傳感技術(shù) 第5章 磁電式傳感器

第5章磁電式傳感器磁電式傳感器的傳遞矩陣和動態(tài)特性第5章磁電式傳感器基本原理和結(jié)構(gòu)形式5.15.2霍爾傳感器5.3磁電式傳感器的應(yīng)用5.45.1基本原理和結(jié)構(gòu)形式磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運(yùn)動速度變換成感應(yīng)電勢輸出的傳感器。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。磁電式傳感器有時也稱作電動式或感應(yīng)式傳感器，它只適合進(jìn)行動態(tài)測量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位及性能穩(wěn)定。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)W匝線圈在均恒磁場內(nèi)運(yùn)動時，設(shè)穿過線圈的磁通為Φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢e與磁通變化率dΦ/dt有如下關(guān)系：(5-1)

根據(jù)這一原理，可以設(shè)計成變磁通式和恒磁通式兩種結(jié)構(gòu)型式，構(gòu)成測量線速度或角速度的磁電式傳感器。5.1基本原理和結(jié)構(gòu)形式磁鐵與線圈之間作相對運(yùn)動磁路中的磁阻變化恒定磁場中的線圈面積變化Φ磁通量變化關(guān)鍵圖5.1

變磁通式結(jié)構(gòu)變磁通式結(jié)構(gòu)永久磁鐵1(俗稱“磁鋼”)與線圈4（纏繞在磁軛2上）均固定，動鐵心3(銜鐵)的運(yùn)動使氣隙5和磁路磁阻變化，引起磁通變化而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，因此又稱變磁阻式結(jié)構(gòu)。5.1基本原理和結(jié)構(gòu)形式(a)旋轉(zhuǎn)型(b)平移型

在圖5.1（a）中，設(shè)動鐵心的恒定角速度為ω,線圈截面積為A，磁路中最大與最小磁感應(yīng)強(qiáng)度之差為B，則兩個磁軛上互相串聯(lián)的兩個線圈中的感應(yīng)電勢e為：e=-ωAWBcos2ωt

采用測頻或者測幅的方法可以得到鐵心的平均轉(zhuǎn)速。5.1基本原理和結(jié)構(gòu)形式

恒磁通式結(jié)構(gòu)工作氣隙中的磁通恒定，感應(yīng)電勢是由于永久磁鐵與線圈之間有相對運(yùn)動——線圈切割磁力線而產(chǎn)生。5.1基本原理和結(jié)構(gòu)形式圖5.2恒磁通式結(jié)構(gòu)(a)動圈式(b)動鐵式

圖5.2（a）中的磁路系統(tǒng)由圓柱形永久磁鐵和極掌、圓筒形磁軛及空氣隙組成。氣隙中的磁場均勻分布，測量線圈繞在筒形骨架上，經(jīng)膜片彈簧懸掛于氣隙磁場中。

當(dāng)線圈與磁鐵間有相對運(yùn)動時，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e為(5-2)式中

B——?dú)庀洞磐芏?T)；

l——?dú)庀洞艌鲋杏行г褦?shù)為W的線圈總長度(m)為l＝laW(la為每匝線圈的平均長度)

v——線圈與磁鐵沿軸線方向的相對運(yùn)動速度(ms-1)。5.1基本原理和結(jié)構(gòu)形式

當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定后，式(5-2)中B、la、W都為常數(shù)，感應(yīng)電勢e僅與相對速度v有關(guān)。傳感器的靈敏度為

為提高靈敏度，應(yīng)選用具有磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長度，以提高氣隙磁通密度B；增加ｌa和W也能提高靈敏度，但它們受到體積和重量、內(nèi)電阻及工作頻率等因素的限制。為了保證傳感器輸出的線性度，要保證線圈始終在均勻磁場內(nèi)運(yùn)動。設(shè)計者的任務(wù)是選擇合理的結(jié)構(gòu)形式、材料和結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足傳感器基本性能要求。

