1、第7章,磁敏式傳感器,主要內(nèi)容,7.1 磁電感應(yīng)式傳感器 7.2 霍爾式傳感器,磁敏式傳感器的定義： 對磁場參量（B、）敏感、通過磁電作用將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換為電信號的器件或裝置。 磁電作用：電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng) 分類：磁電感應(yīng)式傳感器 霍爾式傳感器,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， 是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運(yùn)動而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動勢的原理將被測量（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)械能轉(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（101000 H

2、z），所以得到普遍應(yīng)用。,磁電感應(yīng)式傳感器電路簡單、性能穩(wěn)定、輸出阻抗小，具有一定的頻率響應(yīng)范圍（一般在101000Hz），適用于轉(zhuǎn)速、振動、位移、扭矩等測量。,7.1.1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(yùn)動時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢。對于一個N匝線圈，設(shè)穿過線圈的磁通為，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電動勢將與的變化速率成正比，即：,1.電磁感應(yīng),如果線圈相對于磁場的運(yùn)動線速度為v或角速度，則,或,（1）恒磁通式傳感器,工作原理：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(yùn)動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式），動圈

3、式（圖（a）和動鐵式（圖 (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(yùn)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(yùn)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(yùn)動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運(yùn)動切割磁力線， 從而產(chǎn)生與運(yùn)動速度成正比的感應(yīng)電勢。,變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖 (a) 開磁路； (b) 閉磁路,（2）變磁通式磁電傳感器,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

4、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。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。,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。,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，磁電傳感器的輸出電流Io為,式中： Rf測量電路輸入電阻

5、； R線圈等效電阻。,傳感器的電流靈敏度為,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： 線圈電阻與指示器電阻匹配問題： 如圖7.3所示，因傳感器相當(dāng)于一個電壓源，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。 線圈的發(fā)熱問題： 傳感器線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，接上負(fù)載后，線圈中有電流流過而發(fā)熱。,測量誤差,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,1）非線性誤差,主要原因：當(dāng)磁電式傳感器在進(jìn)行

6、測量時，傳感器線圈會有電流流過，這時線圈會產(chǎn)生一定的交變磁通，此交變磁通會疊加在永久磁鐵產(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,當(dāng)傳感器線圈相對磁場運(yùn)動所產(chǎn)生的附加磁場與員工作磁場方向相反時，附加磁場將減弱工作磁場的作用，從而使傳感器的靈敏度隨檢測速度的增而降低。即當(dāng)傳感器向上運(yùn)動時，I與方向相反，減弱了工作磁場的作用，使傳感器靈敏度降低。 當(dāng)傳感器線圈相對磁場運(yùn)動所產(chǎn)生的附加磁場與原磁場方向相同時，傳感器靈敏度增高。即當(dāng)向下運(yùn)動時， I與方向同向，增加了工作磁場的作用，靈敏度增大。 這兩種情況將導(dǎo)致測量結(jié)果中出現(xiàn)非線性項(xiàng)，且速度越大，影響越明顯。其結(jié)果是線圈的運(yùn)動方

7、向和速度大小都會使傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值，使傳感器的基波能量降低，諧波能量增加。結(jié)果：靈敏度越高，線圈中電流越大，非線性影響越嚴(yán)重。 補(bǔ)償方法：加入補(bǔ)償線圈。,2）溫度誤差,溫度誤差補(bǔ)償辦法：在結(jié)構(gòu)允許的情況下，在傳感器的磁鐵下設(shè)置熱磁分路，進(jìn)行溫度補(bǔ)償。,在磁電式傳感器的各種干擾中，通常溫度干擾比較嚴(yán)重。永久磁鐵的影響比較小，傳感器線圈影響比較大。線圈是用銅線繞成的，溫度系數(shù)為正，溫度每升高10，電阻大約增加4%；指示器電路的電阻Rf的溫度系數(shù)也是正的，它的數(shù)值與線圈電阻R1和附加電阻R2有關(guān)。當(dāng)溫度增加t時，電流為：,3）動態(tài)特性,當(dāng)被測物振動頻率低于傳感器的固有頻率時，傳感器的靈敏

