磁電式傳感器67126課件

7.1磁電感應(yīng)式傳感器7.2霍爾式傳感器第7章磁電式傳感器返回主目錄第7章磁電式傳感器

磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。磁電傳感器分為：磁電感應(yīng)式傳感器：利用導(dǎo)體與磁場發(fā)生相對運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢?；魻杺鞲衅鳎狠d流子半導(dǎo)體在磁場中有電磁效應(yīng)而產(chǎn)生電動勢。7.1磁電感應(yīng)式傳感器

磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器（電動式、感應(yīng)式）,是利用電磁感應(yīng)原理(磁電作用)將導(dǎo)體在磁場中相對運動（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號（感生電動勢）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(zhuǎn)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（10～1000Hz）,所以得到普遍應(yīng)用。

圖7-1（a）為開磁路變磁通式: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。圖7-1(b)為閉磁路變磁通式,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。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。當(dāng)振動頻率足夠高（遠(yuǎn)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E=-B0Lwv

(7-2)式中:B0——工作氣隙磁感應(yīng)強度;L——每匝線圈平均長度;W——線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù);v——相對運動速度。

二、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性當(dāng)測量電路接入磁電傳感器電路中,磁電傳感器的輸出電流Io為Io=（7-3）式中:Rf——測量電路輸入電阻;R——線圈等效電阻。

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7-3所示。當(dāng)傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場的運動速度增大時,將產(chǎn)生較大的感生電勢E和較大的電流I,由此而產(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7-3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)果是線圈運動速度方向不同時,傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值,使傳感器輸出基波能量降低,諧波能量增加。即這種非線性特性同時伴隨著傳感器輸出的諧波失真。顯然，傳感器靈敏度越高,線圈中電流越大,這種非線性越嚴(yán)重。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7-2（a）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(dá)到補償?shù)哪康?。電飯鍋的發(fā)熱盤中心有一個磁鋼，當(dāng)按下煮飯開關(guān)（聯(lián)動開關(guān)）時，磁鋼將聯(lián)動開關(guān)吸住，閉合導(dǎo)通煮飯加熱電路，電飯鍋開始加熱煮飯。

水的沸點是100度左右，當(dāng)水燒干時（飯也熟了），鍋體溫度慢慢上升超過100度，當(dāng)傳給磁鋼的溫度達(dá)到103度左右時，磁鋼失去磁性，聯(lián)動開關(guān)借重力彈回，斷開煮飯加熱電路。

三、磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)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7-4為一般測量電路方框圖

1、積分電路三.微分電路1

工作時,傳感器與被測物體剛性連接,當(dāng)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(yīng)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.磁電式扭矩傳感器圖7-6是磁電式扭矩傳感器的工作原理圖。在驅(qū)動源和負(fù)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。磁電傳感器的結(jié)構(gòu)見圖7-7所示。傳感器的檢測元件部分由永久磁場、感應(yīng)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(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。7.2霍爾式傳感器

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量物理量（如電流、磁場、位移、壓力等）轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。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?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。一、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)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢稱霍爾電勢。圖7-8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fm=eBv（7-9）式中:e——電子電荷;v——電子運動平均速度;B——磁場的磁感應(yīng)強度。fm的方向在圖7-8中是向上的,此時電子除了沿電流反方向作定向運動外,還在fm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,該電場強度為（7-10）式中UH為電位差?；魻栯妶龅某霈F(xiàn),使定向運動的電子除了受洛侖茲力作用外,還受到霍爾電場的作用力,其大小為EH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著上、下底面積累電荷的增加,霍爾電場增加,電子受到的電場力也增加,當(dāng)電子所受洛侖茲力與霍爾電場作用力大小相等、方向相反時,即（7-13）將式（7-13）代入式（7-12）得（7-14）eEH=evB

（7-11）則EH=vB（7-12）此時電荷不再向兩底面積累,達(dá)到平衡狀態(tài)。若金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n,電子定向運動平均速度為v,則激勵電流I=nevbd,則式中KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。由式（7-16）可見,霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應(yīng)強度,其靈敏度與霍爾常數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度,霍爾元件常制成薄片形狀。將上式代入式（7-10）得（7-15）式中令RH=1/（ne）,稱之為霍爾常數(shù),其大小取決于導(dǎo)體載流子密度，則（7-16）對霍爾片材料的要求,希望有較大的霍爾常數(shù)RH,霍爾元件激勵極間電阻R=ρL/（bd）,同時其中UI為加在霍爾元件兩端的激勵電壓，EI為霍爾元件激勵極間內(nèi)電場，v為電子移動的平均速度,電子遷移率μ

