車輛檢測技術(shù)——磁電式傳感器

1、第六章磁電式傳感器第一節(jié)磁電感應(yīng)式傳感器磁電式傳感器簡稱感應(yīng)式傳感器，也稱電動式傳感器。 磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動勢的一種傳感器。它是一種機(jī)-電能量變換型傳感器，不需要外部供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍（一般為101000Hz），適用于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。磁電式傳感器分為磁電感應(yīng)式傳感器和霍爾式傳感器兩類。按工作原理不同，磁電感應(yīng)式傳感器可分為恒定磁通式和變磁通式，即動圈式傳感器和磁阻式傳感器。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)原理將被測量（如振動、 位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳

2、感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的 機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，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（ 101000Hz），所以得到普遍應(yīng)用。一工作原理ddtBl dX Blv根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運(yùn)動時(shí)，導(dǎo) 體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為：(6-1 )dt式中，B穩(wěn)恒均勻磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；l 導(dǎo)體有效長度；v 導(dǎo)體相對磁 場的運(yùn)動速度。當(dāng)一個(gè)W匝線圈相對靜止地處于隨時(shí)間變化的磁場中時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通d_為，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢e與磁通變化率dt有如下關(guān)系：(6-2 )根據(jù)以上原理，人們設(shè)計(jì)出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通

3、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 來測量旋轉(zhuǎn)物體的角 速度。圖6-1變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)1永久磁鐵；2軟磁鐵；3感應(yīng)線圈；4鐵齒輪；5內(nèi)齒輪；6外齒輪圖6-1 （ 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，隨被測體一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個(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，其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪上齒數(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(xiǎn)而不宜測 量高轉(zhuǎn)速的場合。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

4、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(shí)，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)生周期性變化的感應(yīng)電動勢，顯然，感應(yīng)電勢的頻 率與被測轉(zhuǎn)速應(yīng)正比。理0圖6-2恒定磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖（a）動圈式；（b）動鐵式圖6-2為恒定磁通式磁電傳感器典型結(jié)構(gòu)圖。它由永久磁鐵、線圈、彈簧、 金屬骨架等組成。磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，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)動部件可以是線圈（動 圈式），也可以是磁鐵（動鐵式）， 動圈式圖6-2 （ a）和動鐵式圖6-2 （ b）的工作原理是完全相同

5、的。當(dāng)殼體隨被 測振動體振動時(shí)，由于彈簧較軟，運(yùn)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(shí)，運(yùn)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(yùn)動速度接 近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運(yùn)動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢為：(6-eB0IWv式中：B工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；1 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(yùn)動速度。磁電感應(yīng)式傳感器基本特性圖6-3磁電式傳感器測量電路當(dāng)測量電路接人磁電傳感器電路時(shí)，如圖6-3所示，磁電傳感器的輸出電流10為：B0lWv式中：R RfR Rf(6-4)Rf

6、測量線路輸人電阻；R線圈等效電阻。傳感器的電流靈敏度為:SiB°IW(6-5)RRf而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為：B°IWvRfUo IoRfR RfSuUoB0IWR fR Rf當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、受到機(jī)械振動或沖擊時(shí), 其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測量誤差，其相對誤差為dSdB dl dRSIBIR(6-8)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(shí),將產(chǎn)生一定的交變磁通1，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6-4所示。當(dāng)傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場的運(yùn)動速度增

7、大時(shí)， 將產(chǎn)生較大的感應(yīng)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(yùn)動速度與圖6-4所示方向相反時(shí)，感應(yīng)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(yùn)動速度方向不同時(shí) ，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(shí)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，這種非線性失真越嚴(yán)重。為補(bǔ)償上述附加磁場干擾，可在傳感器中加入補(bǔ)償線圈，如圖6-2（ a）所示。補(bǔ)償線

8、圈通以經(jīng)放大K倍的電流。適當(dāng)選擇補(bǔ)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(bǔ)償?shù)哪康摹?溫度誤差0 43 1° 2 dB/''/B每攝氏度的變化量決定于永久磁鐵的當(dāng)溫度變化時(shí)，式（6-8）中右邊三項(xiàng)都不為零，對銅線而言每攝氏度變化 量為：dl|°.1671°4，dB/磁性材料。對鋁鎳鈷永久磁合金，B20.02 10這樣由式(6-8 )可得近似值如下：4.5%10C這一數(shù)值是很可觀的，所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償通常采用熱磁分流器。 熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。它在正常工作溫度下已 將空氣隙

