傳感器與檢測(cè)技術(shù)第章

5磁電式傳感器磁電式傳感器是通過(guò)磁電作用將被測(cè)量(如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。本章內(nèi)容：

5.1磁電感應(yīng)式傳感器

5.2霍爾式傳感器5.1磁電感應(yīng)式傳感器原理：磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的傳感器。它是一種機(jī)—電能量換型傳感器，不需供電電源，是直接從被測(cè)物體吸取機(jī)械能量并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。它還可以作為逆變器使用，稱(chēng)之為反饋式傳感器、力平衡式傳感器。名稱(chēng)：磁電感應(yīng)式傳感器也稱(chēng)為電動(dòng)式傳感器，或感應(yīng)式傳感器。特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，有具有一定的頻率響應(yīng)范圍（10～1000Hz），

，適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等測(cè)量。5.1.1工作原理和結(jié)構(gòu)類(lèi)型

磁電感應(yīng)式傳感器是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，線(xiàn)圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正比于線(xiàn)圈所包圍的磁鏈對(duì)時(shí)間的變化率，即W--線(xiàn)圈匝數(shù)：Φ--線(xiàn)圈所包圍的磁通量。若線(xiàn)圈相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)為速度v或角轉(zhuǎn)度ω時(shí)，上式可改寫(xiě)為e＝-WBlv或e＝-WBsω在傳感器中，當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后．即B、l、W、s均為定值，那么感應(yīng)電勢(shì)e與線(xiàn)圈相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度(v或ω)成正比。根據(jù)上述原理。人們?cè)O(shè)計(jì)了兩種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)：一種是變磁通式；另一種是恒定磁通式。1變磁通式磁電感應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

(a)為開(kāi)磁路變磁通式傳感器：當(dāng)被測(cè)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其變化頻率等于被測(cè)轉(zhuǎn)速與測(cè)量齒輪上齒數(shù)的乘積。(b)為閉磁路變磁通式傳感器：當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。2恒磁通式磁電感應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，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(yùn)動(dòng)部件可以是線(xiàn)圈（動(dòng)圈式）（圖（a）），也可以是磁鐵（動(dòng)鐵式）（圖(b)），動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，由于彈簧較軟，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對(duì)較大，當(dāng)振動(dòng)頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件慣性很大，來(lái)不及隨振動(dòng)體一起振動(dòng)，近乎靜止不動(dòng)，振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線(xiàn)圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體振動(dòng)速度，磁鐵與線(xiàn)圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線(xiàn)，從而產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)速度成正比的感應(yīng)電勢(shì)。磁電感應(yīng)式傳感器只適用于測(cè)量動(dòng)態(tài)物理量，因此動(dòng)態(tài)特性是這種傳感器的主要性能。磁電感應(yīng)式傳感器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)屬機(jī)械系統(tǒng)。應(yīng)用機(jī)械阻抗概念分析機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)有很多方便之處?？梢杂煤?jiǎn)單的代數(shù)方法解出描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的傳遞函數(shù)方程，而不必去解微分方程，但分析的結(jié)果則完全一致。5.1.2動(dòng)態(tài)特性分析研究過(guò)程：傳感器的機(jī)械阻抗→實(shí)際傳感器的輸入輸出傳遞矩陣→傳感器的傳遞函數(shù)。用二階機(jī)械系統(tǒng)表示傳感器內(nèi)部系統(tǒng)原理圖一、機(jī)械阻抗理想傳感器基本框圖實(shí)際傳感器基本框圖二、傳遞矩陣磁電感應(yīng)式傳感器是一種機(jī)電型傳感器，它既能作為機(jī)械量的測(cè)量傳感器，又能作為發(fā)電機(jī)，即它們具有雙向（可逆）的性質(zhì)，所以對(duì)傳感器的輸入量與輸入量的關(guān)系進(jìn)行研究。

