第6單元磁電式傳感器

1、6.1 磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器6.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器習題習題 磁電式傳感器主要包括磁電式傳感器主要包括磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器、霍爾式傳感器霍爾式傳感器兩種。本章主要介紹其工作原理、兩種。本章主要介紹其工作原理、性能及特點；性能及特點； 首先來看一個利用首先來看一個利用霍爾式傳感器霍爾式傳感器將將非電量非電量轉轉化為化為磁場變化磁場變化，從而進行測量的例子。，從而進行測量的例子。 與與電感式微壓力傳感器電感式微壓力傳感器具有類似結構。具有類似結構。6.1 磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器又稱磁電式傳感器, 是利用電磁感應原理將被測量（如振動、位移、轉

2、速等）轉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（101000 Hz）, 所以得到普遍應用。 6.1.1 工作原理工作原理根據(jù)電磁感應定律根據(jù)電磁感應定律, 當當N匝線圈在恒定磁匝線圈在恒定磁場內運動時場內運動時, 設穿過線圈的磁通為設穿過線圈的磁通為, 則線圈則線圈內的感應電勢內的感應電勢E與磁通變化率與磁通變化率d/dt 有如下有如下關系關系: 根據(jù)這一原理根據(jù)這一原理, 可以設計成兩種磁電傳可以設計成兩種磁電傳感器結構：變磁通式和恒磁通式。感器結構：變磁通式和恒磁通式。 dEN

3、dt cosB S 磁磁電電感感應應式式動圈式動圈式磁阻式磁阻式線速度型線速度型角速度型角速度型動鐵式動鐵式運運動動式式變變磁磁通通1. 相對運動式相對運動式 圖為圖為相對運動式磁電傳感器相對運動式磁電傳感器典型結構，典型結構，它由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組它由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。成。 磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場, 磁路中的磁路中的工作氣隙固定不變工作氣隙固定不變, 因而氣隙中磁通也是恒定因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運動部件可以是線圈（不變的。其運動部件可以是線圈（動圈式動圈式a）, 也可以是磁鐵（也可以是磁鐵（動鐵式動鐵式b）, 二者的

4、工作原理二者的工作原理是完全相同的。是完全相同的。0EB LNv 式中式中: B0 工作氣隙磁感應強度工作氣隙磁感應強度; L 每匝線圈平均長度每匝線圈平均長度; N 線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù)線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù); v 相對運動速度。相對運動速度。 線速度型應用實例工業(yè)測振動microphone測速電機測速電機角速度型應用實例2. 變磁通式變磁通式 圖圖a為為開磁路開磁路變磁通式變磁通式: 線圈、線圈、 磁鐵靜止磁鐵靜止不動不動, 測量齒輪安裝在被測旋轉體上測量齒輪安裝在被測旋轉體上, 隨之一隨之一起轉動。每轉動一個齒起轉動。每轉動一個齒, 齒的凹凸引起磁路磁齒的凹凸引起磁路磁阻變化一

5、次阻變化一次, 磁通也就變化一次磁通也就變化一次, 線圈中產(chǎn)生線圈中產(chǎn)生感應電勢感應電勢,其變化頻率等于被測轉速與測量齒其變化頻率等于被測轉速與測量齒輪齒數(shù)的乘積。這種傳感器結構簡單輪齒數(shù)的乘積。這種傳感器結構簡單, 但輸出但輸出信號較小信號較小, 且因高速軸上加裝齒輪較危險而不且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉速。宜測量高轉速。 a）開磁路b）閉磁路b）閉磁路特點特點l對環(huán)境條件要求不高對環(huán)境條件要求不高l能在能在-150 90的溫度下工作，不影響測量的溫度下工作，不影響測量精度精度l也能在油、水霧、灰塵等條件下工作也能在油、水霧、灰塵等條件下工作l但它的工作頻率下限較高，約為但它的工

