第五章磁電式傳感器

1、第五章第五章 磁電式傳感器磁電式傳感器定義定義：磁電式傳感器是利用磁電作用將磁電式傳感器是利用磁電作用將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。 磁電作用磁電作用：所有的磁信號(hào)與電信號(hào)之間所有的磁信號(hào)與電信號(hào)之間相互作用的現(xiàn)象。相互作用的現(xiàn)象。 第一節(jié)第一節(jié) 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器一、一、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理磁電感應(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(chǎng)中，沿垂直磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為 ddxeNNBlNBlvdtdt 式中: B穩(wěn)恒均勻磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；l導(dǎo)體有效長(zhǎng)度；v導(dǎo)體相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度N線圈匝數(shù)；當(dāng)一個(gè)N匝線圈

2、相對(duì)靜止地處于隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)e與磁通變化率d/dt有如下關(guān)系： deNdt 根據(jù)以上原理，人們?cè)O(shè)計(jì)出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。（一）恒定磁通式（一）恒定磁通式0eBlN v （二）變磁通式（二）變磁通式 變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖 （a） 開磁路 （b） 閉磁路 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。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

3、輪較危險(xiǎn)而不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。 圖（b）為閉磁路變磁通式傳感器，被測(cè)旋轉(zhuǎn)體1帶動(dòng)橢圓形測(cè)量齒輪2在磁場(chǎng)氣隙中等速轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣隙平均長(zhǎng)度周期性地變化，因而磁路的磁阻也周期性的變化，磁通同樣周期性的變化，則在線圈3中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其頻率f與測(cè)量齒輪2的轉(zhuǎn)速n成正比，即f=n/30。二、磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用二、磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器 1、芯軸、芯軸2、外殼、外殼3、彈簧片、彈簧片4、鋁支架、鋁支架5、永久磁鐵、永久磁鐵6、線圈、線圈7、阻尼環(huán)、阻尼環(huán)8、引線、引線上圖是動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是，鋼制圓形外殼，里面用鋁支架將圓柱形永

4、久磁鐵與外殼固定成一體，永久磁鐵中間有一小孔，穿過小孔的芯軸兩端架起線圈和阻尼環(huán)，芯軸兩端通過圓形膜片支撐架空且與外殼相連。工作時(shí)，傳感器與被測(cè)物體剛性連接，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)， 傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動(dòng)，而架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動(dòng)。因而，磁路空氣隙中的線圈切割磁力線而產(chǎn)生正比于振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，線圈的輸出通過引線輸出到測(cè)量電路。該傳感器測(cè)量的是振動(dòng)速度參數(shù)，若在測(cè)量電路中接入積分電路，則輸出電勢(shì)與位移成正比；若在測(cè)量電路中接入微分電路，則其輸出與加速度成正比。 第二節(jié)第二節(jié) 霍爾式傳感器霍爾式傳感器一、工作原理一、工作原理霍爾效應(yīng)：霍爾效應(yīng)： 金屬或半導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中，當(dāng)有

5、電流流過時(shí)，在垂金屬或半導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。11 設(shè)霍耳片的長(zhǎng)度為設(shè)霍耳片的長(zhǎng)度為l，寬度為，寬度為w，厚度為，厚度為d。又設(shè)電子以均勻。又設(shè)電子以均勻的速度的速度v運(yùn)動(dòng)，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它的作用下，它受到受到洛侖茲力洛侖茲力q電子電量電子電量(1.6210-19C)； v電于運(yùn)動(dòng)速度。電于運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)，作用于電子的電場(chǎng)力同時(shí)，作用于電子的電場(chǎng)力 qvBfLwqUqEfHHE/wqUqvBH/當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)HUvBw1

6、2dnqvwdjwIdnqwIv/pqdIBUH/霍耳電勢(shì)霍耳電勢(shì)UH與與 I、B的乘積成正比，而與的乘積成正比，而與d成反比。于是可改寫成反比。于是可改寫成：成： dIBRUHH電流密度電流密度j=nqvn nN N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體中的電子濃度中的電子濃度N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體R RH H霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。材料電阻率材料電阻率p pP P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體中的孔穴濃度中的孔穴濃度型）（型）（PqpRNqnRHH11載流子遷移率載流子遷移率, ,= =v v/E,/E,即單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下載流子的平均即單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下載流

