1、2022-7-41今日要點今日要點第第7章章 磁電、磁敏傳感器磁電、磁敏傳感器+2022-7-427.1 磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器一、工作原理一、工作原理法拉第電法拉第電磁磁感應定律：感應定律：dtdWe為為磁通量磁通量dtd磁鐵與線圈之間作相對運動磁鐵與線圈之間作相對運動恒定磁場中的線圈面積變化恒定磁場中的線圈面積變化磁路中的磁阻變化磁路中的磁阻變化磁通量磁通量變化關鍵變化關鍵deWWBlvdtmagnetoelectric electromagnetic induction law 2022-7-43磁電式傳感器：利用，磁電式傳感器：利用， 測量量變化測量量變化感應電壓感應電壓ed

2、td電磁式傳感器：利用銜鐵運動，電磁式傳感器：利用銜鐵運動， Rm變化變化L 變化變化U 變化變化注意與注意與電感式傳感器電感式傳感器區(qū)別區(qū)別變磁通式和恒磁通式變磁通式和恒磁通式二、結構類型二、結構類型2022-7-441- 1-永久磁鐵永久磁鐵 2- 2-軟磁鐵軟磁鐵 3- 3-感應線圈感應線圈 4- 4-測量測量齒輪齒輪 5- 5-內齒輪內齒輪 6- 6-外齒輪外齒輪 7- 7-轉軸轉軸4321N SA A)變磁通式變磁通式a 開磁通式開磁通式b 閉磁通式閉磁通式其中：其中：2022-7-45(a) 開磁路變磁通式開磁路變磁通式: 線圈、線圈、 磁鐵靜止不磁鐵靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋

3、轉體上，動，測量齒輪安裝在被測旋轉體上，隨之一起轉動。隨之一起轉動。每轉動一個齒每轉動一個齒, 齒的凹齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就，磁通也就變化一次，線變化一次，線圈中產生感應電勢，其圈中產生感應電勢，其變化頻率變化頻率等于被測轉速與測量齒輪齒等于被測轉速與測量齒輪齒數(shù)的乘積。數(shù)的乘積。4321N S 這種傳感器結構簡單這種傳感器結構簡單, 但輸出信號較小但輸出信號較小, 且因高速且因高速軸上加裝齒輪較危險而軸上加裝齒輪較危險而。2022-7-46(b) 閉磁路變磁通式：它由裝在轉軸上的內閉磁路變磁通式：它由裝在轉軸上的內齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應線圈組齒輪和

4、外齒輪、永久磁鐵和感應線圈組成成, 內外齒輪齒數(shù)相同。內外齒輪齒數(shù)相同。 當轉軸連接到當轉軸連接到被測轉軸上時被測轉軸上時, 外齒輪不動外齒輪不動, 內齒輪隨內齒輪隨被測軸而轉動被測軸而轉動, 內、外齒輪的相對轉動內、外齒輪的相對轉動使使氣隙磁阻氣隙磁阻產生周期性變化產生周期性變化, 從而引起從而引起磁路中磁路中磁通磁通的變化的變化, 使線圈內產生周期使線圈內產生周期性變化的感應電動勢。性變化的感應電動勢。 感應電勢的頻率與被測轉感應電勢的頻率與被測轉速成正比；采用速成正比；采用的方法可的方法可以得到被測物體的頻率。以得到被測物體的頻率。2022-7-47B) B) 恒定磁通式恒定磁通式NS外

5、殼線圈永久磁鐵框架彈簧永久磁鐵永久磁鐵線圈線圈相對相對運動運動 線圈不動，磁鐵運動線圈不動，磁鐵運動(a) 線圈運動，磁鐵不動線圈運動，磁鐵不動(b)NS永久磁鐵線圈運動部分(a)(b)2022-7-48009090sinsineWBLvWBLveWBSWBL B 氣隙磁感應強度氣隙磁感應強度(Wb/m2) L 線圈導線總長度線圈導線總長度(m)W 線圈匝數(shù)線圈匝數(shù) S 線圈所包圍的面積線圈所包圍的面積(m2) v 線圈和磁鐵間相對運動的速度線圈和磁鐵間相對運動的速度 (m/s) 線圈和磁鐵間相對旋轉運動的角速線圈和磁鐵間相對旋轉運動的角速(rad/s) 運動方向與磁感應強度方向的夾角運動方向