6、作頻率下限較高，約為50Hz，上限，上限可達可達100Hz。變磁通應用實例：車速傳感器變磁通應用實例：車速傳感器6.1.2 基本特性基本特性 當測量電路接入磁電傳感器電路中當測量電路接入磁電傳感器電路中, , 磁電傳感磁電傳感器的輸出電流器的輸出電流 I Io o為為 式中式中: R: Rf f 測量電路輸入電阻測量電路輸入電阻; ; R R 線圈等效電阻。線圈等效電阻。 傳感器的電流靈敏度為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而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為00ffB L vEIRRRR0IfB LWISVRR000fffB LwvRUI RRR00fUfB LwR

7、USvRR1. 非線性誤差非線性誤差 磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是因是: 由于傳感器線圈內有電流由于傳感器線圈內有電流I流過時流過時, 將產(chǎn)將產(chǎn)生一定的交變磁通生一定的交變磁通I, 此交變磁通疊加在永久此交變磁通疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上, 使恒定的氣隙磁通使恒定的氣隙磁通變化。變化。 如圖所示。如圖所示。 當傳感當傳感器線圈相對于永久磁鐵器線圈相對于永久磁鐵磁場的運動速度增大時磁場的運動速度增大時, 將產(chǎn)生較大的感生電勢將產(chǎn)生較大的感生電勢E和較大的電流和較大的電流I, 由此由此而產(chǎn)生的附加磁場方向而產(chǎn)生的附加磁場方向與

8、原工作磁場方向相反與原工作磁場方向相反, 減弱了工作磁場的作用減弱了工作磁場的作用, 2. 溫度誤差溫度誤差 當溫度變化時, 對銅線而言每攝氏度變化量為dL/L0.16710-4, dR/R0.4310-2 , dB/B每攝氏度的變化量取決于永久磁鐵的磁性材料。對鋁鎳鈷永久磁合金, dB/B-0.0210-2, 因此 t(-4.5%)/10 6.1.3 測量電路測量電路 磁電式傳感器直接輸出感應電勢, 且傳感器通常具有較高的靈敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器, 若要獲取被測位移或加速度信號, 則需要配用積分或微分電路。 圖為一般測量電路方框圖 6.1.4 應用舉例

9、應用舉例1. 動圈式振動速度傳感器動圈式振動速度傳感器 圖為動圈式振動速度傳感器結構示意圖。圖為動圈式振動速度傳感器結構示意圖。 其結構主要由鋼制圓形外殼制成其結構主要由鋼制圓形外殼制成, 里面用鋁支架里面用鋁支架將圓柱形永久磁鐵與外殼固定成一體將圓柱形永久磁鐵與外殼固定成一體, 永久磁鐵永久磁鐵中間有一小孔中間有一小孔, 穿過小孔的芯軸兩端架起線圈和穿過小孔的芯軸兩端架起線圈和阻尼環(huán)阻尼環(huán), 芯軸兩端通過圓形膜片支撐架空且與外芯軸兩端通過圓形膜片支撐架空且與外殼相連。殼相連。 工作時, 傳感器與被測物體剛性連接, 當物體振動時, 傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動, 而架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣

10、性而不隨之振動。 因而, 磁路空氣隙中的線圈切割磁力線而產(chǎn)生正比于振動速度的感應電動勢, 線圈的輸出通過引線輸出到測量電路。 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。2. 磁電式扭矩傳感器磁電式扭矩傳感器 圖為磁電式扭矩傳感器的工作原理圖。 在驅動源和負載之間的扭轉軸的兩側安裝有齒形圓盤, 它們旁邊裝有相應的兩個磁電傳感器。傳感器的檢測元件部分由永久磁場、感應線圈和鐵芯組成。 永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線與齒形圓盤交鏈。當齒形圓盤旋轉時, 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

