項目七 磁電式

1、項目七磁電式傳感器1一、項目要求【知識要求】1.了解磁電式傳感器的工作原理、基本特性。2.了解并掌握磁電式傳感器的測量電路。3.了解并掌握霍爾元件的構(gòu)造及測量電路、霍爾元件的補償電路?！灸芰σ蟆?.理解磁電式傳感器、霍爾元件的工作原理和轉(zhuǎn)換電路，并掌握其性能性點。2.掌握磁電式傳感器的檢測方法及數(shù)據(jù)處理方法。2二、相關(guān)知識(一)磁電式傳感器1.磁電式傳感器工作原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律,當(dāng)N匝線圈在恒定磁場內(nèi)運動時,設(shè)穿過線圈的磁通為,則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢E與磁通變化率d/dt有如下關(guān)系: 式中E感應(yīng)電勢；N線圈匝數(shù)；線圈的磁通。根據(jù)這一原理, 可以設(shè)計成變磁通式和恒磁通式兩種磁電式傳感器。3二、相

2、關(guān)知識如圖所示是變磁通磁電式傳感器,用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。 如圖（a）為開磁路變磁通磁電式傳感器結(jié)構(gòu)，其線圈、磁鐵靜止不動,測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上,隨之一起轉(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。圖(b)為閉磁路變磁通磁電式傳感器結(jié)構(gòu),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

3、而引起磁路中磁通的變化,使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感生電勢。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。4二、相關(guān)知識變磁通磁電式傳感器結(jié)構(gòu)圖1永久磁鐵；2軟磁鐵；3感應(yīng)線圈；4測量齒輪；5內(nèi)齒輪；6外齒輪；7轉(zhuǎn)軸5二、相關(guān)知識如圖所示為恒磁通磁電式傳感器的典型結(jié)構(gòu)，它由永久磁鐵、線圈、彈簧、殼體等組成。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）。動圈式圖（a）和動鐵式圖(b) 的工作原理是完全相同的。恒磁通磁電式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖6二、相關(guān)知識當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時,由于彈簧較軟,運動部件質(zhì)量相對較大

4、。當(dāng)振動頻率足夠高（遠大于傳感器固有頻率）時,運動部件慣性很大,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動速度接近于振動體振動速度,磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線,從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢為式中B0 工作氣隙磁感應(yīng)強度;L每匝線圈平均長度;N線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù);v相對運動速度。 7二、相關(guān)知識2.磁電式傳感器基本特性當(dāng)測量電路接入磁電式傳感器電路中,磁電式傳感器的輸出電流Io為式中 Rf 測量電路輸入電阻; R 線圈等效電阻。8二、相關(guān)知識(1)非線性誤差磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是: 由于傳感器線圈內(nèi)有電流 I 流過,將產(chǎn)生一定的交

5、變磁通I,此交變磁通疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上,使恒定的氣隙磁通變化，如圖所示。傳感器電流的磁場效應(yīng)9二、相關(guān)知識（2）溫度誤差溫度誤差的近似值 這一數(shù)值是很可觀的,所以需要進行溫度補償。補償通常采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分流掉一小部分。當(dāng)溫度升高時,熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降,經(jīng)它分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低,從而保持空氣隙的工作磁通不隨溫度變化,維持傳感器靈敏度為常數(shù)。10二、相關(guān)知識3.磁電式傳感器的測量電路磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電動勢,且傳感器通常具有較高的靈敏度,所以一般不需要高增益

6、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。如圖所示為一般測量電路方框圖。磁電式傳感器測量電路方框圖11二、相關(guān)知識4.磁電式傳感器的應(yīng)用(1)動圈式振動速度傳感器動圈式振動速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1芯軸；2殼體；3圓形膜片；4支架；5永久磁鐵；6線圈；7阻尼環(huán)；8彈簧12二、相關(guān)知識（2）磁電式扭矩傳感器如圖所示是磁電式扭矩傳感器的工作原理圖。在驅(qū)動源和負載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤,它們旁邊裝有相應(yīng)的兩個磁電式傳感器。磁電式扭矩傳感器的工作原理圖13二、相關(guān)知識磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。傳感器的檢測元件部分由永久磁鐵、感應(yīng)線圈和鐵芯組成。

7、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)的乘積。當(dāng)扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時,兩個磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓U1和U2存在相位差。這個相位差與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比。這樣傳感器就可以把扭矩引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號。磁電式傳感器結(jié)構(gòu)圖14二、相關(guān)知識（二）霍爾式傳感器霍爾式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

8、應(yīng)用和發(fā)展?；魻柺絺鞲衅鲝V泛用于電磁、壓力、加速度、振動等方面的測量。1.霍爾效應(yīng)及霍爾元件(1)霍爾效應(yīng)置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體,當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時,載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢,這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電動勢稱為霍爾電動勢。15二、相關(guān)知識如圖所示,在垂直于外磁場B的方向上放置一導(dǎo)電板,導(dǎo)電板通以電流I,方向如圖所示。導(dǎo)電板中的電流是金屬中自由電子在電場作用下的定向運動。此時,每個電子受洛侖茲力fm的作用，fm大小為電場強度為式中，UH為電位差?；魻栃?yīng)原理圖16二、相關(guān)知識17二、相關(guān)知識（2）霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單,它由霍爾片、引線

