傳感器第7章 (2)課件

磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器,利用電磁感應(yīng)原理將被測量(振動、位移、轉(zhuǎn)速)轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器第7章磁電式傳感器7.1磁電感應(yīng)式傳感器它不需輔助電源把被測的機(jī)械量轉(zhuǎn)成電信號,有源傳感器輸出功率大且性能穩(wěn)定,工作帶寬(10～1000Hz),應(yīng)用廣由電磁感應(yīng)定律,w匝線圈在磁場內(nèi)運(yùn)動時,E＝-wdF/dt7.1.1磁電感應(yīng)式傳感器工作原理兩種磁電傳感器:變磁通式和恒磁通式。1、變磁通式：也稱變磁阻式或變氣隙式圖a為開磁路變磁通式，每轉(zhuǎn)動一個齒,磁路磁阻變化一次,磁通也就變化一次,感應(yīng)電勢變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪齒數(shù)的乘積。圖b為閉磁路變磁通式.齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化,引起磁通的變化,線圈產(chǎn)生周期變化的感生電動勢。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單,輸出信號較小,不宜測量高轉(zhuǎn)速。感應(yīng)電勢頻率與轉(zhuǎn)速成正比2、恒定磁通式磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定直流磁場,磁路中工作氣隙固定不變,因而氣隙中磁通也是恒定不變的。運(yùn)動部件可以是線圈（動圈式圖a）,運(yùn)動部件可以是磁鐵（動鐵式圖b）工作原理是完全相同當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)大于固有頻率時,運(yùn)動部件不隨振動體振動,能量被彈簧吸收,磁鐵與線圈間的相對運(yùn)動速度接近于振動速度,產(chǎn)生感應(yīng)電勢為E=-B0lWv典型結(jié)構(gòu)如圖主要原因:傳感器線圈有電流I流過時,產(chǎn)生交變磁通ΦI,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。1.非線性誤差傳感器線圈相對于磁鐵運(yùn)動速度大時,產(chǎn)生較大感生電勢E和電流I產(chǎn)生的附加磁場與原工作磁場方向相反,減弱工作磁場作用,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(yùn)動速度與圖示方向相反時,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。線圈運(yùn)動速度方向不同,傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值這種非線性特性同時伴隨著傳感器輸出的諧波失真。傳感器靈敏度越高,線圈中電流越大,非線性越嚴(yán)重為補(bǔ)償上述干擾,在傳感器中加入補(bǔ)償線圈,如圖a。適當(dāng)選擇補(bǔ)償線圈參數(shù),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(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。溫度變?誤差式中右邊三項不為零,對銅線每攝氏度變化量為dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2,對鋁鎳鈷永磁合金dB/B≈-0.02×10-2,可得近似值:γt≈(-4.5%)/10℃2.溫度誤差補(bǔ)償通常采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。當(dāng)溫度升高時,熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降,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,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)。圖為用集成運(yùn)算放大器組成的積分或微分測量電路。傳感器1231R223C1R1R4R5C2R3R3SST1T2-+-+U0傳感器1231R223C1R1C2R3SSU0左圖是動圈式振動速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖7.1.4磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用1.動圈式振動速度傳感器工作時,傳感器外殼和永久磁鐵隨物體振動,芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不振動。線圈切割磁力線產(chǎn)生正比于振動速度的感應(yīng)電動勢,線圈的輸出通過引線輸出到測量電路，測量振動速度參數(shù),。在測量電路中接入積分電路,則輸出電勢與位移成正比;在測量電路中接入微分電路,則其輸出與加速度成正比。2.磁電式扭矩傳感器左圖是磁電式扭矩傳感器的工作原理圖?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃?yīng)的一種傳感器。用于電磁測量、壓力、加速度、振動等測量。7.2霍爾式傳感器1.霍爾效應(yīng)7.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件-----++++hufefmBE在垂直于B的方向上放置一導(dǎo)電板,通電流I,方向如圖所示。電子受洛侖磁力fm作用，fm大小為：fm=eBv。使金屬導(dǎo)電板前面積累電子,而后面積累正電荷,從而形成了附加內(nèi)電場EH,稱霍爾電場,EH=UH/b霍爾電場的出現(xiàn),使定向運(yùn)動的電子除受洛侖磁力作用外,還受霍爾電場的作用力,大小為eEH，阻止電荷繼續(xù)積累。當(dāng)電子所受洛侖磁力與霍爾電場力大小相等、方向相反時,eEH=evB,即EH=vB,達(dá)到平衡狀態(tài)。