1、傳感器與檢測技術(shù),董春利 主編 潘洪坤 執(zhí)筆 大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系 2008年3月,全國高等職業(yè)教育規(guī)劃教材省級精品課程配套教材,第六章 磁電式傳感器,6.1 磁電感應(yīng)式傳感器 6.2 霍爾式傳感器,第一節(jié) 磁電感應(yīng)式傳感器,磁電感應(yīng)式傳感器有時又簡稱為磁電傳感器，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械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是有源傳感器。 由于它輸出功率大且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（101000Hz），所以得到普遍應(yīng)用。,一、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理,1電磁感應(yīng)定律 根據(jù)電磁感應(yīng)定律：無論任何原因是通

2、過回路面積的磁通量發(fā)生變化時，回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與磁通量對時間的變化率的負(fù)值成正比。 2電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用 （1）線圈在恒定磁場中作直線運動 線圈兩端的感應(yīng)電動勢e為： 當(dāng)90時，上式可寫成：,（2）線圈在恒定磁場中作旋轉(zhuǎn)運動,線圈兩端的感應(yīng)電動勢為： 當(dāng)90時，上式可寫成： 旋轉(zhuǎn)運動角速度；S線圈的截面積； 線圈平面的法線方向與磁場方向間的夾角。 由于速度和位移、加速度之間是積分、微分的關(guān)系，因此只要適當(dāng)加人積分、微分電路，便能通過測量感應(yīng)電動勢得到位移和加速度。,二、磁電感應(yīng)式傳感器的結(jié)構(gòu),1變磁通式磁電傳感器 這類磁電式傳感器中，產(chǎn)生磁場的永久磁鐵和線圈都固定不動，而是通過磁通的變化

3、產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。,變磁通式磁電傳感器,工作氣隙中的磁通保持不變，而線圈中的感應(yīng)電動勢是由于工作氣隙中的線圈與磁鋼之間作相對運動，線圈切割磁力線產(chǎn)生的。其值與相對運動速度成正比。,2恒磁通式磁電傳感器,（a）動圈式； （b）動鐵式 恒磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu),由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。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），動圈式和動鐵式的工作原理是完全相同的。,三、磁電感應(yīng)式傳感器的特性,1磁電式傳感器的基本特性 （1）電流輸出特性 磁電傳感器的輸出電流Io為： 傳感器的電流靈敏度為：

4、 （2）電壓輸出特性 傳感器的輸出電壓為： 傳感器的電壓靈敏度為：,2磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路,磁電式傳感器測量電路方框圖,1磁電式轉(zhuǎn)速傳感器 （1）磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu) 根據(jù)磁路形式，可分為開磁路式和閉磁路式。 根據(jù)形成磁場的方式，分為永磁型和勵磁型兩種結(jié)構(gòu)類型 根據(jù)極靴的結(jié)構(gòu)形式又可分為單極型、雙極型和齒型三種結(jié)構(gòu)類型。 根據(jù)安裝形式，又可分為分離式和整體式。,四、磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用,國產(chǎn)SZMB-3型磁電式轉(zhuǎn)速傳感器使用時，該傳感器通過聯(lián)軸節(jié)與被測軸連接，當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時將角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，供二次儀表使用。該傳感器每轉(zhuǎn)輸出60個脈沖，輸出信號幅值大于或等于300mV(50rra

5、in時)，測速范圍為505000rmin。 國產(chǎn)SZMB-5型磁電式轉(zhuǎn)速傳感器使用時，該傳感器輸出信號的波形為近似正弦波，幅值與SZMB3型相同。工作時，信號幅值大小與轉(zhuǎn)速成正比，與鐵心和齒頂間隙的大小成反比。被測齒輪的模數(shù)m=2，齒數(shù)z60，傳感器鐵心和被測齒頂間隙=0.5mm，測量范圍為505000rmin。,（2）磁電式轉(zhuǎn)速傳感器,若設(shè)齒輪齒數(shù)為z，轉(zhuǎn)速為n（rmin），則有： 或： 表明，傳感器輸出電動勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。因此，只要將該電動勢放大整形成矩形波信號，送到計數(shù)器或頻率計中，即可由頻率測出轉(zhuǎn)速。,（3）磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的計算,T感應(yīng)電動勢周期；f感應(yīng)電動勢頻率。,2動圈

6、式振動速度傳感器,該傳感器測量的是振動速度參數(shù)，若在測量電路中接入積分電路，則輸出電勢與位移成正比；若在測量電路中接入微分電路，則其輸出與加速度成正比。,1限幅器； 2殼體；,3彈簧片； 4芯軸；,5磁鋼； 6線圈；,7阻尼環(huán)； 8輸出線,3磁電式扭矩傳感器,傳感器的檢測元件部分由永久磁場、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，其頻率等于圓盤上齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)乘積。,第二節(jié) 霍爾式傳感器,霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但由于

