第7章 磁电式传感器.ppt

1、第7章 磁电式传感器,7.1 磁电感应式传感器 7.2 霍尔式传感器,7.1 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）转换成电信号的传感器。 有源传感器: 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 一般分为两种： 磁电感应式: 利用导体和磁场发生相对运动产生感应电势 霍尔式: 载流半导体在磁场中有电磁效应(霍尔效应)而输出电势,7.1.1 磁电感应式传感器工作原理 以电磁感应原理为基础的，根据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁链对时间的变化率，即,若线圈相对磁场运动为速度v或角转度时,或,

2、在传感器中，当结构参数确定后，即B、l、W、s均为定值，那么感应电势e与线圈相对磁场的运动速度(v或)成正比。,两种磁电式传感器结构： 1.变磁通式(磁阻式),角速度型,测速电机,图7-2 恒定磁通式磁电传感器结构原理图 （a） 动圈式； (b) 动铁式,2. 恒磁通式,飞机振动模态分析,7.1.2 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,（7-4),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,（7-5),图7-3 磁电式传感器测量电路,而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为,(7-6),(7-7),当传感器的工作温度发生

3、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,(7-8),磁电式传感器在使用时存在误差，主要为非线性误差和温度误差。,1. 非线性误差 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I，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。,图7-4 传感器电流的磁场效应,2. 温度误差 当温度变化时，式（7-8）中右边三项都不为零，对铜线而言每摄氏度变化量为dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-2，dB/B每摄氏度的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金，d

4、B/B-0.0210-2，这样由式（7-8）可得近似值如下：,温度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。 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比例较正常工作温度下显著降低，使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。,7.1.3 磁电感应式传感器的测量电路,图7-5 磁电式传感器测量电路方框图,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, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积分或微分电路。

5、,7.1.4 磁电感应式传感器的应用 1. 动圈式振动速度传感器,图7-6 动圈式振动速度传感器,2. 磁电式扭矩传感,图7-7 磁电式扭矩传感器工作原理图,图7-8 磁电式传感器结构图,当扭矩作用在扭转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1和u2存在相位差，与扭转轴的扭转角成正比。 这样，传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。,7.2 霍尔式传感器,7.2.1 霍尔效应及霍尔元件 1. 霍尔效应 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的物理效应。 置于磁场中的静止载流体中，若电流方向与磁场方向不相同，则在载流体的垂直于电流与磁场方向所组成的两个侧面将产生电动势。

6、这一现象为美国物理学家爱德文霍尔于1879年发现，称为霍尔效应，相应的电动势称为霍尔电势。,霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。,称为霍尔系数，它是由基片材料的物理性质决定常数；,灵敏度系数，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势大小。,fL=evB fE=eEH,霍尔电势:,若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速度为v,则激励电流I=nevbd，即,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，达到平衡，此时,霍尔元件激励极间电阻,电子迁移率: 电子在电场作用下运动速度的大小

7、，即在单位电场强度作用下电子的平均速度值,同时,霍尔元件材料 金属材料，电子很高但很小，绝缘材料，很高但很小。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。 霍尔元件材料 1锗(Ge)，N型及P型均可。 2硅(Si)N型及P型均可。 3砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相似。,图7-10 霍尔元件 （a） 外形结构示意图； （b） 图形符号,2. 霍尔元件基本结构,3. 霍尔元件基本特性 (1) 额定激励电流IH和最大允许激励电流 使霍尔片温升10所施加的控制电流值。 以元件最大温升为限制所对应的激励电流 （限制额定激励电流的主要因素是散热条件） （2）输入电阻

8、Ri 控制电极间的电阻值（205） 输出电阻 RS 指霍尔电极间的电阻值,(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，此时测得的空载霍尔电势。 不等位电势就是激励电流经不等位电阻所产生的电压。 (4） 寄生直流电势 (5） 霍尔电势温度系数,图7-11 不等位电势示意图,4. 霍尔元件不等位电势补偿,补偿原理：将r1、r2、r3、r4其视为电桥的四个臂，即电桥不平衡，为使其平衡可在阻值较大的臂上并联电阻，或在两个臂上同时并联电阻。,图7-12 霍尔元件的等效电路,零点误差： 不等位电势：电极引出时偏斜，半导体的电阻特性（等势面倾斜）造成。激励电极接触

9、不良。 寄生直流电势：由于霍耳元件是半导体，外接金属导线时，易引起PN节效应，当电流为交流电时，整个霍耳元件形成整流效应，PN节压降构成寄生直流电势，带来输出误差。,补偿方法 制作工艺上保证电极对称、欧姆接触 电路补偿:A、B为霍尔电极，C、D为控制电极，在极间分布的电阻用r1、r2、r3、r4表示，理想情况是r1r2r3r4，即零位电势为零（或零位电阻为零）。但实际上存在着零位电势，则说明此四个电阻不等。,5. 霍尔元件温度补偿,误差原因：温度变化时，KH, Ri（输入电阻）变化, KH=KH0(1+T) 补偿办法 对温度引起的I进行补偿。采用恒流源供电。但只能减小由于输入电阻随温度变化所引

10、起的激励电流的变化的影响。 对KHI乘积项同时进行补偿。采用恒流源与输入回路并联电阻 。 初始状态：KH0,Ri0,图7-14 恒流温度补偿电路,温度变化后：,要使,UH0=UH,KH0IH0B=KHIHB,即,图7-15 霍尔式位移传感器的工作原理图 (a) 磁场强度相同传感器； (b) 简单的位移传感器； (c) 结构相同的位移传感器,7.2.2 霍尔传感器的应用 1. 霍尔式微位移传感器,霍尔线性位移传感器,图7-16 几种霍尔式转速传感器的结构,2. 霍尔式转速传感器,永磁体装在轴端的转速测量方法,永磁体装在轴侧的转速测量方法,工作原理及用途：被测体上贴一磁钢，非接触式测量，高可靠，适

11、用于低转速，体积小、安装方便，对环境无要求，适合各种恶劣环境、污浊环境、功耗低，适宜长期工作。,霍尔式转速计,图7-17 霍尔计数装置的工作示意图及电路图,3. 霍尔计数装置,当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。,4. 霍尔电流传感器,5. 霍尔式微压力传感器,6. 霍尔式角位移传感器,叶片和齿轮位置传感器,7. 霍尔式汽车速度测量传感器,例7-1 某霍尔元件lbd=103.51mm3，沿l方向通以电流I=1.0mA，在垂直于lb面方向加有均匀磁场B=0.3T，传感器的灵敏度系数为22V/AT，试求其输出霍尔电势。,解：输出霍尔电压 UH = KHIB=22V/AT1.0mA0.3T=6.610-3 V=6.6mV,例7-2 若一个霍尔器件的KH=4mV/mAkGs，控制电流I=3mA，将它置于1Gs5kGs变化的磁场中(设磁场与霍尔器件平面垂直)，它的输出霍尔电势范围多大?,解：输出霍尔电压 UH1 = KHIB1=4mV/MakGs3mA1Gs=12V UH2 = KHIB2=4mV/MakGs3mA5kGs=60mV,例7-3有一霍尔元件，其灵敏度KH=1.2mV/mAkGs，把它放在一个梯度为5kGs/mm的磁场中，如果额定