1、第7章,磁敏式傳感器,1,主要內(nèi)容,7.1 磁電感應(yīng)式傳感器 7.2 霍爾式傳感器,2,3,7.1 磁電感應(yīng)式傳感器,磁電感應(yīng)式傳感器又稱感應(yīng)式或電動(dòng)式傳感器， 是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器 它不需要輔助電源， 就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是一種有源傳感器 特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、輸出功率大、輸出阻抗小，具有一定的工作帶寬（101000 Hz），被廣泛用于轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、位移、扭矩等測(cè)量中,4,7.1.1工作原理,電磁感應(yīng)定律（法拉第，1831）：當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)定均勻的磁場(chǎng)中，沿著垂直于磁場(chǎng)方向作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)：

2、 線位移： 角位移： 如果導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向成角呢？,5,恒磁通式傳感器,磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，磁路中的工作氣隙固定不變，因此氣隙中磁通是恒定不變的。 根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的不同，分為動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式。 適用于線位移情形。,6,工作原理 動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式的工作原理是完全相同的。 當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，由于彈簧較軟，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對(duì)較大， 當(dāng)振動(dòng)頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件慣性很大，來(lái)不及隨振動(dòng)體一起振動(dòng)， 近乎靜止不動(dòng)，振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體振動(dòng)速度，磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線， 從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。,7,主要靠改變磁

3、路的磁通大小進(jìn)行測(cè)量，即改變磁路的磁阻,變磁通式磁電傳感器（用于角速度測(cè)量）,8,圖（a）為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動(dòng)， 測(cè)量齒輪安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，隨被測(cè)體一起轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(shì)，其變化頻率等于被測(cè)轉(zhuǎn)速與測(cè)量齒輪上齒數(shù)的乘積。 特點(diǎn)：這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速。,9,圖 (b)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(cè)轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測(cè)軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使氣隙磁

4、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(dòng)勢(shì)。顯然，感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。,10,7.1.2 磁電感應(yīng)式傳感器基本特性 當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路時(shí)，磁電傳感器的輸出電流Io為：,式中： Rf測(cè)量電路輸入電阻； R線圈等效電阻。,傳感器的電流靈敏度為,11,而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為,B值大，靈敏度也大，因此要選用B值大的永磁材料；線圈的平均長(zhǎng)度大也有助于提高靈敏度，但這是有條件的，要考慮兩種情況： （1）線圈電阻與指示器電阻匹配問(wèn)題 因傳感器相當(dāng)于一個(gè)電壓源，為使指示器從傳感器獲得最大功率，必須使線圈的電阻等于指示器的電阻。 （2）線圈

5、的發(fā)熱問(wèn)題 傳感器線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，接上負(fù)載后，線圈中有電流流過(guò)而發(fā)熱。,12,測(cè)量誤差,當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場(chǎng)干擾、受到機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差，其相對(duì)誤差為： 即其測(cè)量誤差來(lái)源于B、L、R三個(gè)方面,13,非線性誤差 （B的影響）,主要原因：當(dāng)磁電式傳感器在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，傳感器線圈會(huì)有電流流過(guò)，這時(shí)線圈會(huì)產(chǎn)生一定的交變磁通，此交變磁通會(huì)疊加在永久磁鐵產(chǎn)生的傳感器工作磁通上，導(dǎo)致氣隙磁通變化。 這種影響分為兩種情況:附加電場(chǎng)與工作電場(chǎng)方向相同（靈敏度增大），或反之。,14,溫度誤差 （L和R的影響）,溫度誤差補(bǔ)償辦法：在結(jié)構(gòu)允許的情況下，在傳感器

6、的磁鐵下設(shè)置 熱磁分路，進(jìn)行溫度補(bǔ)償。,式中：R1指示器線圈電阻；R2指示器附加電阻,15,動(dòng)態(tài)特性,當(dāng)被測(cè)物振動(dòng)頻率低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的靈敏度是隨振動(dòng)頻率的升高而明顯增加的 當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率時(shí)，傳感器的靈敏度接近為一個(gè)常數(shù)，它基本上不隨頻率變化，即在這一頻率范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓與振動(dòng)速度成正比關(guān)系，這一頻段就是傳感器的理想工作頻段 在振動(dòng)頻率更高（過(guò)大）的情況下，線圈阻抗增加，傳感器靈敏度會(huì)隨著振動(dòng)頻率的增加反而下降,16,7.1.2 測(cè)量電路,17,7.1.3 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用,磁電感應(yīng)式振動(dòng)速度傳感器,18,磁電感應(yīng)式扭矩傳感器,19,電磁流量計(jì),測(cè)量