(5-3)5.1基本原理和結(jié)構(gòu)形式5.1基本原理和結(jié)構(gòu)形式注意與電感式傳感器區(qū)別磁電式傳感器：利用，測量量變化→感應(yīng)電壓e有源傳感器電感式傳感器：利用銜鐵運(yùn)動，氣隙寬度變化→L變化→U

變化無源傳感器5.2磁電式傳感器的傳遞矩陣和動態(tài)特性一.傳遞矩陣圖5.2所示的傳感器可等效為圖5.3(a)所示為質(zhì)量為m、彈簧剛度為k，阻尼系數(shù)為c的單自由度機(jī)械振動系統(tǒng)。設(shè)在力F作用下產(chǎn)生的振動速度和位移分別為v(圖中即ν)和x，由此可列出力平衡方程(5-4)圖5.3

一對相似系統(tǒng)(a)單自由度機(jī)械振動系統(tǒng)(b)RLC串聯(lián)電路5.2磁電式傳感器的傳遞矩陣和動態(tài)特性

圖5.3(b)所示的由電阻R、電感L和電容C組成的串聯(lián)電路，設(shè)電源電壓為u，回路電流為i、電荷為q。由此可列出電壓平衡方程

這兩個微分方程式雖然機(jī)電內(nèi)容不同，但形式相同。因此，這兩個系統(tǒng)為一對相似系統(tǒng)。一個系統(tǒng)可以根據(jù)求解它的微分方程來討論其動態(tài)特性，故上述兩相似系統(tǒng)的動態(tài)特性必然一致，可以實現(xiàn)機(jī)電模擬。

(5-5)5.2磁電式傳感器的傳遞矩陣和動態(tài)特性(5-4)圖5.4

磁電式傳感器的頻響特性二.動態(tài)特性5.2磁電式傳感器的傳遞矩陣和動態(tài)特性ω:被測振動體的振動頻率ωn:傳感器的固有頻率

由圖5.4可以看出：(1)當(dāng)被測振動體的振動頻率ω低于傳感器的固有頻率ωn，即(ω/ωn)＜1時，傳感器的靈敏度隨頻率變化而明顯地變化。(2)當(dāng)被測體振動頻率遠(yuǎn)高于傳感器的固有頻率時，靈敏度接近為一常數(shù)，它基本上不隨頻率變化。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。這一頻段即傳感器的工作頻段，或稱作頻響范圍。這時傳感器可看作是一個理想的速度傳感器。(3)當(dāng)頻率更高時，由于線圈阻抗的增加，靈敏度也將隨著頻率的增加而下降。5.2磁電式傳感器的傳遞矩陣和動態(tài)特性一、霍爾效應(yīng)和霍爾元件的工作原理1、霍爾效應(yīng)

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。5.3霍爾傳感器霍爾傳感器同其他磁敏傳感器一樣，能敏感磁場的變化，并將其轉(zhuǎn)化為電信號輸出。在半導(dǎo)體薄片中通以電流I,在與薄片垂直方向加磁場B，則在半導(dǎo)體薄片的另外兩端，產(chǎn)生一個大小與控制電流I和B乘積成正比的電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。該電勢稱為霍爾電勢，該薄片稱為霍爾元件。5.3霍爾傳感器wUHwldIFLFEvB2、霍爾元件的工作原理5.3霍爾傳感器圖霍爾電壓形成的定性說明(a)磁場為0時電子在半導(dǎo)體中的流動；(b)電子在洛倫茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)；(c)電荷積累達(dá)到平衡時,電子流動方向。5.3霍爾傳感器式中：e-電子電荷；v-電子運(yùn)動平均速度；B-磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。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(yùn)動。由于外磁場B的作用，每個電子受洛倫茲力FL的作用，ＦL的大小為：FLFEvUHdIwB電子除了沿電流反方向作定向運(yùn)動外，還在ＦL的作用下向上漂移，結(jié)果使金屬導(dǎo)電板上底面積累電子，而下底面積累正電荷，從而形成了附加內(nèi)電場EH，稱霍爾電場，該電場力為:5.3霍爾傳感器定向運(yùn)動的電子除受到洛侖茲力外，還受到霍爾電場的作用，當(dāng)ＦL=ＦE時，達(dá)到平衡，此時FLFEvUHdIwB式中wd為與電流方向垂直的截面積，n為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)（載流子濃度）。流過霍爾元件的電流Ｉ為5.3霍爾傳感器ＫH稱為霍爾片的靈敏度，就是在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流作用時，所能輸出的霍爾電勢的大小。