7、子的平均速度。速度。nqdIBUH/13設(shè)設(shè) KH=RH / d KH霍耳器件的乘積靈敏度。它與載流材料的物理霍耳器件的乘積靈敏度。它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)霍耳電勢(shì)的大小。位控制電流時(shí)霍耳電勢(shì)的大小。若磁感應(yīng)強(qiáng)度若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍耳器件的平面法線夾角的方向與霍耳器件的平面法線夾角為為時(shí)，霍耳電時(shí)，霍耳電勢(shì)勢(shì)應(yīng)為：應(yīng)為： UH KH I B UH KH I B cos 討論：為什么只能用半導(dǎo)體材料作霍爾元件。討論：為什么只能用半導(dǎo)體材料作霍爾元件。 霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率霍爾常

8、數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積。的乘積。 若要霍爾效應(yīng)強(qiáng)，則希望有較大的霍爾系數(shù)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，因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。移率。 一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很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，??；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)體材料才適于制造霍爾片。故只有半導(dǎo)體材料才適于制造霍爾片。dIBUHen1ep1N N型材料電阻率型材料電阻率P P型材料電阻率型材料電阻率二、霍爾元件二、霍爾元件1 1、霍耳磁敏傳

9、感器的符號(hào)與基本電路、霍耳磁敏傳感器的符號(hào)與基本電路 器件電流器件電流(控制電流控制電流或輸入電流或輸入電流):流入到器件內(nèi)的電流。流入到器件內(nèi)的電流。電流端子電流端子A、B相應(yīng)地稱為器件相應(yīng)地稱為器件電流端電流端、控制電流端或、控制電流端或輸入電流端。輸入電流端。霍耳輸出端的端子霍耳輸出端的端子C、D相應(yīng)地稱為相應(yīng)地稱為霍耳端霍耳端或輸出端?；蜉敵龆恕Ｈ艋舳俗娱g連接負(fù)載若霍耳端子間連接負(fù)載,稱為霍耳稱為霍耳負(fù)載電阻負(fù)載電阻或霍耳負(fù)載?；蚧舳?fù)載。電流電極間的電阻，稱為電流電極間的電阻，稱為輸入電阻輸入電阻，或者控制內(nèi)阻。，或者控制內(nèi)阻。霍耳端子間的電阻，稱為霍耳端子間的電阻，稱為輸出電阻輸

10、出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻?；蚧舳鷤?cè)內(nèi)部電阻。 16控制電流控制電流I；霍耳電勢(shì)霍耳電勢(shì)UH；控制電壓控制電壓E；輸出電阻輸出電阻R2；輸入電阻輸入電阻R1；霍耳負(fù)載電阻霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流霍耳電流IH。 圖中控制電流圖中控制電流I由電源由電源E供給供給, ,RW為調(diào)節(jié)電阻為調(diào)節(jié)電阻, ,保證器件內(nèi)保證器件內(nèi)所需控制電流所需控制電流I?；舳敵龆私迂?fù)載?；舳敵龆私迂?fù)載R3, ,R3可是一般電阻可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)B垂直通過霍垂直通過霍耳器件耳器件, ,在磁場(chǎng)與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。在磁場(chǎng)與控制電流作用下，由負(fù)載

11、上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本電路霍耳器件的基本電路R實(shí)際使用時(shí)實(shí)際使用時(shí), ,器件輸入信號(hào)可以是器件輸入信號(hào)可以是I I或或B B，或者，或者IBIB, ,而輸出而輸出可以正比于可以正比于I I或或B B, , 或者正比于其乘積或者正比于其乘積IBIB。R3RW三、霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償三、霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償1 1、零位誤差及補(bǔ)償方法、零位誤差及補(bǔ)償方法零位誤差：霍爾元件在加控制電流但不加外磁場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)。主要為不等位電勢(shì)。ACBIDCr1r3r2r4DAB分析不等位電勢(shì)時(shí)，可以把霍爾元件等效為一個(gè)電橋， 用分析電橋平衡來補(bǔ)償不等位電勢(shì)分析電橋平衡來補(bǔ)償不等位電勢(shì)。