8、度是隨振動頻率的升高而明顯增加的； 當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率時，傳感器的靈敏度接近為一個常數(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； 在振動頻率更高（過大）的情況下，線圈阻抗增加，傳感器靈敏度會隨著振動頻率的增加反而下降。,7.1.2 測量電路,磁電式傳感器只用于測量動態(tài)量，可以直接測量振動物體的線速度或旋轉(zhuǎn)體的角速度，加入積分或者微分電路后，可以測量位移和加速度。,7.1.3 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用,（1）磁電感應(yīng)式振動速度傳感器,（2）磁電感應(yīng)式扭矩傳感器,（3）電磁流量計,7.2 霍爾式傳感器,當(dāng)載流導(dǎo)體或

9、半導(dǎo)體處于與電流相垂直的磁場中時，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)生的電動勢被稱為霍爾電勢。 霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。,7.2.1 工作原理,1.霍爾效應(yīng),在場為l、寬為b、厚度為d的長方形導(dǎo)電板上，兩對垂直側(cè)面各裝上電極。如果在長度方向通入控制電流I，在厚度方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場時，那么導(dǎo)電板上的自由電子在電場作用下定向移動，此時，每個電子受到洛倫茲力L的作用，大小為：,電子沿電流反方向坐定向移動，又在fL作用下向里漂移，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EH，稱為霍爾電場。在EH的作用下，電子

10、將受到一個與洛倫茲力方向相反的電場力作用，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)到動態(tài)平衡時，電子所受的洛倫茲力與電場力大小相等，即,則：,則相應(yīng)的電動勢就稱為霍爾電動勢UH，其大小可表示為：,或：,當(dāng)電子濃度n，電子定向運(yùn)動平均速度為v時，根據(jù)電流的定義有：,即：,對于N型半導(dǎo)體，霍爾電壓為：,對于N型材料：,對于P型材料：,物理意義：KH表征了一個霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時產(chǎn)生的霍爾電壓的大小。,電子在電場中的平均遷移速度為：,則：,2.霍爾元件,（1）霍爾元件的基本結(jié)構(gòu),霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)比較簡單，它由霍爾片、4根陰線和殼體三部分組成。a、b的焊點(diǎn)稱為激勵電極；c、

11、d的焊點(diǎn)稱為霍爾電極。,（2）霍爾元件基本特性,線性特性與開關(guān)特性：線性特性是指霍爾元件的輸出電動勢UH分別和基本參數(shù)I、B成線性關(guān)系（磁通計中的傳感器使用）。開關(guān)特性是指霍爾元件的輸出電動勢UH在一定區(qū)域隨B增加而迅速增加的特性（直流無刷電動機(jī)的控制中使用）。 不等位電阻：表示未加磁場時，不等位電動勢與相應(yīng)電流的比值。產(chǎn)生原因：霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位下；半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或幾何尺寸不均勻；激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分配。 負(fù)載特性 溫度特性 ：霍爾元件的溫度特性包括霍爾電動勢、靈敏度、輸入阻抗和輸出阻抗的溫度特性，它們歸結(jié)為霍爾系數(shù)和電阻率與溫度的關(guān)系

12、。,（3）霍爾元件的零位誤差及補(bǔ)償,不等位電動勢的補(bǔ)償,寄生直流電動勢的補(bǔ)償： 元件在制作安裝時，盡量做到使電極歐姆接觸，并做到均勻散熱。 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。,1）霍爾元件的零位誤差及補(bǔ)償,2）霍爾元件的溫度誤差及其補(bǔ)償,一般半導(dǎo)體材料都具有較大的溫度系數(shù)。所以當(dāng)溫度發(fā)生變化是，霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率以及霍爾系數(shù)都會發(fā)生變化。為了減小溫度誤差，除了使用溫度系數(shù)小的半導(dǎo)體材料（如砷化銦）以外，還可以采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路進(jìn)行補(bǔ)償。,霍爾元件的靈敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系：,如圖所示，當(dāng)霍爾元件的初始溫度為T0，初始輸入電阻為RI0，靈敏度系數(shù)為KH0，分流電阻為RP0時：,當(dāng)溫