6、與磁感應強度方向的夾角式中：式中：2022-7-49三、磁電感應式傳感器基本特性三、磁電感應式傳感器基本特性 當測量電路接入磁電傳感器，磁電傳感器的輸當測量電路接入磁電傳感器，磁電傳感器的輸出電流出電流Io為為 式中式中: Rf 測量電路輸入電阻測量電路輸入電阻 L 每匝線圈平均長度每匝線圈平均長度 R 線圈等效電阻線圈等效電阻 W 線圈匝數(shù)線圈匝數(shù)0ffeBLWvIRRRR傳感器的電流靈敏度為傳感器的電流靈敏度為IfIBLWSvRR運動速度運動速度ERRfI02022-7-410而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為00fffBLWvRUI RRR0fUfB

7、LWRUSvRR 當傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外當傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、界磁場干擾、 機械振動或沖擊時，其靈敏度機械振動或沖擊時，其靈敏度將發(fā)生變化而產生將發(fā)生變化而產生測量誤差測量誤差。 相對誤差為相對誤差為RdRLdLBdBsdsII2022-7-411非線性誤差非線性誤差 磁電傳感器產生非磁電傳感器產生非線性誤差的主要原因是：線性誤差的主要原因是： 由于傳感器線圈由于傳感器線圈內有內有電流電流I流過時流過時, 將將產生一定的交變磁通產生一定的交變磁通I, 此交變磁通疊加在此交變磁通疊加在永久磁鐵所產生的工永久磁鐵所產生的工作磁通上，作磁通上，使恒定的使恒定的氣隙

8、磁通變化氣隙磁通變化。2022-7-412n當產生的附加磁場方向與原工作磁場方向當產生的附加磁場方向與原工作磁場方向相相反反, 減弱了工作磁場的作用減弱了工作磁場的作用, 從而使得傳感從而使得傳感器的靈敏度隨著器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低被測速度的增大而降低。n當線圈的運動速度與圖所示方向相反時，感當線圈的運動速度與圖所示方向相反時，感生電勢生電勢E、 線圈感應電流反向，所產生的附線圈感應電流反向，所產生的附加磁場方向與工作磁場同向，從而加磁場方向與工作磁場同向，從而增大了傳增大了傳感器的靈敏度感器的靈敏度。2022-7-413 為補償上述附加磁場為補償上述附加磁場干擾干擾, 可在傳感器

9、中加入可在傳感器中加入補償線圈補償線圈(如圖如圖)。補償線。補償線圈通以經放大圈通以經放大K倍的電流倍的電流, 適當選擇補償線圈參數(shù)適當選擇補償線圈參數(shù), 可使其產生的交變磁通與可使其產生的交變磁通與傳感線圈本身所產生的交傳感線圈本身所產生的交變磁通變磁通互相抵消互相抵消, 從而達從而達到補償?shù)哪康?。到補償?shù)哪康摹Ｑa償線圈補償線圈2022-7-414p 當溫度變化時對銅線，每攝氏度變化量為當溫度變化時對銅線，每攝氏度變化量為 dL/L0.16710-4 dR/R0.4310-2 p 溫度變化時對鋁鎳鈷永久磁合金溫度變化時對鋁鎳鈷永久磁合金 dB/B-0.0210-2 這樣可得近似值：這樣可得近

10、似值：rt(-4.5%)/10 溫度誤差溫度誤差熱磁分流器熱磁分流器RdRLdLBdBsdsII2022-7-415四、測量電路四、測量電路 磁電式傳感器是速度傳感器，通常具有較磁電式傳感器是速度傳感器，通常具有較高的靈敏度，不需要增益放大器。高的靈敏度，不需要增益放大器。 積分：將速度轉換成位移，積分：將速度轉換成位移，svdt 微分：速度轉換成加速度，微分：速度轉換成加速度，adv/dt磁電式磁電式傳感器傳感器量程量程選擇選擇321前置前置放大放大微分微分電路電路積分積分電路電路主放大器主放大器顯示顯示或記或記錄錄3212022-7-416五、磁電式傳感器五、磁電式傳感器應用應用1- 頂桿

