为零,则它的霍尔电势应该为零,但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。产生这一现象的原因有:

（1）霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上;

（2）半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀;

（3）激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。

（4）不等位电势就是激励电流流经不等位电阻所产生的电压。4.寄生直流电势在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时,霍尔电极输出除了交流不等位电势外,还有一直流电势,称寄生直流电势。其产生的原因有:

（1）激励电极与霍尔电极接触不良,形成非欧姆接触,造成整流效果;

（2）两个霍尔电极大小不对称,则两个电极点的热容不同,散热状态不同形成极向温差电势。寄生直流电