12、 不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路 RPRPRPRPR(a)(b)(c)(d)寄生直流電動(dòng)勢(shì)寄生直流電動(dòng)勢(shì) ：在外加磁場(chǎng)為零、霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí)，霍爾電極輸出除了交流不平衡電勢(shì)外，還有一直流電勢(shì)，稱為寄生直流電勢(shì)。 其產(chǎn)生的原因有： 激勵(lì)電極與霍爾電極接觸不良， 形成非歐姆接觸， 造成整流效果； 兩個(gè)霍爾電極大小不對(duì)稱，則兩個(gè)電極點(diǎn)的熱容不同， 散熱狀態(tài)不同而形成極間溫差電勢(shì)。 寄生直流電勢(shì)一般在1mV以下，它是影響霍爾片溫漂的原因之一。 2 2、溫度誤差及補(bǔ)償方法、溫度誤差及補(bǔ)償方法（1）采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻 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=KH

13、IB可看出：采用恒流源供電是個(gè)有效措施，可以使霍爾電勢(shì)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(lì)電流I的變化的影響。 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(shí)，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。 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(shì)的變化?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成 KH=KH0(1+T) 式中： KH0溫度T0時(shí)的KH值； T=T-T0溫度變化量； 霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)。 （0） 恒流溫度補(bǔ)償電路 IsIpRpIHUH 大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)是

14、正值，它們的霍爾電勢(shì)隨溫度升高而增加T倍。 但如果同時(shí)讓激勵(lì)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。下圖就是按此思路設(shè)計(jì)的一個(gè)既簡(jiǎn)單，補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償電路。電路中Is為恒流源，分流電阻Rp與霍爾元件的激勵(lì)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(shí)，旁路分流電阻Rp自動(dòng)地增大分流，減小了霍爾元件的激勵(lì)電流IH，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?在上圖所示的溫度補(bǔ)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 0000ipspHRRIRI 當(dāng)溫度升至T時(shí)，電路中各參數(shù)變?yōu)?)1 ()1 (00T

15、RRTRRppii 式中：霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)； 分流電阻溫度系數(shù)。 （1）（2）（3）則 )1 ()1 ()1 (000TRTRITRRRIRIipspipspH（4） 雖然溫度升高了T，為使霍爾電勢(shì)不變，補(bǔ)償電路必須滿足溫升前、 后的霍爾電勢(shì)不變，即UH0=UH，則 KH0IH0B=KHIHB 有 KH0IH0=KHIH 將式（0）、（1）、（4）代入上式，經(jīng)整理并略去(T)2高次項(xiàng)后得 00)(ipRR（7） 當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)及霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)是確定值。由式（7）即可計(jì)算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)值。為了滿足Rp0及兩個(gè)條件，分流電阻可取溫度系數(shù)不

16、同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合，這樣雖然麻煩但效果很好。 （2）合理選取負(fù)載電阻RL的阻值霍爾元件的輸出電阻o和霍爾電動(dòng)勢(shì)都是溫度的函數(shù)，當(dāng)霍爾元件接有負(fù)載RL時(shí)，在RL上的電壓為00001()1()LHLLoR UttURRtt其中 溫度為t0時(shí)的霍爾元件輸出電阻。0oR為使負(fù)載上的電壓不隨溫度而變化，應(yīng)使 ，即得0(1)LoRR00()LdUd tt可采用串、并聯(lián)的方法使上式成立來補(bǔ)償溫度誤差。熱敏電阻Rt具有負(fù)溫度系數(shù)，電阻絲具有正溫度系數(shù)。a、b、c圖中霍爾輸出具有負(fù)溫度系數(shù)。d圖為用Rt補(bǔ)償霍爾輸出具有正溫度系數(shù)的溫度誤差。（3）采用溫度補(bǔ)償元件橋路補(bǔ)償電路（4）不等位電動(dòng)勢(shì)Uo的溫度補(bǔ)償四、應(yīng)用四、應(yīng)用1、霍爾式微位移傳感器霍 爾 元 件S NN Sxxx霍 爾 元 件NSx霍 爾 元 件NSNSxxx(a)(b)(c)上圖是磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對(duì)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(shì)UH也等于零，此時(shí)位移x=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對(duì)位移，霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之改變，這時(shí)UH不為零，其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對(duì)位置的變化量。這種結(jié)構(gòu)的傳感器， 其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)5 mm，分辨率為0.001mm。 2、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)