7、導(dǎo)電液體的體積流量,原理圖,外形結(jié)構(gòu)圖,20,7.2 霍爾式傳感器,當(dāng)載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體處于與電流相垂直的磁場(chǎng)中時(shí)，在其兩端將產(chǎn)生電位差，這一現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。 霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)被稱為霍爾電勢(shì)。 霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中洛倫茲力作用的結(jié)果。,21,每個(gè)電子受到洛倫茲力大?。?電子除了沿電流反方向作定向運(yùn)動(dòng)外，還在洛倫茲力作用下向里飄移，結(jié)果在導(dǎo)電板里底面積累了電子，而外表面積累了正電荷，將形成附加內(nèi)電場(chǎng) ,稱為霍爾電場(chǎng)EH。 在霍爾電場(chǎng)作用下，電子將受到一個(gè)與洛侖茲力方向相反的電場(chǎng)力的作用，此力阻止電荷的繼續(xù)積聚，當(dāng)在金屬體內(nèi)電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)（電荷不再積聚），電子所受洛侖

8、茲力和電場(chǎng)力大小相等：,相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)UH：,22,當(dāng)電子濃度為n ，電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度為v時(shí)，根據(jù)電流的定義（單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)導(dǎo)體截面積的電荷量）有(d為導(dǎo)電板的厚度),23,定義霍爾靈敏度為(表征了一個(gè)霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓的大小)：,因此有：,在霍爾器件的使用中，電源是一常量 ，而電子在電場(chǎng)中的平均遷移速度為（ 是單位電場(chǎng)強(qiáng)度下，電子的平均遷移速度）:,因此有：,24,因此有：,所以：霍爾電勢(shì)正比于激勵(lì)電流、電壓Uc及及磁感應(yīng)強(qiáng)度B外，還與材料的遷移率及器件的寬度b成正比，與器件長(zhǎng)度 成反比。 其靈敏度與霍爾系數(shù) 成正比而與霍爾片厚度 成反比。

9、故常做成薄片狀（0.10.2mm)。 靈敏度還與載流子濃度成反比，因金屬的自由電子濃度過(guò)高，不適于制作霍爾元件；載流子的遷移率對(duì)靈敏度也有影響，一般電子遷移率遠(yuǎn)大于空穴，故常采用N型半導(dǎo)體材料制作（如Si,Ge,InSb,InAs)。,25,霍爾元件,霍爾元件的外形、結(jié)構(gòu)和符號(hào),26,霍爾元件基本特性,線性特性與開關(guān)特性：霍爾電動(dòng)勢(shì)UH與I、B成線性關(guān)系(應(yīng)用：磁通計(jì)）或在一定區(qū)域內(nèi)隨B的增加迅速增加（應(yīng)用：直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的控制）的特性 不等位電阻：未加磁場(chǎng)時(shí)，不等位電動(dòng)勢(shì)與相應(yīng)電流的比值。產(chǎn)生原因：霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位上；半導(dǎo)體材料不均勻造成電阻率不均勻或幾何尺寸不對(duì)稱；激

10、勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分配。 負(fù)載特性 ：當(dāng)霍爾電極間接有負(fù)載時(shí)（阻抗非無(wú)窮大），有電流流過(guò)內(nèi)阻產(chǎn)生壓降，實(shí)際的霍爾電動(dòng)勢(shì)將比理論值略小。 溫度特性 ：半導(dǎo)體材料受溫度影響大，將影響霍爾系數(shù)、電阻率、靈敏度等。,27,霍爾元件的零位誤差及補(bǔ)償,不等位電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償,28,寄生直流電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償 當(dāng)霍爾元件的電極焊點(diǎn)是不完全的歐姆接觸、焊點(diǎn)大小不等、熱容量不同時(shí)，將產(chǎn)生寄生直流電動(dòng)勢(shì)（與工作電流有關(guān)，隨之減小而減?。?歐姆接觸：金屬與半導(dǎo)體的接觸，其接觸面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻 補(bǔ)償方法：元件在制作安裝時(shí)，盡量做到使電極歐姆接觸，并做到均勻散熱,29,霍爾元件的溫度誤差及其補(bǔ)償,一旦分流電阻的材料和霍爾元件確定，則可計(jì)算出分流電阻的初始值。,30,7.2.2 測(cè)量電路,可變電阻Rp起調(diào)節(jié)激勵(lì)電流I的