磁電式傳感器1

2023/2/41第7章磁電式傳感器麥克斯韋電磁場理論

變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生電場，當(dāng)閉合回路導(dǎo)體處在此電場中時，導(dǎo)體中的自由電子在電場力作用下作定向移動而產(chǎn)生感應(yīng)電流；如果不是閉合回路，則導(dǎo)體中自由電子的定向移動使斷開處兩端積累正、負電荷而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

被測量→電信號分類：磁電感應(yīng)式、霍爾式和磁敏式2023/2/42一磁電感應(yīng)式傳感器1、工作原理法拉第電磁感應(yīng)定律：Φ為磁通量B為磁感應(yīng)強度l為導(dǎo)體長度v相對運動速度磁鐵與線圈之間作相對運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2023/2/43其中：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(1)變磁通式a開磁通式b閉磁通式磁電感應(yīng)式傳感器分類：變磁通式和恒磁通式2023/2/44①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。2023/2/45②閉磁路變磁通式：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)生周期性變化的感生電動勢。

顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。采用測頻的方法可以得到被測物體的轉(zhuǎn)動速度。2023/2/46(2)恒定磁通式工作氣隙中的磁通恒定永久磁鐵

線圈相對運動線圈不動，磁鐵運動線圈運動，磁鐵不動動圈式動鐵式2023/2/47感應(yīng)電動勢與線圈相對磁鐵運動線速度或角速度正比B——氣隙磁感應(yīng)強度(Wb/m2)l——線圈導(dǎo)線總長度(m)S——線圈所包圍的面積(m2)v——線圈和磁鐵間相對運動的速度(m/s)ω——線圈和磁鐵間相對旋轉(zhuǎn)運動的角速(rad/s)α——運動方向與磁感應(yīng)強度方向的夾角式中：磁鐵和線圈的相對運動產(chǎn)生切割磁力線從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢2023/2/48磁電式傳感器：利用，測量量變化→感應(yīng)電壓e有源傳感器電磁式傳感器：利用銜鐵運動，Rm變化→L變化→U

變化無源傳感器注意與電磁式傳感器區(qū)別2023/2/492、基本特性當(dāng)測量電路接入磁電傳感器電路中,傳感器的輸出電流Io為式中:Rf——測量電路輸入電阻l——每匝線圈平均長度

R——線圈等效電阻N——線圈匝數(shù)傳感器的電流靈敏度為運動速度傳感器ERRfI02023/2/410而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為：

當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、機械振動或沖擊時,其靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測量誤差。相對誤差為：2023/2/411(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流過時，將產(chǎn)生一定的交變磁通ΦI，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2023/2/412當(dāng)產(chǎn)生的附加磁場方向與原工作磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。當(dāng)線圈的運動速度與圖所示方向相反時，感生電勢E、線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn)生的附加磁場方向與工作磁場同向,從而增大了傳感器的靈敏度。其結(jié)果是線圈運動方向不同時,傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值2023/2/413為補償上述附加磁場干擾,可在傳感器中加入補償線圈,如圖所示。補償線圈通以經(jīng)放大K倍的電流,適當(dāng)選擇補償線圈參數(shù),可使其產(chǎn)生的交變磁通與傳感線圈本身所產(chǎn)生的交變磁通互相抵消,從而達到補償?shù)哪康?。補償線圈2023/2/414對銅線而言，當(dāng)溫度變化時每攝氏度變化量為：dL/L≈0.167×10-4

dR/R≈0.43×10-2溫度變化時對鋁鎳鈷永久磁合金dB/B≈-0.02×10-2這樣可得近似值：γt≈(-4.5%)/10℃這一數(shù)值是很可觀的,所以需要進行溫度補償。(2)溫度誤差2023/2/415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。溫度正常時將空氣氣隙磁通分路掉一小部分；而當(dāng)溫度過高時，它的磁導(dǎo)率顯著下降，分流掉的磁通顯著降低，從而保持空氣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)。2023/2/416磁電式傳感器是速度傳感器，通常具有較高的靈敏度，不需要增益放大器。積分：將速度轉(zhuǎn)換成位移，s＝∫vdt微分：速度轉(zhuǎn)換成加速度，a＝dv/dt磁電式傳感器量程選擇321前置放大微分電路積分電路主放大器顯示或記錄3’2’1’3、測量電路2023/2/417(1)磁電式相對速度計