9、磁通分路掉一小部分。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱 磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降，經(jīng) 它分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低，從而保持空氣隙的工 作磁通不隨溫度變化，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。第二節(jié)霍爾式傳感器霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器O 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 著而得到了應(yīng)用和發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁、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(shí)，載流導(dǎo)

10、體上平行于電流和磁場方向上的兩個(gè)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。如圖6-5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)電板中的電流使金屬中自由電子在電場作 用下做定向運(yùn)動。此時(shí)，每個(gè)電子受洛倫茲力f1的作用，f1的大小為：fl eBv(6-9 )式中：e 電子電荷；v 電子運(yùn)動平均速度；B磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。fl的方向在圖6-5中是向內(nèi)的，此時(shí)電子除了沿電流反方向作定向運(yùn)動外， 還在f1的作用下漂移，結(jié)果使金屬導(dǎo)電板內(nèi)側(cè)面積累電子，而外側(cè)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(qiáng)度為Uh(6-10)式中，Uh為電

11、位差?；魻栯妶龅某霈F(xiàn)，使定向運(yùn)動的電子除了受洛倫茲力作用外，還受到霍爾電 場力的作用，其力的大小為eEH此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著內(nèi)、外側(cè)面積累電 荷的增加，霍爾電場增大，電子受到的霍爾電場力也增大，當(dāng)電子所受洛倫磁力 與霍爾電場作用力大小相等方向相反，即eEH eBv（6-11）則：Eh Bv（6-12）此時(shí)電荷不再向兩側(cè)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(yùn)動平均速度為v，則 激勵(lì)電流I nevbd，即：Ivn ebd(6-13)將上式代入式（6-10 ）得式中令Rh式中，KhIBn ebdIBned(6-14 )(6-15 )1ne，稱之為霍爾常數(shù)，其大小取

12、決于導(dǎo)體載流子密度，則:Uh 警 KhIBd（6-16）Rhd稱為霍爾片的靈敏度。由式（6-16 ）可見，霍爾電勢正比于激勵(lì)電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，其靈敏度與霍爾系數(shù)r激勵(lì)極間電阻1R UElbd同時(shí)I彳nevbd個(gè)為%， 為電子遷移率），則: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。霍爾元件lbdln ebd(6-17)解得:(6-18)從式（6-18 ）可知，霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率 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

13、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。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。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(shí)其霍爾系數(shù)較大。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。2霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，它是由霍爾片、四根引線和殼體組成的，如圖6-6 (a)所示?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四根引線：1、1 '兩根引 線加激勵(lì)電壓或電流，稱激勵(lì)電極(控制電極)；2、2 &#

14、39;引線為霍爾輸出引線， 稱霍爾電極。霍爾元件的殼體是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。在電路 中，霍爾元件一般可用兩種符號表示，如圖6-6 ( b)所示。(a)外形結(jié)構(gòu)示意圖；(b)圖形符號1、1'激勵(lì)電極；2、2'霍爾電極圖6-6霍爾元件3霍爾元件基本特性(1) 額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流當(dāng)霍爾元件自身溫升10 C時(shí)所流過的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流。以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵(lì)電流稱為最大允許激勵(lì)電流。因霍爾電勢隨激勵(lì)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(lì)電流，因而需要知道元件的最 大允許激勵(lì)電流。改善霍爾元件的散熱條件，可以使激勵(lì)電流增加。

15、(2) 輸人電阻和輸出電阻激勵(lì)電極間的電阻值稱為輸人電阻?；魻栯姌O輸出電勢對電路外部來說相當(dāng)于一個(gè)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(qiáng)度為零，且環(huán)境溫度在20 C ± 5 C時(shí)所確定的。(3) 不等位電勢和不等位電阻當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為I時(shí)，若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，則它的 霍爾電勢應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零。這時(shí)測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢， 如圖6-7所示。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有：圖6-7不等位電勢示意圖 霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上； 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； 激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。不等位電勢也可用不等位電阻表示，即：Uo(6-19)式中：U不等位電勢；r 不等位電阻；I 激勵(lì)電流。由式（6-19）可以看出，不等位電勢就是激勵(lì)電流流經(jīng)不等位電阻r所產(chǎn)生 的電壓，如圖6-11所示。（4