傳感器原理-速度傳感器(磁電霍爾)

速度測量概述1、轉(zhuǎn)速測量中主要考慮的問題1）被測物體運(yùn)動的速度范圍超低速(0.10～2.00r/min)低速(0.5～500r/min)中高速(20～20000r/min)高速(500～200000r/min)超高速(500～600000r/min)全速(0.10～600000r/min)適用的測速傳感器較多2）被測物體可測點(diǎn)幾何形狀例：光軸、齒輪、葉片、帶孔、帶槽、帶銷、微型電機(jī)3）環(huán)境條件4）動態(tài)/靜態(tài)時的顯示、記錄、控制5）誤差、響應(yīng)時間、輸出控制形式2、轉(zhuǎn)速測量的分類及實(shí)現(xiàn)方案根據(jù)傳感器安裝方式：1接觸式2非接觸式根據(jù)傳感器不同：1磁電2光電3霍爾4磁敏傳感器測量范圍（kHz）感應(yīng)對象檢測距離（mm）應(yīng)用場合磁敏傳感器0～10鐵、電工鋼0.5～1.5速度、位移磁電傳感器50～5000電工鋼0.5～1速度霍爾傳感器0～10磁鐵1～5速度、位移光電傳感器0～10自然光、紅外光1～15速度、位移接近開關(guān)0～200Hz金屬1～5速度、位移3、轉(zhuǎn)速測量電路1）轉(zhuǎn)速測量儀的基本組成：2）轉(zhuǎn)速測量基本方法定數(shù)采樣：這種方法其實(shí)是測量單個脈沖的周期或指定個數(shù)脈沖的總周期。這種測量脈沖的方法又叫做測周法。

定時采樣。這種方法其實(shí)是測量單位時間的脈沖個數(shù)。這種測量脈沖的方法又叫做測頻法。頻率→電壓轉(zhuǎn)換(f/V)頻率→轉(zhuǎn)速N=f/分頻數(shù)4、轉(zhuǎn)速傳感器的選擇原則①測量環(huán)境④價(jià)格②測量范圍⑤可靠性③系統(tǒng)功耗單位r/min

r/s

一、霍爾效應(yīng)和霍爾元件的工作原理在半導(dǎo)體薄片中通以電流I,在與薄片垂直方向加磁場B，則在半導(dǎo)體薄片的另外兩端，產(chǎn)生一個大小與控制電流I和B乘積成正比的電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。該電勢稱為霍爾電勢，該薄片稱為霍爾元件。

1、霍爾效應(yīng)2、霍爾電勢UH＝KH

IB單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流作用時，所能輸出的霍爾電勢的大小。單位是mV/（mA·T）

意義：與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，決定霍爾電勢的強(qiáng)弱。若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍爾元件的平面法線夾角為θ時，霍耳電勢應(yīng)為：

VH＝KHIBcosθ

霍耳器件薄膜化是提高靈敏度的一個途徑?；魻栯妷篣H為：

式中n——半導(dǎo)體單位體積中的載流子數(shù)e——電子電量

KH——霍爾元件靈敏度，KH＝1/ned霍爾器件符號HABCDABCDBACDC、D：霍耳輸出端，稱為霍爾端或輸出端。A、B：電極端，稱為元件電流端、控制電流端或輸入電流端。紅色導(dǎo)線紅色導(dǎo)線綠色導(dǎo)線綠色導(dǎo)線一般為4mm×2mm×0.1mm二．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)材料：鍺、硅、砷化鎵、砷化銦、銻化銦靈敏度低、溫度特性及線性度好靈敏度最高、受溫度影響大輸入1輸入2輸出1輸出2磁性頂端引線襯底霍爾元件濺射工藝制作的銻化銦霍爾元件霍爾元件的主要特性參數(shù)：(1)輸入電阻和輸出電阻

輸入電阻：控制電極間的電阻

輸出電阻：霍爾電極之間的電阻(2)額定控制電流和最大允許控制電流

額定控制電流：當(dāng)霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產(chǎn)生10℃溫升時，對應(yīng)的控制電流值

最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對應(yīng)的控制電流值(3)不等位電勢Uo和不等位電阻ro

不等位電勢：當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時，若元件所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，測得的空載霍爾電勢。不等位電勢是由霍爾電極2和之間的電阻決定的，r0稱不等位電阻

霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)四、霍爾元件連接方式和輸出電路1、基本測量電路特點(diǎn)：（1）測量磁物理量、電量及其它物理量（2）實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，構(gòu)成各種非線性運(yùn)算部件（3）輸出信號的信噪比大（4）頻率范圍寬：直流~數(shù)百千赫茲（5）體積小、重量輕（6）穩(wěn)定性好、壽命長2、霍爾元件連接方式控制電流端并聯(lián)輸出電勢為：2倍控制電流端串聯(lián)次級繞阻疊加輸出E++++++++++----------直流供電方式：~交流供電方式：3、霍爾電勢的輸出電路四端器件輸出電勢：mV量級線性應(yīng)用：比例放大器線性度好、低噪聲放大器開關(guān)應(yīng)用：射極跟隨器靈敏度高：一般放大器五、霍爾元件的測量誤差及補(bǔ)償方法1、零位誤差及補(bǔ)償半導(dǎo)體固有特性半導(dǎo)體制造工藝缺陷零位誤差溫度誤差A(yù)、B同一等位面：U0=0、電橋平衡A、B非同一等位面：U0=0、電橋不平衡電橋補(bǔ)償原理：在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻（a）（b）（c）六、霍爾開關(guān)集成傳感器霍爾效應(yīng)集成電路技術(shù)開關(guān)信號磁敏傳感器集成霍爾元件和開關(guān)型兩大類