7、金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。 霍爾傳感器廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。,一、霍爾效應(yīng)及其參數(shù),1霍爾效應(yīng) 在置于磁場中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)。,（a）霍耳效應(yīng)； （b）霍耳元件結(jié)構(gòu)； （c）圖形符號； （d）外形 圖6-7 霍耳效應(yīng)與霍耳元件,FL的方向在圖中是向上的，此時電子除了沿電流反方向作定向運動外，還在FL的作用下向上漂移，結(jié)果使導(dǎo)電體上底面積累電子，而下底面積累正電荷，從而形

8、成了附加內(nèi)電場EH，此內(nèi)電場稱為霍爾電場,霍爾常數(shù) 的意義: 霍爾電勢UH的大小正比于激勵電流I和磁感應(yīng)強度B的乘積。 霍爾元件的靈敏度KH是表征在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流時輸出霍爾電壓大小的重要參數(shù)。 霍爾元件的靈敏度KH與霍爾常數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。所以，為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。 當(dāng)控制電流方向或磁場方向改變時，輸出電動勢方向也將改變。,RH為霍爾常數(shù),KH稱為霍爾片的靈敏度,霍爾電壓,2霍爾參數(shù),一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很?。?而絕緣材料電阻率極高，但載流子遷移率極低。 故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片。 目前常用的霍爾元件材料有：鍺、硅、砷

9、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型鍺相近。 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。,二、霍爾元件及其傳感器,1霍爾元件基本結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)：由霍爾片、引線和殼體組成 霍爾片：一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個引線。1、1兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；2、2引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極。 霍爾元件殼體由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。,（a）外形結(jié)構(gòu)示意圖； （b）圖形符號 霍爾元件,2常用

10、的霍爾傳感器,（1）霍爾開關(guān)集成傳感器 原理：利用霍爾效應(yīng)與集成電路技術(shù)制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號形式輸出。 特點：具有使用壽命長，無觸點磨損，無火花干擾，無轉(zhuǎn)換抖動，工作頻率高，溫度特性好，能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點。 常見型號：UGN-3020，UGN-3030，UGN-3075 適用情況：點火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速測量、里程測量、機械設(shè)備限位開關(guān)、按鈕開關(guān)、電流的測量和控制、位置及角度的檢測,（2）霍爾線性集成傳感器,霍爾線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場強度呈線性比例關(guān)系。 結(jié)構(gòu)：霍爾元件和放大器組成 型號：SL3501T和SL3501M兩種 適用情況

11、：位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量和控制。,（a）單端輸出型； （b）雙端輸出型 霍爾線性集成傳感器的電路結(jié)構(gòu),三、霍爾式傳感器的應(yīng)用,按被檢測的對象的性質(zhì)可分為直接應(yīng)用和間接應(yīng)用兩種： 直接應(yīng)用：直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性（如：高斯計等）。 間接應(yīng)用：檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它將許多非電、非磁的物理量例如力、位移、速度以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進行檢測和控制。,1霍爾式微位移傳感器,圖（a）是磁場強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)強度B=0，因此霍爾元

12、件輸出的霍爾電勢UH也等于零，此時位移x=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（b）所示是一種結(jié)構(gòu)簡單的霍爾位移傳感器，由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器，在x=0時，霍爾電壓不等于零。 圖（c）是一個由兩個結(jié)構(gòu)相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器，為了獲得較好的線性分布，在磁極端面裝有極靴，霍爾元件調(diào)整好初始位置時，可以使霍爾電壓UH=0。 這種傳感器靈敏度很高，但它所能檢測的位移量較小，適合于微位移量及振動的測量。,2霍爾計數(shù)裝置,霍爾開關(guān)傳感器SL3501是具有較高靈敏度的集成霍爾元件，能感受到很小的磁場變化，因而可對黑色金屬零件進行計數(shù)檢測。,霍爾計數(shù)裝置的工作原理及電路圖,3霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器,原理：檢測出單位時間的脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速,幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器,作業(yè)與思考題,1說明磁電式傳感器的基本工作原理 2試通過轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的實例說明磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的應(yīng)用。 3磁電式振動傳感器與磁電式轉(zhuǎn)速傳感器在工作原理上有什么區(qū)別？ 4采用SZMB-3型磁電式傳感器測量轉(zhuǎn)速，當(dāng)傳感