11、頂桿 2,5- 彈簧片彈簧片3- 磁鐵磁鐵 4- 線圈線圈6- 引出線引出線 7- 外殼外殼2022-7-417 測量時，殼體固定在一個試件上，頂桿頂住測量時，殼體固定在一個試件上，頂桿頂住另一試件，則線圈在磁場中運動速度就是兩試件另一試件，則線圈在磁場中運動速度就是兩試件的相對速度。速度計的輸出電壓與兩試件的相對的相對速度。速度計的輸出電壓與兩試件的相對速度成正比。相對式速度計可測量的最低頻率接速度成正比。相對式速度計可測量的最低頻率接近于零。近于零。2022-7-418磁電式扭矩傳感器工作原理圖磁電式扭矩傳感器工作原理圖2022-7-419p在驅動源和負載之間的扭轉軸的兩側安裝有齒形在驅動

12、源和負載之間的扭轉軸的兩側安裝有齒形圓盤圓盤, 它們旁邊裝有相應的兩個磁電傳感器。它們旁邊裝有相應的兩個磁電傳感器。p當齒形圓盤旋轉時當齒形圓盤旋轉時, 圓盤齒凸凹引起圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變磁路氣隙的變化化, 于是磁通量也發(fā)生變化于是磁通量也發(fā)生變化, 在線圈中感應出交流在線圈中感應出交流電壓電壓, 其頻率等于圓盤上齒數(shù)與轉速乘積。其頻率等于圓盤上齒數(shù)與轉速乘積。 p當扭矩作用在扭轉軸上時當扭矩作用在扭轉軸上時, 兩個磁電傳感器輸出的兩個磁電傳感器輸出的感應電壓感應電壓u1和和u2存在存在相位差相位差。這個相位差與扭轉。這個相位差與扭轉軸的扭轉角成正比。軸的扭轉角成正比。 這樣傳感器就可以

13、把扭矩引這樣傳感器就可以把扭矩引起的扭轉角轉換成相位差的電信號。起的扭轉角轉換成相位差的電信號。2022-7-420磁電式扭矩傳感器工作原理圖磁電式扭矩傳感器工作原理圖2022-7-4217.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器n霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃囊环N傳感器。n1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應現(xiàn)了霍爾效應, 但由于金屬材料的霍爾效應太但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。弱而沒有得到應用。n隨著半導體技術的發(fā)展隨著半導體技術的發(fā)展, 開始用半導體材料制開始用半導體材料制成霍爾元件成霍爾元件,

14、 由于它的霍爾效應顯著而得到應由于它的霍爾效應顯著而得到應用和發(fā)展。用和發(fā)展。 n霍爾傳感器廣泛用于霍爾傳感器廣泛用于等方面的測量。等方面的測量。2022-7-422N型半導體霍爾效應原理圖型半導體霍爾效應原理圖一、霍爾效應一、霍爾效應 置于磁場中的靜止載流導體置于磁場中的靜止載流導體, , 當它的電流方當它的電流方向與磁場方向不一致時向與磁場方向不一致時, , 載流導體上平行于電流載流導體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產生和磁場方向上的兩個面之間產生電動勢電動勢, , 這種現(xiàn)這種現(xiàn)象稱霍爾效應。該電勢稱霍爾電勢。象稱霍爾效應。該電勢稱霍爾電勢。半導體薄片半導體薄片 + + 磁場磁場B

15、+ B + 電流電流I IIbBd+- - - - -洛倫茲力洛倫茲力F作作 用用電動勢電動勢UH2022-7-423 積聚正電荷的電場又對運動電子產生電場力積聚正電荷的電場又對運動電子產生電場力FE，阻止電子的積聚。當阻止電子的積聚。當FE = FL時，電子積聚達到動態(tài)時，電子積聚達到動態(tài)平衡，此時，在薄片上垂直于電場和磁場方向的兩平衡，此時，在薄片上垂直于電場和磁場方向的兩個側面之間會出現(xiàn)電位差，即霍爾電勢個側面之間會出現(xiàn)電位差，即霍爾電勢UH。該現(xiàn)象。該現(xiàn)象則稱為霍爾效應，電場強度則稱為霍爾效應，電場強度 當電流垂直于外電場方向通過當電流垂直于外電場方向通過N型半導體薄片型半導體薄片時，

