磁電式傳感器

7.1磁電感應(yīng)式傳感器

磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器。由于它輸出功率大，且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），所以得到普遍應(yīng)用。7.1.1磁電感應(yīng)式傳感器工作原理

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為:磁通B：工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度：每匝線圈的平均強(qiáng)度：運動速度(7.1)

當(dāng)一個W匝線圈相對靜止地處于隨時間變化的磁場中時，設(shè)穿過線圈的磁通為φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢e與磁通變化率dφ/dt有如下關(guān)系：

根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：恒磁通式和變磁通式。(7.2)圖7-1恒定磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖（a）動圈式；(b)動鐵式

磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式），動圈式（圖7-1（a））和動鐵式（圖7-1(b)）的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，當(dāng)振動頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢.

圖7.2是變磁通式磁電傳感器，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。（a)圖為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨被測體一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪上齒數(shù)的乘積。1.永久磁鐵2.軟鐵3.線圈4.測量齒輪5.被測旋轉(zhuǎn)體圖7.2變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

(a)開磁路

（b)圖為閉磁路變磁通式傳感器，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時，外齒輪不動，內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動，內(nèi)、外齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動勢。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

(b)閉磁路1.永久磁鐵3.線圈5.內(nèi)齒輪

6.外齒輪7.轉(zhuǎn)軸7.1.2磁電感應(yīng)式傳感器基本特性當(dāng)測量電路接入磁電傳感器電路時，如圖7.3所示，磁電傳感器的輸出電流Io為靈敏度為圖7.3磁電式傳感器測量電路(7.3)(7.4)而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為

當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、受到機(jī)械振動或沖擊時，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測量誤差，其相對誤差為

(7.4)(7.5)(7.6)

1.非線性誤差磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是：由于傳感器線圈內(nèi)有電流I流過時，將產(chǎn)生一定的交變磁通φI，此交變磁通疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化,如圖7.4所示。

圖7.4傳感器電流的磁場效應(yīng)

當(dāng)傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場的運動速度增大時，將產(chǎn)生較大的感應(yīng)電勢e和較大的電流I，由此而產(chǎn)生的附加磁場方向與原工作磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。當(dāng)線圈的運動速度與圖7.4所示方向相反時，感應(yīng)電勢e、線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn)生的附加磁場方向與工作磁場同向，從而增大了傳感器的靈敏度。其結(jié)果是線圈運動速度方向不同時，傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值，使傳感器輸出基波能量降低，諧波能量增加,即這種非線性特性同時伴隨著傳感器輸出的諧波失真。顯然，傳感器靈敏度越高，線圈中電流越大，這種非線性越嚴(yán)重。

當(dāng)溫度變化時，式（7.6）中右邊三項都不為零，對銅線而言每攝氏度變化量為dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2，dB/B每攝氏度的變化量決定于永久磁鐵的磁性材料。對鋁鎳鈷永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，這樣由式（7.6）可得近似值如下：

2.溫度誤差(7.6)(7.7)7.1.3磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路

圖7-4磁電式傳感器測量電路方框圖

磁電感應(yīng)式傳感器可直接測量振動物體的速度或旋轉(zhuǎn)體的角速度。如果在測量電路中接入積分電路或微分電路，還可以測量位移或角速度。7.1.4磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用

1.動圈式振動速度傳感器圖7-5是動圈式振動速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。工作時，將傳感器固定在被測振動體上，永久磁鐵、鋁架和殼體一起隨被測體振動，由于質(zhì)量塊有一定的質(zhì)量，產(chǎn)生慣性力，而彈簧片又非常柔軟，因此當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率時，線圈在磁路系統(tǒng)的環(huán)形氣隙中相對永久磁鐵運動，以振動體的振動速度切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過引線接到測量電路。圖7-5動圈式振動速度傳感器