11、中感應出交流電壓, 其頻率等于圓盤上齒數(shù)與轉數(shù)乘積。 霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應, 但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。隨著半導體技術的發(fā)展, 開始用半導體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應顯著而得到應用和發(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。 如圖所示如圖所示, 在垂直于外磁場在垂直于外磁場B的方向上放置一的方向上放置一導電板導電板, 導電板通以電流導電板通以電流I, 方向如圖所示。導電方向如圖所示。導電板中的電流是金屬中自由電子在電場作用下的板中的電流是金屬中自由電子在電場作用下的定

12、向運動。此時定向運動。此時, 每個電子受洛侖磁力每個電子受洛侖磁力fm的作用，的作用，fm大小為大小為 fm =eBv 式中式中: e電子電荷電子電荷; v電子運動平均速度電子運動平均速度; B磁場的磁感應強度。磁場的磁感應強度。 fm的方向在圖中是向上的的方向在圖中是向上的, 此時電子除了此時電子除了沿電流反方向作定向運動外沿電流反方向作定向運動外, 還在還在fm的作用下的作用下向上漂移向上漂移, 結果使金屬導電板上底面積累電子結果使金屬導電板上底面積累電子, 而下底面積累正電荷而下底面積累正電荷, 從而形成了附加內電場從而形成了附加內電場 EH, 稱霍爾電場稱霍爾電場, 該電場強度為該電場

13、強度為 HHUEb eEH=evB 則則 EH=vB此時電荷不再向兩底面積累此時電荷不再向兩底面積累, 達到平衡狀態(tài)。達到平衡狀態(tài)。 若金屬導電板單位體積內電子數(shù)為若金屬導電板單位體積內電子數(shù)為n, 電子電子定向運動平均速度為定向運動平均速度為v, 則激勵電流則激勵電流I=nevbd, 則則 IvbdneHIBEbdneHIBUnedHHHIBURKIBd 對霍爾片材料的要求對霍爾片材料的要求, 希望有較大的霍爾希望有較大的霍爾常數(shù)常數(shù)RH, 霍爾元件激勵極間電阻霍爾元件激勵極間電阻R=L/（bd）, 同時同時R=UI/I=EIL/I=vL/（nevbd）, 其中其中UI為為加在霍爾元件兩端的

14、激勵電壓，加在霍爾元件兩端的激勵電壓，EI為霍爾元為霍爾元件激勵極間內電場，件激勵極間內電場，v為電子移動的平均速度。為電子移動的平均速度。 則則 解得解得 RH= 從式可知從式可知, 霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率阻率與電子遷移率的乘積。的乘積。LLbdnebd若要霍爾效應強若要霍爾效應強, 則則RH值大值大, 因此要求霍爾片因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。材料有較大的電阻率和載流子遷移率。2. 霍爾元件基本結構霍爾元件基本結構 霍爾元件的結構很簡單霍爾元件的結構很簡單, 它由霍爾片、它由霍爾片、 引引線和殼體組成線和殼體組成, 如圖所示

15、。如圖所示。 霍爾片是一塊矩形霍爾片是一塊矩形半導體單晶薄片，半導體單晶薄片， 引出四個引線。引出四個引線。1、1兩根兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；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。引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極。 霍爾霍爾元元件殼體由非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封元元件殼體由非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。裝而成。 在電路中霍爾元件可用兩種符號表在電路中霍爾元件可用兩種符號表示。示。一種封裝的貼片式霍爾元件一種封裝的貼片式霍爾元件3. 霍爾元件基本特性霍爾元件基本特性 (1) 額定激勵電流和最大允許激勵電流額定激勵電流和最大允許激勵電流

16、 當霍爾元件自身溫升當霍爾元件自身溫升10時所流過的激時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。勵電流稱為額定激勵電流。 以元件允許最大以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許溫升為限制所對應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性激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而性增加增加, 所以所以, 使用中希望選用盡可能大的激勵使用中希望選用盡可能大的激勵電流電流, 因而需要知道元件的最大允許激勵電因而需要知道元件的最大允許激勵電流流, 改善霍爾元件的散熱條件改善霍爾元件的散熱條件, 可以使激勵電可以使激勵電流增加。流增加。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有: 霍爾電極