16、半導體中的載流子時，半導體中的載流子(電子電子)受到磁場的受到磁場的洛倫茲力洛倫茲力FL作用，使電子向一邊偏轉，積聚在半導體一側，作用，使電子向一邊偏轉，積聚在半導體一側，而另一側積聚正電荷，形成了電場。而另一側積聚正電荷，形成了電場。EH UH/b2022-7-424FqvB (洛倫茲力洛倫茲力)q電子電荷量電子電荷量v電子速度電子速度B磁感應強度磁感應強度FqEH (電場力電場力)F -電場力電場力EH -靜電場強度靜電場強度動態(tài)平衡時動態(tài)平衡時 F=F流過基片的電流稱激勵電流或控制電流流過基片的電流稱激勵電流或控制電流: :I=nqvbdnN型半導體載流子濃度型半導體載流子濃度bd與電流

17、方向垂直的截面積與電流方向垂直的截面積I=pqvbdpP型半導體載流子濃度型半導體載流子濃度qEH qvB2022-7-425HHBIBIURnqdd其中，其中，RH霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)nqRH1pqRH1則則令令dRKHH-靈敏度靈敏度1HHHUKBIKnqd2022-7-426二、霍爾元件二、霍爾元件（1）當）當B恒定，恒定，UH與與I呈線性關系呈線性關系（2）當）當I恒定，恒定，UH與與B成正比成正比（3）當）當I恒定，元件在均勻梯度磁場中運動時恒定，元件在均勻梯度磁場中運動時直接測量電流直接測量電流能轉換成電流的其它物理量能轉換成電流的其它物理量測量交、直流磁感應強度測量交、直流磁感應強度

18、可測量微位移，以及壓力、加速度、振動等可測量微位移，以及壓力、加速度、振動等（4）當）當B勵磁電流勵磁電流I2時，時，UHKI1I2可做成乘法器、乘方器、開方器、除法器可做成乘法器、乘方器、開方器、除法器HHUK BI2022-7-427I I1BU UH H+I I0 B運放運放U UH HU Ui iR RL L-+-2iH0UUKIi0iUIKUK2022-7-428三、霍爾式傳感器的組成三、霍爾式傳感器的組成1、電路部分：、電路部分：霍爾元件分為霍爾元件分為和和（a）線性應用）線性應用（b）開關應用）開關應用激勵激勵電極電極霍爾霍爾電極電極2022-7-429+RP1RP2ABUH為了

19、為了增加增加輸出的霍爾電壓、功率輸出的霍爾電壓、功率（a）直流供電時）直流供電時 控制電流端并聯(lián)控制電流端并聯(lián) 霍爾元件串聯(lián)霍爾元件串聯(lián)UHTI（b）交流供電時）交流供電時 輸出通過變壓器耦合輸出通過變壓器耦合2022-7-4302、磁路部分：、磁路部分：待測待測力、壓力力、壓力在磁場在磁場中運動中運動位移位移x xC CB BX XB=CXB=CXK KH HI IU UH H激磁電流恒定激磁電流恒定速度、加速度速度、加速度 3、霍爾元件基本特性、霍爾元件基本特性 1) 額定額定激勵電流和激勵電流和最大允許最大允許激勵電流激勵電流 因霍爾電勢隨激勵電流增加而線性增加，激因霍爾電勢隨激勵電流增

20、加而線性增加，激勵電流增加，導致霍爾元件自身的溫升。勵電流增加，導致霍爾元件自身的溫升。 IBKUHH2022-7-431 當霍爾元件自身溫升當霍爾元件自身溫升1010時所流過的激勵電流時所流過的激勵電流稱為稱為額定激勵電流額定激勵電流。 以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為稱為最大允許激勵電流最大允許激勵電流。 2) 2) 輸入電阻和輸出電阻輸入電阻和輸出電阻 激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻。霍爾電極輸出電勢對外電路來說相當于一個電壓源輸出電勢對外電路來說相當于一個電壓源, , 其電源其電源內阻即為輸出電

21、阻。內阻即為輸出電阻。3) 3) 不等位電勢和不等位電阻不等位電勢和不等位電阻 當勵磁電流為當勵磁電流為I,I,元件處于磁感應強度元件處于磁感應強度B=0,UB=0,UH H00霍爾電極不對稱或不能保證焊接在霍爾電極不對稱或不能保證焊接在同一位面同一位面上，它上，它將形成零位差，它可以用不等位電阻表示。將形成零位差，它可以用不等位電阻表示。2022-7-4324)4)寄生直流電勢寄生直流電勢 在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極除了交流不等位電勢外，還有一直流電勢，爾電極除了交流不等位電勢外，還有一直流電勢，稱為寄生直流電勢。稱為寄生直流電勢。