金屬板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n,電子定向運(yùn)動平均速度為v,則激勵電流I=nevbd,則v=I/bdne得EH=IB/bdneUH=IB/bne,令RH=1/(ne)稱為霍爾常數(shù),KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。則UH=RHIB/d=KHIB霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度,靈敏度與霍爾常數(shù)RH成正比與厚度d成反比。霍爾元件常制成薄片形狀?；魻柶牧系囊?有較大的霍爾常數(shù)RH,激勵極間電阻R=ρL/bd,同時R=UI/I=EL/I=vL/(μnevbd),霍爾常數(shù)等于霍爾片材料電阻率與電子遷移率μ的乘積。則解得RH=μρ要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。金屬載流子遷移率高,電阻率小;而絕緣材料電阻率極高,載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片N型鍺容易加工制造,霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好N型硅的線性度最好,霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對溫度最敏感,低溫溫度系數(shù)大,室溫霍爾系數(shù)較大砷化銦霍爾系數(shù)較小,溫度系數(shù)也較小,輸出特性線性度好霍爾元件的結(jié)構(gòu)簡單,由霍爾片、引線和殼體組成,如圖a所示2.霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個引線。1、1′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。電路中霍爾元件可用兩種符號表示，如圖b。b元件自身溫升10℃時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流3.霍爾元件基本特性1）額定激勵電流和最大允許激勵電流元件允許最大溫升對應(yīng)的激勵電流稱為最大允許激勵電流使用中選用盡可能大的激勵電流,改善霍爾元件的散熱條件,可以使最大允許激勵電流增加。2）輸入電阻和輸出電阻激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻;霍爾電極輸出相當(dāng)于電壓源，其內(nèi)阻輸出電阻稱為電勢電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零且環(huán)境溫度在20℃±5℃時確定的。3）不等位電勢和不等位電阻當(dāng)霍爾元件的激勵電流為I時,元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。產(chǎn)生原因:①霍爾電極安裝不對稱或不在同一等電位面上②材料不均勻造成了電阻率不均勻或幾何尺寸不均勻③激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。不等位電勢也可用不等位電阻表示r0=U0/IH不等位電勢是激勵電流流經(jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓。4）寄生直流電勢：在外加磁場為零,霍爾元件用交流激勵時,霍爾電極輸出的直流電勢,稱寄生直流電勢。產(chǎn)生原因①電極接觸不良,形成非歐姆接觸,造成整流效果;②兩個霍爾電極大小不對稱,則兩個電極點(diǎn)的熱容不同,散熱狀態(tài)不同形成極向溫差電勢。寄生直流電勢一般在1mV以下,影響霍爾片溫漂的原因5）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霍爾電勢溫度系數(shù)。它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)?；魻栐脑S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。5.霍爾元件溫度補(bǔ)償減小霍爾元件溫度誤差,除用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外,用恒流源供電是有效,可以使霍爾電勢穩(wěn)定。減小輸入電阻隨溫度變化引起的激勵電流I變化帶來的影響霍爾元件的靈敏系數(shù)KH隨溫度變化引起霍爾電勢的變化。它與溫度的關(guān)系：KH=KH0（1+αΔT）多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值,它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加（1+αΔT）倍。同時讓激勵電流I相應(yīng)地減小,保持KHI乘積不變,就抵消了靈敏系數(shù)KH增加的影響。在圖示電路中,初始溫度為T0,霍爾元件輸入電阻為Ri0,靈敏系數(shù)為KH1,分流電阻為Rp0,得電路中用一個分流電阻Rp與霍爾元件的激勵電極相并聯(lián)。左圖是按此設(shè)計的一個簡單、補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償電路。RpUHISIpIH輸入電阻隨溫度升高而增加,旁路分流電阻Rp自動地加強(qiáng)分流,減少了霍爾元件激勵電流I,從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。?dāng)溫度升至T時,電路中各參數(shù)變?yōu)镽i=Ri0(1+δΔT),Rp=Rp0(1+βΔT)則UH0=UH,KH0IH0B=KHIHB,溫度升高ΔT,補(bǔ)償電路須滿足溫升前、后霍爾電勢不變,當(dāng)霍爾元件選定后,它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)δ及霍爾電勢溫度系數(shù)α是確定值。則:KH0IH0=KHIH略去αβ(ΔT)2得:計算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)β值。為了滿足R0及β兩個條件,分流電阻可取溫度系數(shù)不同的