17、安裝位置不對稱或不在同一等電位面霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上上; 半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻何尺寸不均勻; 激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。 不等位電勢也可用不等位電阻表示不等位電勢也可用不等位電阻表示 式中式中: U0不等位電勢不等位電勢; r0不等位電阻不等位電阻; IH激勵電流。激勵電流。 由上式可以看出由上式可以看出, 不等位電勢就是激勵電流流不等位電勢就是激勵電流流經(jīng)不等位電阻經(jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓。所產(chǎn)生的電壓。 00HUrI 不等位電勢與霍爾電

18、勢具有相同的數(shù)量級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有時甚至超過霍爾電勢, 而實用中要消除不等而實用中要消除不等位電勢是極其困難的位電勢是極其困難的, 因而必須采用補償?shù)姆揭蚨仨毑捎醚a償?shù)姆椒?。法?由于不等位電勢與不等位電阻是一致的由于不等位電勢與不等位電阻是一致的, 可以采用分析電阻的方法來找到不等位電勢可以采用分析電阻的方法來找到不等位電勢的補償方法。如圖所示的補償方法。如圖所示, 其中其中A、B為激勵電極為激勵電極, C、D為霍爾電極為霍爾電極, 極分布電阻分別用極分布電阻分別用R1、 R2、 R3、 R4表示。理想情況下表示。理想情況下, R1=R2=R3

19、=R4, 即即可取得零位電勢為零（或零位電阻為零）。可取得零位電勢為零（或零位電阻為零）。 實際上實際上, 由于不等位電阻的存在由于不等位電阻的存在, 說明此四個說明此四個電阻值不相等電阻值不相等, 可將其視為電橋的四個橋臂可將其視為電橋的四個橋臂, 則電橋不平衡則電橋不平衡(4) 寄生直流電勢寄生直流電勢 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, 稱寄生直流電勢。 其產(chǎn)生的原因有: 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; 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)不同形成極向溫差電勢。寄生直流電勢

20、一般在 1mV以下, 它是影響霍爾片溫漂的原因之一。4. 霍爾元件溫度補償霍爾元件溫度補償 霍爾元件是采用半導體材料制成的霍爾元件是采用半導體材料制成的, 因因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當溫度變化時當溫度變化時, 霍爾元件的載流子濃度、遷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)生變化移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化, 從從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。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為了減小霍爾元件的溫度誤差, 除選用溫除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒度系數(shù)小的元件或采用恒 溫措施外溫措施外, 由由UH=KHIB可

21、看出：采用恒流源供電是個有效可看出：采用恒流源供電是個有效措施措施, 可以使霍爾電勢穩(wěn)定。可以使霍爾電勢穩(wěn)定。 但也只能減小但也只能減小由于輸入電阻隨溫度變化而引起的激勵電流由于輸入電阻隨溫度變化而引起的激勵電流I變化所帶來的影響。變化所帶來的影響。KH=KH0（1+T） 式中式中: KH0溫度溫度T0時的時的KH值值; T =T- T0溫度變化量溫度變化量; 霍爾電勢溫度系數(shù)?；魻栯妱轀囟认禂?shù)。并且大多數(shù)霍爾元件的溫度并且大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)系數(shù)是正值是正值, 它們的霍爾電它們的霍爾電勢 隨 溫 度 升 高 而 增 加勢 隨 溫 度 升 高 而 增 加（1+T）倍。如果）倍。如果,與此與

22、此同時讓激勵電流同時讓激勵電流I相應地減相應地減小小, 并能保持并能保持KHI乘積不變乘積不變, 也就抵消了靈敏系數(shù)也就抵消了靈敏系數(shù)KH增增加的影響。圖示為按此思路加的影響。圖示為按此思路設計的一個既簡單、設計的一個既簡單、 補償補償效果又較好的補償電路。效果又較好的補償電路。 電路中用一個分流電阻電路中用一個分流電阻Rp與霍爾元件的激與霍爾元件的激勵電極相并聯(lián)。勵電極相并聯(lián)。 當霍爾元件的輸入電阻隨溫當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時度升高而增加時, 旁路分流電阻旁路分流電阻Rp自動地加強自動地加強分流分流, 減少了霍爾元件的激勵電流減少了霍爾元件的激勵電流I, 從而達到從而達到補償?shù)?/p>