RＨ稱為霍爾常數(shù)，很明顯，霍爾常數(shù)由半導(dǎo)體材料性質(zhì)決定，且它決定霍爾電勢的強(qiáng)弱。3、霍爾系數(shù)及靈敏度5.3霍爾傳感器由于材料電阻率ρ與載流子濃度和其遷移率μ有關(guān)，即則則5.3霍爾傳感器金屬材料電子μ很高但ρ很??；絕緣材料ρ很高但μ很小;

故為獲得較強(qiáng)霍爾效應(yīng)，半導(dǎo)體材料為最佳霍爾傳感器的材料。半導(dǎo)體的電子遷移率遠(yuǎn)大于空穴，所以N型半導(dǎo)體居多。5.3霍爾傳感器霍爾電勢除了與材料的載流子遷移率和電阻率有關(guān)，同時還與霍爾元件幾何尺寸有關(guān)。在實際應(yīng)用中，—般要求霍爾元件靈敏度越大越好，由于霍爾元件的厚度d與KH成反比，因此，霍爾元件的厚度越小其靈敏度越高。故霍爾元件一般用半導(dǎo)體制作，且愈?。ū。?，靈敏度愈高。5.3霍爾傳感器4、霍爾器件符號BACDC、D：霍爾輸出端，稱為霍爾端或輸出端。A、B：電極端，稱為元件電流端、控制電流端或輸入電流端。紅色導(dǎo)線紅色導(dǎo)線綠色導(dǎo)線綠色導(dǎo)線一般為4mm×2mm×0.1mm5.3霍爾傳感器

二、霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)1、額定功耗P0:

霍爾元件在環(huán)境溫度T=250C時，允許通過霍爾元件的電流和電壓的乘積。2、輸入電阻和輸出電阻

Ri：控制電流級間的電阻值。

Ro：霍爾元件電極間的電阻。3、不平衡（不等位）電勢U0：在額定控制電流I下，不加磁場時，霍爾電極間的空載霍爾電勢。5.3霍爾傳感器式中：U0——不平衡電勢；

r0——不等位電阻；I——激勵電流。不等位電勢就是激勵電流流經(jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓產(chǎn)生不平衡電勢現(xiàn)象的原因有：①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；②半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；③激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。5.3霍爾傳感器不等位電勢也可用不等位電阻表示，即4、霍爾電勢溫度系數(shù)：在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵電流下，溫度每變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數(shù)。5、內(nèi)阻溫度系數(shù)：