9、和殼體組成,如圖(a)所示?；魻柶且粔K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?；魻栐んw由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號表示，如圖(b)所示。 霍爾元件18二、相關(guān)知識（3）霍爾元件基本特性額定激勵電流和最大允許激勵電流當(dāng)霍爾元件自身溫升10時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵電流稱為最大允許激勵電流。輸入電阻和輸出電阻激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻。霍爾電極輸出電動勢對外電路來說相當(dāng)于一個電壓源,其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。不等位電勢和不等位電

10、阻不等位電動勢也可用不等位電阻表示 19二、相關(guān)知識寄生直流電動勢在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時,霍爾電極輸出除了交流不等位電動勢外,還有一直流電動勢,稱寄生直流電動勢。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動勢。寄生直流電動勢一般在1mV以下,它是影響霍爾片溫漂的原因之一。霍爾電動勢溫度系數(shù)在一定磁感應(yīng)強度和激勵電流下,溫度每變化1時,霍爾電動勢變化的百分率稱霍爾電動勢溫度系數(shù)。它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。20二、相關(guān)知識（4）霍爾元件溫度補償霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的,

11、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,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。恒流溫度補償電路21二、相關(guān)知識2.霍爾式傳感器的應(yīng)用(1)霍爾式微位移傳感器霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點,它不僅用于磁感應(yīng)強度、有功功率及電能參數(shù)的測量,也在位移測量中得到廣泛應(yīng)用。22二、相關(guān)知識圖（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,因此霍爾元件輸出的霍爾電動勢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

12、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5 mm,分辨率為0.001 mm。霍爾式位移傳感器的工作原理圖23二、相關(guān)知識圖（b）所示是一種結(jié)構(gòu)簡單的霍爾式位移傳感器,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?；魻柺轿灰苽鞲衅鞯墓ぷ髟韴D24二、相關(guān)知識（2）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器如

13、圖所示是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連,當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動。固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾式傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖,檢測出單位時間的脈沖數(shù),便可知被測轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少決定了傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器1輸入軸；2轉(zhuǎn)盤；3小磁鐵；4霍爾傳感器25三、項目實施（一）實施要求需要具備磁電式傳感器及仿真實驗設(shè)備。（二）實施步驟1.識別所需類別傳感器，記錄其型號及特性數(shù)據(jù)。2.確定所做實驗系統(tǒng)電路無誤。3.連接仿真電路及實驗設(shè)備，檢查無誤并啟動仿真實驗。4.記錄實驗數(shù)據(jù)，驗證結(jié)果。26四、拓展知

14、識霍爾計數(shù)裝置霍爾計數(shù)裝置工作示意圖和電路圖27五、項目實訓(xùn)（一）交流激勵霍爾式傳感器的位移特性實驗1.實驗?zāi)康牧私饨涣骷罨魻柺絺鞲衅鞯奶匦浴?.實驗儀器霍爾式傳感器模塊、霍爾式傳感器、測微頭、直流電源、數(shù)顯電壓表。3.實驗原理交流激勵霍爾式傳感器與直流激勵一樣，基本工作原理相同，不同之處是測量電路。28五、項目實訓(xùn)4.實驗內(nèi)容與步驟（1）傳感器的安裝如圖所示。(2)調(diào)節(jié)振蕩器的音頻調(diào)頻和音頻調(diào)幅旋鈕，使音頻振蕩器的“0”輸出端輸出頻率為1 kHz，VP-P=4 V的正弦波（注意：峰-峰值不應(yīng)過大，否則會燒毀霍爾組件）?；魻柺絺鞲衅鞯陌惭b接線圈29五、項目實訓(xùn)(3)開啟電源，直流數(shù)顯電壓表選

15、擇“2 V”擋，將測微頭的起始位置調(diào)到“10 mm”處，手動調(diào)節(jié)測微頭的位置，使霍爾片大概在磁鋼的中間位置（數(shù)顯表大致為0），固定測微頭，再調(diào)節(jié)RW1使數(shù)顯表為零。(4)分別向左、右不同方向旋動測微頭，每隔0.2 mm記一個讀數(shù)，直到讀數(shù)近似不變，將讀數(shù)填入表中。5.實驗報告作出U-X曲線，計算不同線性范圍時的靈敏度和非線性誤差。30五、項目實訓(xùn)（二）霍爾測速實驗1.實驗?zāi)康牧私饣魻柦M件的應(yīng)用測量轉(zhuǎn)速。2.實驗儀器霍爾式傳感器、+5 V及224 V直流電源、轉(zhuǎn)動源、頻率/轉(zhuǎn)速表。3.實驗原理利用霍爾效應(yīng)表達式UHKHIB，當(dāng)被測圓盤上裝上N只磁性體時，轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一周磁場變化N次，每轉(zhuǎn)一周霍爾電動勢就同頻率相應(yīng)變化，輸出電動勢通過放大、整形和計數(shù)電路就可以測出被測旋轉(zhuǎn)物的轉(zhuǎn)速。31五、項目實訓(xùn)4.實驗內(nèi)容與步驟(1)如圖所示，霍爾式傳感器已安裝于傳感器支架上，且霍爾組