傳感器的輸入端是機(jī)械系統(tǒng)，它的輸入輸出特性之間的傳遞矩陣包括：傳感器機(jī)械阻抗的傳遞矩陣；理想傳感器的傳遞矩陣；傳感器電阻抗的傳遞矩陣。實(shí)際傳感器的傳遞矩陣為：三、傳遞函數(shù)圖（5-2）的恒定磁通式磁電感應(yīng)傳感器的傳遞函數(shù)為：相應(yīng)的幅頻特性為：結(jié)論：1當(dāng)振動(dòng)體的振動(dòng)頻率低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的靈敏度隨頻率而明顯變化。2當(dāng)振動(dòng)體的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)高于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的靈敏度接近為一常數(shù)。3當(dāng)頻率更高時(shí)，由于線(xiàn)圈的阻抗增加，靈敏度也隨著頻率的增加而下降。5.1.3測(cè)量電路一、測(cè)量電路的方框圖磁電感應(yīng)式傳感器直接輸出感應(yīng)電勢(shì)，由于該傳感器通常具有較高的靈敏度，所以一般不需要增益放大器。但磁電感應(yīng)式傳感器是速度傳感器，如要獲取位移或加速度信號(hào)，就需配用積分電路或微分電路。二、積分電路有源積分電路原理圖：無(wú)源積分電路原理圖：有源宣和無(wú)堪源積喇分電尺路的尤對(duì)數(shù)椅漸近笨幅頻粘特性菊：一個(gè)枯實(shí)用鄙的有園源積宮分電脈路圖盯：三、燭微分椅電路無(wú)源伶微分碑電路基本場(chǎng)有源拾微分游電路實(shí)用跟有源浸微分抹電路有源技微分異電路慘的幅嘗頻特疫性5.勞1.紐奉4磁電狀感應(yīng)遭式傳嗎感器求應(yīng)用替舉例一、朗磁電暮感應(yīng)聰式振奴動(dòng)速送度傳范感器楊（CD蹲-1型振呈動(dòng)速胃度傳奴感器）1、8-圓形笛彈簧率片，2-圓環(huán)嘗形阻鉤尼器角，3-永久握磁鐵皇，4-鋁架徐，5-芯軸洞，6-線(xiàn)圈陪，7-殼體構(gòu)，9-引線(xiàn)二、磁電再感應(yīng)薯式轉(zhuǎn)渾速傳浸感器5.造2霍爾蟲(chóng)式傳獻(xiàn)感器霍爾歇式傳左感器罪是利收用霍壺爾元泛件基烈于霍筒爾效姻應(yīng)原培理而親將被縮慧測(cè)量依，如庸電流謀、磁泊場(chǎng)、警位移懇、壓譯力等乖轉(zhuǎn)換宏成電狠動(dòng)勢(shì)穿輸出洽的一鋪種傳傻感器汪。當(dāng)載瞎流導(dǎo)運(yùn)體或掉半導(dǎo)愿體處親于與滑電流攻相垂茶直的挨磁場(chǎng)倘中時(shí)驚，在固其兩蓬端將需產(chǎn)生牧電位肢差，吩這一厭現(xiàn)象惱被稱(chēng)形為霍躺爾效皮應(yīng)。5.雕2.紀(jì)1霍爾寒效應(yīng)娃和霍禿爾元遠(yuǎn)件材洗料一塊用長(zhǎng)為l、寬棕為b、厚炸為d的半論導(dǎo)體剝薄片革置于芝磁感控應(yīng)強(qiáng)竊度為B的磁具場(chǎng)（吐磁場(chǎng)郵垂直丘于薄橋片）喬中，爪當(dāng)有夾電流I流過(guò)棍時(shí)，俘在垂分直于籃電流嘩和磁坐場(chǎng)的返方向真上將揀產(chǎn)生妖電動(dòng)罪勢(shì)UH。這敢種現(xiàn)土象稱(chēng)劃為霍爾陽(yáng)效應(yīng)。一、籠霍爾荒效應(yīng)物理鴿現(xiàn)象奧觀(guān)察霍爾敬效應(yīng)霍爾揀效應(yīng)軟的輸凝入輸渴出特伴性為雞：（當(dāng)水磁場(chǎng)拋與薄掛片法多線(xiàn)有α夾角虎時(shí)）霍爾谷式傳始感器否是由纏霍爾更元件冶所組協(xié)成，可測(cè)宜微小圍位移扔、壓朱力、野機(jī)械鹿振動(dòng)魚(yú)等二、殘霍爾備元件寧材料1．鍺(Ge)，N型及P型均專(zhuān)可。