1-頂桿2,5-彈簧片3-磁鐵4-線圈6-引出線7-外殼4、應(yīng)用

測量時，殼體固定在一個試件上，頂桿頂住另一試件，則線圈在磁場中運動速度就是兩試件的相對速度。速度計的輸出電壓與兩試件的相對速度成正比。相對式速度計可測量的最低頻率接近于零。2023/2/418(2)磁電式扭矩傳感器2023/2/419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)的兩個磁電傳感器。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)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。2023/2/420二霍爾式傳感器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。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。2023/2/421半導(dǎo)體薄片+磁場B+電流I電動勢EE⊥(B,I)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)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢稱霍爾電勢。2023/2/422（洛倫茲力）e——電子電荷量v——電子速度B——磁感應(yīng)強度（電場力）EH——靜電場強度電荷累積達到動態(tài)平衡時2023/2/423流過基片的電流稱激勵電流或控制電流：I=n×e×v×bdn——N型半導(dǎo)體載流子(電子)濃度I=p×e×v×bdp——P型半導(dǎo)體載流子(空穴)濃度

bd——與電流方向垂直的截面積霍爾電勢：其中：RH＝1/ne(N型半導(dǎo)體）——霍爾常數(shù)

1/pe(P型半導(dǎo)體）

KH＝RH/d——霍爾片靈敏度為提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀2023/2/424霍爾元件激勵極間電阻(N型半導(dǎo)體）ρL/bd＝

R＝U/I=EL/I=vL/μnevbd其中：μ＝v/E——電子遷移率金屬半導(dǎo)體絕緣體電阻率小大大載流子遷移率高高低目前常用霍爾元件材料：鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。2023/2/4252、霍爾元件(1)基本結(jié)構(gòu)霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。1、1′引線（激勵/控制電極）施加激勵電源或電流2、2′引線（霍爾電極）為霍爾輸出引線。2023/2/426

①額定激勵電流——霍爾元件自身溫升10℃所流過的激勵電流最大允許激勵電流——霍爾元件允許最大溫升對應(yīng)的激勵電流。改善霍爾元件散熱條件，使I增大→UH增大②輸入電阻——霍爾元件激勵電極間的電阻值；輸出電阻——霍爾電極輸出電勢對外等效為電壓源，其內(nèi)阻值測量條件：B=0，t＝20℃±5℃③不等位電勢——理想條件I=0，B＝0→UH＝0；實際上，UH≠0(2)基本特性④寄生直流電勢——B＝0，I為交流時，交流UH＋直流電勢e。原因：激勵電極和霍爾電極接觸不良，造成整流現(xiàn)象；霍爾電極大小不對稱，熱容不同，散熱不同形成溫差電勢寄生直流電勢一般在1mV以下,它是影響霍爾溫漂的原因之一⑤

霍爾電勢溫度系數(shù)B、I一定，△t＝±1℃，△UH/UH×100%。2023/2/427不等位電壓U0U0=R0I當(dāng)B=0，I≠0霍爾電極裝在不同等位面上，產(chǎn)生不等位電壓U0霍爾元件的不均勻電阻率或厚度也會產(chǎn)不等位電壓(3)不等位電勢補償激勵電極接觸不良造成激勵電流分布不均勻2023/2/428電橋補償辦法

將霍爾元件看成四臂電橋，不等位電壓相當(dāng)于電橋不滿足平衡條件下的不平衡輸出電壓，因而可以外接電阻以補償其橋路的不平衡輸出。

不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超過之，在使用中要消除不等位電勢是及其困難的，為此必須采用補償方法。2023/2/429

霍爾元件由半導(dǎo)體構(gòu)成，許多參數(shù)具有較大溫度系數(shù)。當(dāng)溫度發(fā)生改變時，其載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都隨溫度變化，產(chǎn)生溫度誤差。

通過選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施可以減小霍爾元件溫度誤差。(4)溫度補償2023/2/430①