22、IUr/00U0 不等位電勢不等位電勢 I 激勵電流激勵電流 r0 不等位電阻不等位電阻5)5)霍爾電勢溫度系數(shù)霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定磁感應強度和激勵電流下溫度每變化在一定磁感應強度和激勵電流下溫度每變化11時霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數(shù)。時霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數(shù)。2022-7-433四、測量誤差及其補償辦法四、測量誤差及其補償辦法 零位誤差及其補償零位誤差及其補償R0ADCBU +UH0IU0=R0I 當當B=0，I02022-7-434DBCAI R1R2R3R4R2R1R3R4BCDAI DBCARPR2R1R3R4BCDA電橋補償辦法電橋補償辦法DBCA

23、RPR2R1R3R4CBDARP 將霍爾元件看成四臂電橋，不等位電壓將霍爾元件看成四臂電橋，不等位電壓相當于電橋不滿足平衡條件下的不平衡輸出相當于電橋不滿足平衡條件下的不平衡輸出電壓，因而可以外接電阻以補償其橋路的不電壓，因而可以外接電阻以補償其橋路的不平衡輸出。平衡輸出。2022-7-435 溫度誤差及其補償溫度誤差及其補償 霍爾元件由半導體構成，所以其輸入、霍爾元件由半導體構成，所以其輸入、輸出電阻、霍爾常數(shù)隨溫度變化，產生溫輸出電阻、霍爾常數(shù)隨溫度變化，產生溫度誤差。度誤差。 在一定磁感應強度和激勵電流下在一定磁感應強度和激勵電流下, , 溫度溫度每變化每變化 11時，時，稱霍稱霍爾電勢

24、溫度系數(shù)爾電勢溫度系數(shù), ,它也是霍爾系數(shù)它也是霍爾系數(shù)RH的溫度的溫度系數(shù)。系數(shù)。IBKUHH2022-7-436000(1)(1)(1)HHKKTrrTRRT BIKUHHHIrRRIH（i i）恒流源供電，并聯(lián)電阻）恒流源供電，并聯(lián)電阻R RRIRIHUH r0 ：輸入電阻輸入電阻 R : 旁路分流電阻旁路分流電阻：UH溫度系數(shù)溫度系數(shù)：r0溫度系數(shù)溫度系數(shù)：R0溫度系數(shù)溫度系數(shù)TT 0當溫度2022-7-437為使溫度改變?yōu)槭箿囟雀淖僒后，霍爾電勢仍不變后，霍爾電勢仍不變只要滿足只要滿足00Rr （iiii）恒壓源供電時，串聯(lián)電阻）恒壓源供電時，串聯(lián)電阻R RIUHER0000RrrR

25、由等效電源定理知由等效電源定理知000Rrr00HHHHKIBKIB+2022-7-438（iiiiii）合理選擇負載電阻）合理選擇負載電阻R RL L的值的值 霍爾元件的輸出電阻霍爾元件的輸出電阻R0000和霍爾電勢與元件溫和霍爾電勢與元件溫度有一定的函數(shù)關系，可選擇負載電阻度有一定的函數(shù)關系，可選擇負載電阻R RL L的值使得的值使得輸出電壓輸出電壓U UL L不隨溫度變化。不隨溫度變化。)1 (0TaUUHH) 1(00aRRLHLLLURRRU0)1 (000TRR)1 ()1 (000TRRTaURLHL0LTddU令令則則2022-7-439（iviv）使用橋路補償電路）使用橋路補償電路橋路補償電路橋路補償電路2022-7-440五、霍爾傳感器應用五、霍爾傳感器應用1. 1. 霍爾式微位移傳感器霍爾式微位移傳感器 霍爾元件具有結構簡單、體積小、動態(tài)特性好霍爾元件具有結構簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點和壽命長的優(yōu)點, , 在位移測量中得到廣泛應用。在位移測量中得到廣泛應用?；魻栐魻栐魻栐魻栐魻栐魻栐魻柺轿灰苽鞲衅鞯墓ぷ髟砘魻柺轿灰苽鞲衅鞯墓ぷ髟韴D圖2022-7-4412. 2. 霍爾式轉速傳感器霍爾式轉速傳感器 幾種不同結構的霍爾式轉速傳感器