磁電式傳感器

第6章磁電式傳感器

6.1磁電感應(yīng)式傳感器6.2霍爾式傳感器1精選課件6.1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，是利用電磁感應(yīng)原理將被測(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。它不需要輔助電源，就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是一種有源傳感器。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。2精選課件6.1.1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。3精選課件當(dāng)一個(gè)W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)穿過線圈的磁通為φ，那么線圈內(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。變磁通式又稱為磁阻式，圖6-1是變磁通式磁電傳感器，用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。4精選課件圖6-1〔a〕為開磁路變磁通式：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。5精選課件

圖6-1(b)為閉磁路變磁通式傳感器，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(cè)轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測(cè)軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)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)生周期性變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。顯然，感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。6精選課件磁路系統(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)部件可以是線圈〔動(dòng)圈式圖6-2〔a〕〕〕，也可以是磁鐵〔動(dòng)鐵式圖6-2〔b〕〕，動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式的工作原理是完全相同的。7精選課件當(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，磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為式中：B0——工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；l——每匝線圈平均長(zhǎng)度；W——線圈在工作氣隙磁場(chǎng)中的匝數(shù)；v——相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

8精選課件6.1.2磁電感應(yīng)式傳感器根本特性當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路時(shí)，如圖6-3所示，磁電傳感器的輸出電流Io為式中：

Rf——測(cè)量電路輸入電阻；

R——線圈等效電阻。傳感器的電流靈敏度為9精選課件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(chǎng)干擾、受到機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差，其相對(duì)誤差為10精選課件磁電感應(yīng)式傳感器的測(cè)量電路磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電勢(shì),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,假設(shè)要獲取被測(cè)位移或加速度信號(hào),那么需要配用積分或微分電路。511精選課件霍爾效應(yīng)：置于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體〔或半導(dǎo)體〕，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)〔霍爾電勢(shì)〕，原因是電荷受到洛倫茲力的作用。fLfEvEHdIbB定向運(yùn)動(dòng)的電子除受到洛侖茲力外，還受到霍爾電場(chǎng)的作用，當(dāng)fL=fE時(shí)，到達(dá)平衡，此時(shí)霍爾系數(shù)，材料確定后為常數(shù)靈敏度系數(shù)對(duì)于導(dǎo)體，霍爾系數(shù)一般較小，故霍耳元件一般用半導(dǎo)體制作，且愈小〔薄〕，靈敏度愈高§6.2霍爾式傳感器

12精選課件一、霍爾元件的工作原理及結(jié)構(gòu)1．霍爾效應(yīng)

霍爾電壓UH為：

式中n為半導(dǎo)體單位體積中的載流子數(shù)

E為電子電量

KH為霍爾元件靈敏度，KH＝1/ned

結(jié)論13精選課件2．材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

霍爾元件一般采用具有N型的鍺、銻化銦和砷化銦等半導(dǎo)體單晶材料制成。1.銻化銦元件的輸出較大，但受溫度的影響也較大。2.鍺元件的輸出雖小，但它的溫度性能和線性度卻比較好。3.砷化銦元件的輸出信號(hào)沒有銻化銦元件大，但是受溫度的影響卻比銻化銦的要小，而且線性度也較好。采用砷化銦為霍爾元件的材料得到普遍應(yīng)用。特點(diǎn)小結(jié)14精選課件霍爾元件結(jié)構(gòu)〔a〕霍爾元件結(jié)構(gòu)示意圖〔b〕圖形符號(hào)〔c〕外形15精選課件3．根本電路由于建立霍爾效應(yīng)所需的時(shí)間很短〔約10-12s～10-14s之間〕，因此控制電流為交流時(shí)，頻率可以很高〔幾千兆赫〕。注意16精選課件二、霍爾元件的根本參數(shù)與溫度誤差的補(bǔ)償1．根本參數(shù)〔1〕輸入電阻Ri；〔2〕輸出電阻R0；〔3〕最大鼓勵(lì)電流IM；〔4〕靈敏度KH；〔5〕最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM；〔6〕不等位電勢(shì)；〔7〕霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)17精選課件2．溫度誤差及其補(bǔ)償霍爾元件是由半導(dǎo)體制成的，因半導(dǎo)體對(duì)溫度很敏感，霍爾元件的載流子遷移率、電阻率和霍爾系數(shù)都隨溫度而變化，因而使霍爾元件的特性參數(shù)〔如霍爾電勢(shì)和輸入、輸出電阻等〕成為溫度的函數(shù)，導(dǎo)致霍爾傳感器產(chǎn)生溫度誤差?！瞐〕輸入回路補(bǔ)償電路〔b〕輸出回路補(bǔ)償電路〔c〕正溫度系數(shù)熱敏電阻的補(bǔ)償電路原因處理方法18精選課件三、集成霍爾元件集成霍爾元件可分為線性型和開關(guān)型兩大類線性型集成霍爾元件19精選課件開關(guān)型集成霍爾元件的外形及內(nèi)部電路20精選課件四、霍爾式傳感器的應(yīng)用21