引線2.殼體3.圓形彈簧片4.鋁架5.永久磁鐵6.工作線圈7.圓環(huán)形阻尼器2.磁電式扭矩傳感器圖7-6是磁電式扭矩傳感器的工作原理圖。在驅(qū)動源和負(fù)載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤。它們旁邊裝有相應(yīng)的兩個磁電傳感器。磁電傳感器的結(jié)構(gòu)見圖7-7所示。傳感器的檢測元件部分由永久磁鐵、感應(yīng)線圈和鐵芯組成。永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線與齒形圓盤交鏈。當(dāng)齒形圓盤旋轉(zhuǎn)時，圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變化，于是磁通量也發(fā)生變化，在線圈中感應(yīng)出交流電壓，其頻率在數(shù)值上等于圓盤上齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)的乘積。

圖7-6磁電式扭矩傳感器工作原理圖圖7-7磁電式傳感器結(jié)構(gòu)圖

7.2霍爾式傳感器7.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件

1.霍爾效應(yīng)置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢稱霍爾電勢。如圖7-8所示，在垂直于外磁場B的方向上放置一導(dǎo)電板，導(dǎo)電板通以電流I，方向如圖所示。導(dǎo)電板中的電流使金屬中自由電子在電場作用下做定向運動。此時，每個電子受洛倫茲力fl的作用，fl的大小為fl=eBv圖7-8霍爾效應(yīng)原理圖

fl的方向在圖7-8中是向內(nèi)的，此時電子除了沿電流反方向作定向運動外，還在fl的作用下漂移，結(jié)果使金屬導(dǎo)電板內(nèi)側(cè)面積累電子，而外側(cè)面積累正電荷，從而形成了附加內(nèi)電場EH，稱霍爾電場，該電場強(qiáng)度為式中,UH為電位差。

霍爾電場的出現(xiàn)，使定向運動的電子除了受洛倫茲力作用外，還受到霍爾電場力的作用，其力的大小為eEH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著內(nèi)、外側(cè)面積累電荷的增加，霍爾電場增大，電子受到的霍爾電場力也增大，當(dāng)電子所受洛倫茲力與霍爾電場作用力大小相等方向相反，即eEH=eBv

時，則EH=vB此時電荷不再向兩側(cè)面積累，達(dá)到平衡狀態(tài)。

若金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n，電子定向運動平均速度為v，電流密度j=nev，激勵電流I=jbd=nevbd，即

得得

式中令RH=1/ne，稱之為霍爾常數(shù)，其大小取決于導(dǎo)體載流子密度,則

式中,KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。由上式可見，霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，其靈敏度與霍爾系數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。

霍爾元件激勵極間電阻R=ρl/(bd)，同時R=U/I=El/I=vl/(μnevbd)（因為μ=v/E,μ為電子遷移率），則

解得RH=μρ

可知，霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率μ的乘積。若要霍爾效應(yīng)強(qiáng)，則希望有較大的霍爾系數(shù)RH，因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很?。欢^緣材料電阻率極高，但載流子遷移率極低，故只有半導(dǎo)體材料才適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有：鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。其中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺。銻化銦對溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度好。2.霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，它是由霍爾片、四根引線和殼體組成的，如圖7-9（a）所示。霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四根引線：1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱激勵電極（控制電極）；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱霍爾電極?；魻栐臍んw是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。在電路中，霍爾元件一般可用兩種符號表示，如圖7-9（b）所示。圖7-9霍爾元件（a）外形結(jié)構(gòu)示意圖；（b）圖形符號

3.霍爾元件基本特性

(1)額定激勵電流和最大允許激勵電流當(dāng)霍爾元件自身溫升10℃時，所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而線性增加，所以使用中希望選用盡可能大的激勵電流，因而需要知道元件的最大允許激勵電流。改善霍爾元件的散熱條件，可以使激勵電流增加。(2)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輸出電勢對電路外部來說相當(dāng)于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，且環(huán)境溫度在20℃±5℃時所確定的。(3)不等位電勢和不等位電阻當(dāng)霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，則它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢，如圖7-10所示。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有：

①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；

②半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；

③激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。圖7-10不等位電勢示意圖

(4)寄生直流電勢在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極輸出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。其產(chǎn)生的原因有：