2．硅(S蹲i)．N型及P型均亭可。3．砷企化銦(In翻As)和銻熊化銦(In臥Sb)，這漏兩種盛材料膝的特宅性很探相似敘。5.安2.礦2霍爾豎元件老構(gòu)造擁及測(cè)默量電譜路一、嫌構(gòu)造霍爾刮元件具由霍騾爾片絕、四旅極引固線(xiàn)和朝殼體洞組成犧。二、測(cè)量癢電路激勵(lì)鐵電流售由電職源E供給話(huà)，可拼變電豈阻RP用來(lái)炎調(diào)節(jié)約激勵(lì)繞電流I的大遵小。RL為輸債出霍尸爾電時(shí)勢(shì)UH的負(fù)擋載電嘉阻。倆通常板它是可顯示伏儀表沸、記梢錄裝意置或失放大余器的為輸入鹿阻抗平?；魻杹y效應(yīng)文建立夸的時(shí)驅(qū)間極今短（10萄-1哭2～10蠶-1戀4S），I即可利以是酷直流辭，也截可以基是交廢流。若被動(dòng)測(cè)物底理量逃是I、B或者IB乘積彼的函害數(shù)，寒通過(guò)輛測(cè)量義霍爾課電勢(shì)UH就可闊知道砍被測(cè)搖量的浸大小陣。5.襯2.壘3霍爾笑元件原的主檢要技旋術(shù)指塑標(biāo)一、檔額定縱激勵(lì)扭電流IH使霍攏爾元廳件溫傍升10如℃所施贊加的候控制寺電流贏(yíng)值稱(chēng)洲為額淚定激勉勵(lì)電英流。舅通常辜用IH表示權(quán)。當(dāng)霍瞞爾元央件做聽(tīng)好之奇后限粉制額代定電疤流的槐主要早因素睜是散降熱條魯件。二、刻輸入溜電阻Ri它是受指控際制電糧流極稈間的聯(lián)電阻容值。棍它規(guī)港定要璃在室放溫(2饞0±露5℃鵝)的環(huán)碧境溫許度中中測(cè)取敢。三、飛輸出愚電阻Rs它是父指霍詞爾電耍極間休的電商阻值濃。規(guī)梅定中珍要求靜在(2裕0±盾5℃每)的條毒件下苗測(cè)取瘡。四、喂不等屑位電諷勢(shì)及撈零位截電阻r0當(dāng)霍佛爾元險(xiǎn)件通侍以控篇制電廳流IH而不靠加外壟磁場(chǎng)粘時(shí)，妻它的督霍爾黨輸出識(shí)端之告間仍回有空收載電煉勢(shì)存便在，熟該電映勢(shì)就喪稱(chēng)為夸不等駕位電爛勢(shì)(或零傻位電強(qiáng)勢(shì))。產(chǎn)生共原因吉：1霍爾禿電極獎(jiǎng)安裝禁位置炒不正顫確；2半導(dǎo)祝體材爛料不律均勻江或幾嚼何尺帳寸不榆對(duì)稱(chēng)劣；3因控史制電米極接施觸不話(huà)良造赴成控灑制電夫流不湊均勻敵分布社等。零位榆電阻ro:其中堵：UO為不環(huán)等位喂電勢(shì)磁（或秋稱(chēng)零駱位電己勢(shì)）速；ro為不佩等位斧電阻儀（或堤稱(chēng)零召位電悲阻）零位演電勢(shì)毫及零無(wú)位電圍阻都貴是在炮直流咳下測(cè)袋得的落。五、禍寄生嫂直流半電勢(shì)當(dāng)不它加外只磁場(chǎng)眨，控及制電暴流改蛋用額績(jī)定交事流電方流時(shí)賺，霍穴爾電率極間借的空欠載電樂(lè)勢(shì)為湊直流繼與交嚷流電壩勢(shì)之腳和。零其中繡的交固流霍童爾電舟勢(shì)與芝前述狀零位竹電勢(shì)熊相對(duì)止應(yīng)，冤而直惜流霍側(cè)爾電存勢(shì)是棚個(gè)寄嬌生量傅，稱(chēng)怒為寄閥生直賀流電顫勢(shì)V。六、捎熱阻RQ它表怕示在辜霍爾格電極奮開(kāi)路困情況黨下，適在霍攔爾元臟件上俘輸入1m坡W的電忌功率理時(shí)產(chǎn)紗生的受溫升賠，單耳位為℃／mW。所欣以稱(chēng)晝它為溝熱阻脈是因休為這哪個(gè)溫盆升的挨大小銹在一呢定條殃件下夕與電史阻有絹關(guān)。5.們2.撫4霍爾吩元件兆的補(bǔ)挑償電爆路一、堅(jiān)不等絡(luò)位電擋勢(shì)的爆補(bǔ)償二、脖溫度和補(bǔ)償一般匹半導(dǎo)膜體材比料的俗電阻半率、隸遷移濫率和陳載流鍬子濃侍度等丑都隨件溫度賀變化撤而變隔化，嘆為此旺需要欺進(jìn)行椅溫度部補(bǔ)償節(jié)。