第五章磁電式傳感器課件

第五章磁電式傳感器

定義：磁電式傳感器是利用磁電作用將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。磁電作用：所有的磁信號(hào)與電信號(hào)之間相互作用的現(xiàn)象。第五章磁電式傳感器定義：磁電式傳感器是利用磁電作用第一節(jié)磁電感應(yīng)式傳感器一、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場(chǎng)中，沿垂直磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為式中:B——穩(wěn)恒均勻磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；l——導(dǎo)體有效長(zhǎng)度；v—導(dǎo)體相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度N——線圈匝數(shù)；第一節(jié)磁電感應(yīng)式傳感器一、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理當(dāng)一個(gè)N匝線圈相對(duì)靜止地處于隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中時(shí)，設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)e與磁通變化率dφ/dt有如下關(guān)系：根據(jù)以上原理，人們?cè)O(shè)計(jì)出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。當(dāng)一個(gè)N匝線圈相對(duì)靜止地處于隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中時(shí)，設(shè)穿過(guò)線圈（一）恒定磁通式（一）恒定磁通式（二）變磁通式變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖

（a）

開(kāi)磁路（b）

閉磁路（二）變磁通式變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖（a）為開(kāi)磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，隨被測(cè)體一起轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(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。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。圖（a）為開(kāi)磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不

圖（b）為閉磁路變磁通式傳感器，被測(cè)旋轉(zhuǎn)體1帶動(dòng)橢圓形測(cè)量齒輪2在磁場(chǎng)氣隙中等速轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣隙平均長(zhǎng)度周期性地變化，因而磁路的磁阻也周期性的變化，磁通同樣周期性的變化，則在線圈3中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其頻率f與測(cè)量齒輪2的轉(zhuǎn)速n成正比，即f=n/30。圖（b）為閉磁路變磁通式傳感器，被測(cè)旋轉(zhuǎn)體1二、磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用

動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器

1、芯軸2、外殼3、彈簧片4、鋁支架5、永久磁鐵6、線圈7、阻尼環(huán)8、引線二、磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用1、芯軸上圖是動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是，鋼制圓形外殼，里面用鋁支架將圓柱形永久磁鐵與外殼固定成一體，永久磁鐵中間有一小孔，穿過(guò)小孔的芯軸兩端架起線圈和阻尼環(huán)，芯軸兩端通過(guò)圓形膜片支撐架空且與外殼相連。工作時(shí)，傳感器與被測(cè)物體剛性連接，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動(dòng)，而架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動(dòng)。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(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，線圈的輸出通過(guò)引線輸出到測(cè)量電路。該傳感器測(cè)量的是振動(dòng)速度參數(shù)，若在測(cè)量電路中接入積分電路，則輸出電勢(shì)與位移成正比；若在測(cè)量電路中接入微分電路，則其輸出與加速度成正比。上圖是動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是，鋼第二節(jié)霍爾式傳感器一、工作原理霍爾效應(yīng)：金屬或半導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。第二節(jié)霍爾式傳感器一、工作原理霍爾效應(yīng)：金屬或半導(dǎo)體處11

設(shè)霍耳片的長(zhǎng)度為l，寬度為w，厚度為d。又設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動(dòng)，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它受到洛侖茲力q—電子電量(1.62×10-19C)；v—電于運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)，作用于電子的電場(chǎng)力

當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)11設(shè)霍耳片的長(zhǎng)度為l，寬度為w，厚度為d。又設(shè)電子以12霍耳電勢(shì)UH與I、B的乘積成正比，而與d成反比。于是可改寫成：電流密度j=－nqvn—N型半導(dǎo)體中的電子濃度N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體RH—霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。ρ—材料電阻率p—P型半導(dǎo)體中的孔穴濃度μ—載流子遷移率,μ=v/E,即單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下載流子的平均速度。12霍耳電勢(shì)UH與I、B的乘積成正比，而與d成反比。于是可13設(shè)KH=RH/d

KH—霍耳器件的乘積靈敏度。它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)霍耳電勢(shì)的大小。若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍耳器件的平面法線夾角為θ時(shí)，霍耳電勢(shì)應(yīng)為：UH＝KH

IB

UH＝KHIBcosθ

13設(shè)KH=RH/dKH—霍耳器件的乘積靈敏度。它討論：為什么只能用半導(dǎo)體材料作霍爾元件。

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(qiáng)，則希望有較大的霍爾系數(shù)RH，因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很??；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)體材料才適于制造霍爾片。

N型材料電阻率P型材料電阻率討論：為什么只能用半導(dǎo)體材料作霍爾元件?；魻柍６?、霍爾元件1、霍耳磁敏傳感器的符號(hào)與基本電路器件電流(控制電流或輸入電流):流入到器件內(nèi)的電流。電流端子A、B相應(yīng)地稱為器件電流端、控制電流端或輸入電流端?；舳敵龆说亩俗覥、D相應(yīng)地稱為霍耳端或輸出端。若霍耳端子間連接負(fù)載,稱為霍耳負(fù)載電阻或霍耳負(fù)載。電流電極間的電阻，稱為輸入電阻，或者控制內(nèi)阻?；舳俗娱g的電阻，稱為輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻。二、霍爾元件1、霍耳磁敏傳感器的符號(hào)與基本電路器件電流(控16控制電流I；霍耳電勢(shì)UH；控制電壓E；輸出電阻R2；輸入電阻R1；霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流IH。