①激勵電極與霍爾電極接觸不良，形成非歐姆接觸，造成整流效果；

②兩個霍爾電極大小不對稱，則兩個電極點的熱容不同，散熱狀態(tài)不同而形成極間溫差電勢。寄生直流電勢一般在1mV以下，它是影響霍爾片溫漂的原因之一。(5)霍爾電勢溫度系數(shù)在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵電流下，溫度每變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數(shù)。它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。

4.霍爾元件不等位電勢補償不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超過霍爾電勢，而實用中要消除不等位電勢是極其困難的，因而必須采用補償?shù)姆椒ā７治霾坏任浑妱輹r，可以把霍爾元件等效為一個電橋，用分析電橋平衡來補償不等位電勢。

圖7-11為霍爾元件的等效電路，其中A、B為霍爾電極，C、D為激勵電極，電極分布電阻分別用r1、r2、r3、r4表示，把它們看作電橋的四個橋臂。理想情況下，電極A、B處于同一等位面上，r1=r2=r3=r4

，電橋平衡，不等位電勢U0為0。實際上，由于A、B電極不在同一等位面上，此四個電阻阻值不相等，電橋不平衡，不等位電勢不等于零。此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。幾種補償線路如圖7-12所示。圖（a）、（b）為常見的補償電路，圖（b）、（c）相當(dāng)于在等效電橋的兩個橋臂上同時并聯(lián)電阻，圖（d）用于交流供電的情況。圖7-11霍爾元件的等效電路圖7-12不等位電勢補償電路

5.霍爾元件溫度補償霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時，霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化，從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。為了減小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供電是個有效措施，可以使霍爾電勢穩(wěn)定。但也只能是減小由于輸入電阻隨溫度變化所引起的激勵電流I的變化的影響。

霍爾元件的靈敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，它隨溫度變化將引起霍爾電勢的變化?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成KH=KH0(1+αΔT)

式中：

KH0——溫度T0時的KH值；

ΔT=T-T0——溫度變化量；

α——霍爾電勢溫度系數(shù)。

大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值，它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加αΔT倍。但如果同時讓激勵電流Is相應(yīng)地減小，并能保持KH·

Is

乘積不變，也就抵消了靈敏系數(shù)KH增加的影響。圖7-13就是按此思路設(shè)計的一個既簡單，補償效果又較好的補償電路。電路中Is為恒流源，分流電阻Rp與霍爾元件的激勵電極相并聯(lián)。當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻Rp自動地增大分流，減小了霍爾元件的激勵電流IH，從而達(dá)到補償?shù)哪康?。圖7-13恒流溫度補償電路

在圖7-13所示的溫度補償電路中，設(shè)初始溫度為T0，霍爾元件輸入電阻為Ri0，靈敏系數(shù)為KH0，分流電阻為Rp0，根據(jù)分流概念得

當(dāng)溫度升至T時，電路中各參數(shù)變?yōu)槭街校害摹魻栐斎腚娮铚囟认禂?shù)；

β——分流電阻溫度系數(shù)。則

雖然溫度升高了ΔT，為使霍爾電勢不變，補償電路必須滿足溫升前、后的霍爾電勢不變，即UH0=UH，則KH0IH0B=KHIHB

有KH0IH0=KHIH

經(jīng)整理并略去αβ(ΔT)2高次項后得

當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)δ及霍爾電勢溫度系數(shù)α是確定值。計算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)β值。為了滿足Rp0及β兩個條件，分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合，這樣雖然麻煩但效果很好。

7.2.2霍爾傳感器的應(yīng)用

1.霍爾式微位移傳感器霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點，它不僅用于磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率及電能參數(shù)的測量，也在位移測量中得到廣泛應(yīng)用。圖7-14給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖。圖7-14（a）是磁場強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對地放置，霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0，因此霍爾元件輸出的霍爾電勢UH也等于零，此時位移Δx=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對位移，霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之改變，這時UH不為零，其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量。這種結(jié)構(gòu)的傳感器，其動態(tài)范圍可達(dá)5mm，分辨率為0.001mm。圖7-14霍爾式位移傳感器的工作原理圖(a)磁場強(qiáng)度相同傳感器；(b)簡單的位移傳感器；