恒流源供電，并聯(lián)電阻保持升溫前后霍爾電勢不變，則有：當(dāng)T0?T即只需滿足：2023/2/431②

恒壓源供電，串聯(lián)電阻當(dāng)T0?T即只需滿足：保持升溫前后霍爾電勢不變，則有：2023/2/432③合理選擇負載電阻RL的值

霍爾元件的輸出電阻和霍爾電勢與元件溫度有一定的函數(shù)關(guān)系，可選擇負載電阻RL的值使得輸出電壓UL不隨溫度變化。令則得到2023/2/433具有正溫度系數(shù)溫度誤差具有負溫度系數(shù)溫度誤差④采用溫度補償元件（熱敏電阻）2023/2/434⑤使用橋路補償電路2023/2/435為了增加輸出的霍爾電壓、功率直流供電時控制電流端并聯(lián)霍爾元件串聯(lián)交流供電時輸出通過變壓器耦合3、霍爾式傳感器2023/2/4364、霍爾式傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢是關(guān)于I、B、

三個變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。2023/2/437（1）當(dāng)B恒定，UH與I呈線性關(guān)系（2）當(dāng)I恒定，UH與B成正比（3）當(dāng)I恒定，元件在均勻梯度磁場中運動時直接測量電流能轉(zhuǎn)換成電流的其它物理量測量交、直流磁感應(yīng)強度可測量微位移，以及壓力、加速度、振動等（4）當(dāng)B→勵磁電流I2時，UH＝KI1I2霍爾元件做成乘法器、乘方器、開方器、除法器2023/2/438霍爾元件開方器×I0

B運放UHUiRL-++-2023/2/439霍爾特斯拉計霍爾元件2023/2/440霍爾傳感器用于測量磁場強度

霍爾元件測量鐵心氣隙的B值2023/2/441

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,在位移測量中得到廣泛應(yīng)用?；魻柺轿⑽灰苽鞲衅?023/2/442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2023/2/443霍爾轉(zhuǎn)速表原理

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。2023/2/444霍爾式接近開關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，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。2023/2/445霍爾式接近開關(guān)

用霍爾IC也能完成接近開關(guān)的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強的閉合磁場。

在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動電路使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。2023/2/446霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICTn=60f4(r/min)2023/2/447霍爾電流傳感器

將被測電流的導(dǎo)線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。2023/2/448霍爾電流傳感器演示鐵心線性霍爾IC

EH=KHI0BII2023/2/449霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口2023/2/450霍爾鉗形電流表演示直流200A量程被測電流的導(dǎo)線未放入鐵心時示值為零70.9A2023/2/451鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開，導(dǎo)線由此穿過霍爾鉗形電流表演示2023/2/452鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開，導(dǎo)線由此穿過霍爾鉗形電流表演示70.9A2023/2/453霍爾鉗形電流表的使用被測電流的導(dǎo)線從此處穿入鉗形表的環(huán)形鐵心手指按下此處，將鉗形表的鐵心張開將被測電流導(dǎo)線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中2023/2/454霍爾鉗形電流表的使用

叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便

用鉗形表測量電動機的相電流2023/2/455霍爾傳感器電流測量2023/2/4562023/2/457能夠改善霍爾器件的溫度磁場特性2023/2/458霍爾計數(shù)裝置2023/2/459霍爾計數(shù)裝置2023/2/460設(shè)：有功功率二倍頻交流分量5測量功率2023/2/461磁敏二極管和磁敏三極管1、磁敏二極管三磁敏傳感器一種磁電轉(zhuǎn)換元件，可將磁信息轉(zhuǎn)換成電信號特點：體積?。混`敏度高；響應(yīng)快；無觸點；輸出功率大；性能穩(wěn)定應(yīng)用：磁場檢測；磁力探傷；轉(zhuǎn)速測量；電流測量；無觸點開關(guān)；無刷直流電機2023/2/462(1)基本結(jié)構(gòu)及工作原理P+-i-N+

型二極管i為高純度半導(dǎo)體材料r為高復(fù)合區(qū)①當(dāng)B＝0，通過i區(qū)形成電流——少量復(fù)合②當(dāng)B+≠0，由于F的作用，電子與空穴偏向r區(qū)，迅速復(fù)合，電流減小。③當(dāng)B-≠0，由于F的作用，電子與空穴偏向i區(qū)，復(fù)合減小，電流變大。電流的