可分為線性型1、結(jié)構(gòu)及工作原理穩(wěn)壓材料：硅工藝：硅平面工藝提高靈敏度N型硅外延層很薄集成工藝工作原理：有磁場：VH，放大，整形：>開啟閾值，高電平

VT導(dǎo)通，具有吸收電流的負(fù)載能力磁場減弱：VH減小，放大，整形：<關(guān)閉閾值，翻轉(zhuǎn)，低電平，VT截止開狀態(tài)關(guān)狀態(tài)2、工作特性

121086420——工作點(diǎn)“開”——釋放點(diǎn)“關(guān)”——磁滯高

低，開狀態(tài)低高，關(guān)狀態(tài)3、接口電路3020T外形應(yīng)用電路KK4、磁場施加方式

2.557.51012.51517.5200.100.090.080.070.060.050.040.030.020.010（1）磁鐵軸心接近式兩軸心方向重合

2.557.51012.51517.5200.100.090.080.070.060.050.040.030.020.010（2）磁鐵側(cè)向滑近式兩平面距離不變，磁鐵軸線與傳感器平面垂直（3）采用磁力集中器增加傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度02.557.510

0.100.080.060.040.02

六、霍爾線性集成傳感器1、結(jié)構(gòu)及工作原理輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性比例關(guān)系構(gòu)成：霍爾元件、放大器、穩(wěn)壓、電流放大輸出級、失調(diào)調(diào)整、線性度調(diào)整穩(wěn)壓單端輸出：SL3501T雙端輸出：SL3501M穩(wěn)壓2、主要技術(shù)特性-0.3-0.2–0.100.10.20.35.64.63.62.61.6

SL3501T輸出特性曲線

0.040.080.120.160.200.240.280.322.52.01.51.00.50SL3501M輸出特性曲線霍爾線性集成傳感器的技術(shù)參數(shù)七、霍爾傳感器的應(yīng)用1、霍爾位移傳感器磁場梯度越大，靈敏度越高磁場梯度越均勻，輸出線性越好測量范圍：1~2mm2、磁感應(yīng)強(qiáng)度測量儀ASL3501M：霍爾線性集成傳感器RP1：調(diào)整表頭量程RP2：調(diào)零

C1：低通濾波測量上限：0.3T3、直流功率測量儀V4、轉(zhuǎn)速測量永磁體安裝在軸端永磁體安裝在軸側(cè)5、測量電流測量大直流電流（10kA）：電阻器分流霍爾元件測量電流：檢測通電導(dǎo)線周圍的磁場（1）導(dǎo)線旁測法（2）導(dǎo)線貫穿磁芯法簡單、測量精度差、受外界干擾大環(huán)形鐵芯集中磁力線，提高電流測量精度6、測量表面覆蓋層厚度鐵磁性物質(zhì)非磁性涂層0123

5004003002001007、自動憑票供水裝置控制電路霍爾式傳感器的應(yīng)用實(shí)例霍爾轉(zhuǎn)速測量

霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）

霍爾元件霍爾－角位移測量霍爾鉗形電流表的使用叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便用鉗形表測量電動機(jī)的相電流實(shí)驗(yàn)探究1若閉合電路中有感應(yīng)電流,電路中就一定有電動勢.演示實(shí)驗(yàn)并播放動畫畫出等效電路圖實(shí)驗(yàn)探究2：

在向線圈中插入條形磁鐵的實(shí)驗(yàn)中，磁鐵的磁場越強(qiáng)、插入的速度越快，產(chǎn)生的感應(yīng)電流就越大。實(shí)驗(yàn):電磁感應(yīng)插磁鐵實(shí)驗(yàn)探究3:一、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理B：穩(wěn)恒均勻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度；L：導(dǎo)體有效長度；V：導(dǎo)體相對磁場運(yùn)動速度。導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場中運(yùn)動N匝線圈處于變化的磁場中兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。開磁路變磁通式：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(xiǎn)而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。1、變磁通式閉磁路變磁通式：感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。

2、恒定磁通式2、恒定磁通式B0：工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；l：每匝線圈平均長度；N：線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù)；v：相對運(yùn)動速度。二、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性Rf：測量電路輸入電阻；R：線圈等效電阻。傳感器的電流靈敏度為輸出電壓和電壓靈敏度分別為為了保證傳感器輸出的線性度，要保證線圈始終在均勻磁場內(nèi)運(yùn)動。

提高靈敏度方法：

選用具有磁能積較大的永久磁鐵；盡量小的氣隙長度，以提高氣隙磁通密度B