。則遷移率是指載流子（電子和空穴）在單位電場作用下的平均漂移速度，即載流子在電場作用下運動速度的快慢的量度，運動得越快，遷移率越大；運動得慢，遷移率小。同一種半導(dǎo)體材料中，載流子類型不同，遷移率不同，一般是電子的遷移率高于空穴。解得從式中可知,霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率μ的乘積。若要霍爾效應(yīng)強,則RH值大,因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。砷化銦的霍爾系數(shù)較小,溫度系數(shù)也較小,輸出特性線性度好。表7-1為常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)。一般金屬材料載流子遷移率很高,但電阻率很小;而絕緣材料電阻率極高,但載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有:鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。其中N型鍺容易加工制造,其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好,其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對溫度最敏感,尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大,但在室溫時其霍爾系數(shù)較大.

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、引線和殼體組成,如圖7-9(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。霍爾元件殼體由非導(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7-9(b)所示。

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。因霍爾電勢隨激勵電流增加而線性增加,所以,使用中希望選用盡可能大的激勵電流,因而需要知道元件的最大允許激勵電流,改善霍爾元件的散熱條件,可以使激勵電流增加。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。霍爾電極輸出電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。以上電阻值是在磁感應(yīng)強度為零且環(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,若元件所處位置磁感應(yīng)強度為零,則它的霍爾電勢應(yīng)該為零,但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。產(chǎn)生這一現(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。

式中:U0——不等位電勢;r0——不等位電阻;IH——激勵電流。由上式可以看出,不等位電勢就是電流流控制經(jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓。

不等位電勢也可用不等位電阻表示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:

①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;②兩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。寄生直流電勢一般在1mV以下,它是影響霍爾片溫漂的原因之一。5）霍爾電勢溫度系數(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)。

4.霍爾元件不等位電勢補償

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,而實用中要消除不等位電勢是極其困難的,因而必須采用補償?shù)姆椒?。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的補償方法。如圖7-10所示,其中A、B為激勵電極,C、D為霍爾電極,極分布電阻分別用R1、R2、R3、R4表示。理想情況下,R1=R2=R3=R4,即可取得零位電勢為零（或零位電阻為零）。實際上,由于不等位電阻的存在,說明此四個電阻值不相等,可將其視為電橋的四個橋臂,則電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻（如圖7-10（a）所示）,或在兩個橋臂上同時并聯(lián)電阻（如圖7-10(b)所示）。

5.霍爾元件溫度補償霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的,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。為了減小霍爾元件的溫度誤差,除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外,由UH=KHIB可看出：采用恒流源供電是個有效措施,可以使霍爾電勢穩(wěn)定。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I變化所帶來的影響?；魻栐撵`敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù),它隨溫度的變化引起霍爾電勢的變化?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成KH=KH0（1+αΔT）（7-20）式中:KH0——溫度T0時的KH值;ΔT=T-T0——溫度變化量;α——霍爾電勢溫度系數(shù)。并且大多數(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。如果,與此同時讓激勵電流I相應(yīng)地減小,并能保持KHI乘積不變,(因為UH=KHIB)也就抵消了靈敏系數(shù)KH增加的影響。按此思路設(shè)計的一個既簡單、補償效果又較好的補償電路。

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)。當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時,旁路分流電阻Rp自動地加強分流,減少了霍爾元件的激勵電流I,從而達(dá)到補償?shù)哪康?。在溫度補償電路中,設(shè)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,根據(jù)分流概念得（7-21）當(dāng)溫度升至T時,電路中各參數(shù)變?yōu)镽i=Ri0（1+δΔT）（7-22）Rp=Rp0（1+βΔT）（7-23）式中:δ——霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù);β——分流電阻溫度系數(shù)。則雖然溫度升高ΔT,為使霍爾電勢不變,補償電路必須滿足溫升前、后的霍爾電勢不變,即UH0=UHKH0IH0B=KHIHB（7-25）則KH0IH0=KHIH（7-26）將式（7-20）、（7-21）、（7-24）代入上式,經(jīng)整理并略去α、β、(ΔT)2高次項后得（7-27）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。由式（7-27）即可計算出分流電阻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)不同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合,這樣雖然麻煩但效果很好。

二、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。圖7-12給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖。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(dá)5mm,分辨率為0.001mm。

圖（b）所示是一種結(jié)構(gòu)簡單的霍爾位移傳感器,由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器,在Δx=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,在磁極端面裝有極化,霍爾元件調(diào)整好初始位