23、目的。補償?shù)哪康摹?在圖示的溫度補償電路中在圖示的溫度補償電路中, 設初始溫度為設初始溫度為T0, 霍爾元件輸入電阻為霍爾元件輸入電阻為Ri0, 靈敏系數(shù)為靈敏系數(shù)為KH1, 分流電阻為分流電阻為Rp0, 根據(jù)分流概念得根據(jù)分流概念得當溫度升至當溫度升至T時時, 電路中各參數(shù)變?yōu)殡娐分懈鲄?shù)變?yōu)?000PHPiR IIRR Ri=Ri0（1+T） Rp=Rp0（1+T）式中：式中：霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù); 分流電阻溫度系數(shù)。分流電阻溫度系數(shù)。則則 雖然溫度升高雖然溫度升高T, 為使霍爾電勢不變?yōu)槭够魻栯妱莶蛔? 補償補償電路必須滿足溫升前、電路必須滿足溫升前、 后的霍

24、爾電勢不變后的霍爾電勢不變, 即即 000(1)(1)(1)PPiRT IRTRT PHPiR IIRR UH0=UH KH0IH0B=KHIHB 則則 KH0IH0=KH IH 經(jīng)整理并略去經(jīng)整理并略去、 、 (T) 高次項后得高次項后得 當霍爾元件選定后當霍爾元件選定后, 它的輸入電阻它的輸入電阻Ri0和溫和溫度系數(shù)度系數(shù)及霍爾電勢溫度系數(shù)及霍爾電勢溫度系數(shù)是確定值。由式是確定值。由式即可計算出分流電阻即可計算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)及所需的溫度系數(shù)值。值。為了滿足為了滿足R0及及 兩個條件兩個條件, 分流電阻可取溫度分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合系數(shù)不同的兩種電

25、阻的串、并聯(lián)組合, 這樣雖這樣雖然麻煩但效果很好。然麻煩但效果很好。 00()iPRR6.2.2 霍爾式傳感器的應用霍爾式傳感器的應用1. 霍爾式微位移傳感器霍爾式微位移傳感器 (1)線位移測量線位移測量 霍爾元件具有結構簡單、體積小、動態(tài)特性霍爾元件具有結構簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點好和壽命長的優(yōu)點, 它不僅用于磁感應強度它不僅用于磁感應強度#, 有有功功率及電能參數(shù)的測量功功率及電能參數(shù)的測量, 也在位移測量中得到也在位移測量中得到廣泛應用。廣泛應用。 圖（圖（b）所示是一種結構簡單的霍爾位移傳感器）所示是一種結構簡單的霍爾位移傳感器, 由一塊由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器永久

26、磁鐵組成磁路的傳感器, 在在x=0 時時, 霍爾電壓等于霍爾電壓等于零。圖（零。圖（c）是一個由兩個結構相同的磁路組成的霍爾）是一個由兩個結構相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器式位移傳感器, 為了獲得較好的線性分布為了獲得較好的線性分布, 在磁極端面裝在磁極端面裝有極靴有極靴, 霍爾元件調整好初始位置時霍爾元件調整好初始位置時, 可以使霍爾電壓可以使霍爾電壓UH=0 。 這種傳感器靈敏度很高這種傳感器靈敏度很高, 但它所能檢測的位移量較小但它所能檢測的位移量較小, 適適合于微位移量及振動的測量合于微位移量及振動的測量 。 (2)角位移測量角位移測量此圖可對比磁電感應式角位移測量2. 霍爾式轉速傳感器霍爾式轉速