霍爾元件在無磁場及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1℃時，輸入電阻與輸出電阻變化的百分率。5.3霍爾傳感器常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)5.3霍爾傳感器5.3霍爾傳感器三、霍爾元件的連接方式和輸出電路控制電流I由電源E供給，電位器R調(diào)節(jié)控制電流I的大小?；魻栐敵鼋迂?fù)載電阻RL，RL可以是放大器的輸入電阻或測量儀表的內(nèi)阻。1、基本測量電路UHRLIEIHRB由于霍爾元件必須在磁場與控制電流作用下，才會產(chǎn)生霍爾電勢UH，所以在測量中，可以把Ｉ和B的乘積，或者Ｉ，或者B作為輸入信號，則霍爾元件的輸出電勢分別正比于IB或I或B。5.3霍爾傳感器為了獲得較大的霍爾輸出電勢，可以采用幾片疊加的連接方式。直流供電情況:控制電流端并聯(lián)，由W1，W2調(diào)節(jié)兩個元件的輸出霍爾電勢。交流供電情況:控制電流端串聯(lián)，各元件輸出端接輸出變壓器B的初級繞組，變壓器的次級便有霍爾電勢信號疊加值輸出。2、連接方式W1W2UH++++----UH~5.3霍爾傳感器3、霍爾電勢的輸出電路霍爾器件是一種四端器件，本身不帶放大器。霍爾電勢一般在毫伏量級，在實際使用時必須加差分放大器?；魻栐篌w分為線性測量和開關(guān)狀態(tài)兩種使用方式。5.3霍爾傳感器5.4磁電式傳感器的應(yīng)用

一、測振傳感器磁電式傳感器主要用于振動測量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準(zhǔn)，它直接安裝在振動體上進(jìn)行測量，因而在地面振動測量及機(jī)載振動監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

常用的測振傳感器有動鐵式振動傳感器、圈式振動速度傳感器等。(一).測振傳感器的應(yīng)用航空發(fā)動機(jī)、各種大型電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、機(jī)床、車輛、軌枕振動臺、化工設(shè)備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等，其振動監(jiān)測與研究都可使用磁電式傳感器。(二).測振傳感器的工作特性由圖5.3可知，振動傳感器是典型的集中參數(shù)m、k、c二階系統(tǒng)。作為慣性(絕對)式測振傳感器，要求選擇較大的質(zhì)量塊m和較小的彈簧常數(shù)k。這樣，在較高振動頻率下，由于質(zhì)量塊大慣性而近似相對大地靜止。這時，振動體(同傳感器殼體)相對質(zhì)量塊的位移y(輸出)就可真實地反映振動體相對大地的振幅x(輸入)。5.4磁電式傳感器的應(yīng)用二、磁電式力發(fā)生器與激振器

磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，其逆向功能同樣可以利用。如果給速度傳感器的線圈輸入電量，那么其輸出量即為機(jī)械量。在慣性儀器——陀螺儀與加速度計中廣泛應(yīng)用的動圈式或動鐵式直流力矩器就是上述速度傳感器的逆向應(yīng)用。它在機(jī)械結(jié)構(gòu)的動態(tài)實驗中是非常重要的設(shè)備，用以獲取機(jī)械結(jié)構(gòu)的動態(tài)參數(shù)，如共振頻率、剛度、阻尼、振動部件的振型等。除上述應(yīng)用外，磁電式傳感器還常用于扭矩、轉(zhuǎn)速等測量。

5.4磁電式傳感器的應(yīng)用三、霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾式微位移傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾計數(shù)裝置霍爾式接近開關(guān)霍爾特斯拉計霍爾電流傳感器5.4磁電式傳感器的應(yīng)用霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點(diǎn),在位移測量中得到廣泛應(yīng)用。霍爾式微位移傳感器磁場強(qiáng)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(qiáng)度B=0,因此霍爾元件輸出的霍爾電勢UH也等于零,此時位移Δx=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(qiáng)度也隨之改變,這時UH不為零,其值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量?；魻柺轿⑽灰苽鞲衅魅鐖D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?；魻柺睫D(zhuǎn)速傳感器霍爾轉(zhuǎn)速表在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵霍爾轉(zhuǎn)速表當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時，輸出為低電平。軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICTn=60f4(r/min)霍爾轉(zhuǎn)速表霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾霍爾轉(zhuǎn)速表的安裝方法

只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強(qiáng)度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號?；魻栐盆F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,因而可對零件進(jìn)行計數(shù)檢測。

霍爾計數(shù)裝置霍爾式接近開關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近并達(dá)到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。霍爾式接近開關(guān)

用霍爾