圖中控制電流I由電源E供給,RW為調(diào)節(jié)電阻,保證器件內(nèi)所需控制電流I?；舳敵龆私迂?fù)載R3,R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)B垂直通過(guò)霍耳器件,在磁場(chǎng)與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本電路R實(shí)際使用時(shí),器件輸入信號(hào)可以是I或B，或者IB,而輸出可以正比于I或B,或者正比于其乘積IB。R3RW16控制電流I；圖中控制電流I由電源E供給,RW為調(diào)節(jié)電阻,三、霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償1、零位誤差及補(bǔ)償方法零位誤差：霍爾元件在加控制電流但不加外磁場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)。主要為不等位電勢(shì)。三、霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償1、零位誤差及補(bǔ)償方法零位誤差：霍分析不等位電勢(shì)時(shí)，可以把霍爾元件等效為一個(gè)電橋，用分析電橋平衡來(lái)補(bǔ)償不等位電勢(shì)。分析不等位電勢(shì)時(shí)，可以把霍爾元件等效為一個(gè)電橋，用分析電橋

不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路寄生直流電動(dòng)勢(shì)

：在外加磁場(chǎng)為零、霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí)，霍爾電極輸出除了交流不平衡電勢(shì)外，還有一直流電勢(shì)，稱為寄生直流電勢(shì)。其產(chǎn)生的原因有：①激勵(lì)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(gè)霍爾電極大小不對(duì)稱，則兩個(gè)電極點(diǎn)的熱容不同，散熱狀態(tài)不同而形成極間溫差電勢(shì)。寄生直流電勢(shì)一般在1mV以下，它是影響霍爾片溫漂的原因之一。寄生直流電動(dòng)勢(shì)：在外加磁場(chǎng)為零、霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí)，霍爾2、溫度誤差及補(bǔ)償方法（1）采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻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(gè)有效措施，可以使霍爾電勢(shì)穩(wěn)定。但也只能是減小由于輸入電阻隨溫度變化所引起的激勵(lì)電流I的變化的影響。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(shí)，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。2、溫度誤差及補(bǔ)償方法（1）采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻

霍爾元件的靈敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，它隨溫度變化將引起霍爾電勢(shì)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)

式中：

KH0——溫度T0時(shí)的KH值；

ΔT=T-T0——溫度變化量；

α—霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)。（0）霍爾元件的靈敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)

恒流溫度補(bǔ)償電路恒流溫度補(bǔ)償電路

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(shì)隨溫度升高而增加αΔT倍。但如果同時(shí)讓激勵(lì)電流Is相應(yīng)地減小，并能保持KH·

Is

乘積不變，也就抵消了靈敏系數(shù)KH增加的影響。下圖就是按此思路設(shè)計(jì)的一個(gè)既簡(jiǎn)單，補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償電路。電路中Is為恒流源，分流電阻Rp與霍爾元件的激勵(lì)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(shí)，旁路分流電阻Rp自動(dòng)地增大分流，減小了霍爾元件的激勵(lì)電流IH，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。大多?shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值，它

在上圖所示的溫度補(bǔ)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KH0，分流電阻為Rp0，根據(jù)分流概念得

當(dāng)溫度升至T時(shí)，電路中各參數(shù)變?yōu)?/p>

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)。（1）（2）（3）在上圖所示的溫度補(bǔ)償電路中，設(shè)初始溫度為T0則

（4）

雖然溫度升高了ΔT，為使霍爾電勢(shì)不變，補(bǔ)償電路必須滿足溫升前、后的霍爾電勢(shì)不變，即UH0=UH，則KH0IH0B=KHIHB

有

KH0IH0=KHIH

則（4）雖然溫度升高了ΔT，為使霍爾電勢(shì)

將式（0）、（1）、（4）代入上式，經(jīng)整理并略去αβ(ΔT)2高次項(xiàng)后得（7）

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(shì)溫度系數(shù)α是確定值。由式（7）即可計(jì)算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)β值。為了滿足Rp0及β兩個(gè)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。將式（0）、（1）、（4）代入上式，經(jīng)整理并（2）合理選取負(fù)載電阻RL的阻值霍爾元件的輸出電阻Ｒo和霍爾電動(dòng)勢(shì)ＵＨ都是溫度的函數(shù)，當(dāng)霍爾元件接有負(fù)載RL時(shí)，在RL上的電壓為其中—溫度為t0時(shí)的霍爾元件輸出電阻。為使負(fù)載上的電壓不隨溫度而變化，應(yīng)使，即得可采用串、并聯(lián)的方法使上式成立來(lái)補(bǔ)償溫度誤差。（2）合理選取負(fù)載電阻RL的阻值霍爾元件的輸出電阻Ｒo和熱敏電阻Rt具有負(fù)溫度系數(shù)，電阻絲具有正溫度系數(shù)。a、b、c圖中霍爾輸出具有負(fù)溫度系數(shù)。d圖為用Rt補(bǔ)償霍爾輸出具有正溫度系數(shù)的溫度誤差。（3）采用溫度補(bǔ)償元件熱敏電阻Rt具有負(fù)溫度系數(shù)，電阻絲具有正溫度系數(shù)。a、b、c橋路補(bǔ)償電路（4）不等位電動(dòng)勢(shì)Uo的溫度補(bǔ)償橋路補(bǔ)償電路（4）不等位電動(dòng)勢(shì)Uo的溫度補(bǔ)償四、應(yīng)用1、霍爾式微位移傳感器上圖是磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對(duì)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(shì)UH也等于零，此時(shí)位移Δx=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對(duì)位移，霍爾元件感受到的