1分流尚電阻炭法2電橋變補(bǔ)償際法測(cè)遞量電恭路5.芽2.更5霍爾非式傳撤感器蜻的應(yīng)晝用舉欲例1霍爾侄式位則移傳留感器2霍爾仗式壓逼力傳代感器霍耳逝開(kāi)關(guān)頑集成怎傳感盞器是敗利用墾霍耳尺效應(yīng)蟲(chóng)與集您成電揚(yáng)路技瓜術(shù)結(jié)嫌合而仔制成稍的一襖種磁吹敏傳牌感器碼，它愧能感財(cái)知一校切與書(shū)磁信怖息有藍(lán)關(guān)的栗物理旁量，費(fèi)并以開(kāi)關(guān)偷信號(hào)籍形式棉輸出?；糁槎_(kāi)縫關(guān)集防成傳仿感器坊具有蜜使用菠壽命拔長(zhǎng)、肆無(wú)觸朱點(diǎn)磨拴損、錯(cuò)無(wú)火投花干就擾、踢無(wú)轉(zhuǎn)醫(yī)換抖眾動(dòng)、搶工作勁頻率遙高、榴溫度為特性膊好、孟能適繼應(yīng)惡郵劣環(huán)哨境等降優(yōu)點(diǎn)幟。3霍耳記開(kāi)關(guān)悟集成左傳感申器由穩(wěn)奸壓電敲路、關(guān)霍耳刻元件匠、放紗大器孩、整錦形電斗路、滲開(kāi)路窩輸出貸五部舞分組用成。穩(wěn)壓倚電路可使疫傳感收器在抖較寬暢的電妙源電撲壓范寄圍內(nèi)訴工作侮；開(kāi)路婆輸出可使鞏傳感渾器方允便地遣與各鍛種邏冷輯電己路接庭口。1．霍掙耳開(kāi)墊關(guān)集老成傳誼感器類(lèi)的結(jié)柱構(gòu)及游工作己原理霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大BT整形地H3020T輸出VoutR=2kΩ+12V123（b）應(yīng)用電路（a）外型霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路1233．霍境耳開(kāi)填關(guān)集潑成傳淺感器紅的應(yīng)賭用（1）霍框耳開(kāi)翠關(guān)集睜成傳窩感器駝的接進(jìn)口電低路RLVACVccVccVACVccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的一般接口電路VACRL1、霍借爾轉(zhuǎn)捏速表在被朗測(cè)轉(zhuǎn)辮速的釋轉(zhuǎn)軸總上安度裝一驕個(gè)齒慈盤(pán)，泊也可鋤選取級(jí)機(jī)械驢系統(tǒng)穿中的劈燕一個(gè)省齒輪辦，將指線(xiàn)性始型霍錘爾器刃件及暈磁路閥系統(tǒng)宴靠近博齒盤(pán)故。齒炭盤(pán)的心轉(zhuǎn)動(dòng)聲使磁勾路的誓磁阻榜隨氣茫隙的臺(tái)改變饅而周機(jī)期性雞地變洽化，通霍爾梁器件挺輸出塌的微啄小脈苗沖信短號(hào)經(jīng)乖隔直勢(shì)、放捐大、戚整形死后可夜以確勺定被派測(cè)物娘的轉(zhuǎn)禍速。SN線(xiàn)性霍爾磁鐵霍爾吹轉(zhuǎn)速安表原唇理當(dāng)齒播對(duì)準(zhǔn)泉霍爾邊元件惠時(shí)，窄磁力炮線(xiàn)集突中穿越過(guò)霍漿爾元印件，舌可產(chǎn)儉生較撲大的鹽霍爾路電動(dòng)岔勢(shì)，展放大男、整憐形后剖輸出完高電宅平；匹反之圣，當(dāng)家齒輪葛的空蛾擋對(duì)斯準(zhǔn)霍趣爾元傘件時(shí)素，輸均出為互低電醫(yī)平?；魻栐~轉(zhuǎn)速沸傳感蕉器在爸汽車(chē)映防抱盡死裝載置（AB串S）中妨的應(yīng)園用若汽埋車(chē)在崗剎車(chē)漲時(shí)車(chē)丙輪被勵(lì)抱死恭，將勁產(chǎn)生蹤蝶危險(xiǎn)團(tuán)。用瓣霍爾翼轉(zhuǎn)速飯傳感民器來(lái)客檢測(cè)醒車(chē)輪質(zhì)的轉(zhuǎn)令動(dòng)狀涼態(tài)有晚助于篩控制藥剎車(chē)像力的幸大小籠。帶有慢微型炒磁鐵倡的霍艦爾傳言感器鋼質(zhì)霍爾5、霍