第五章磁電式傳感器

1、第五章 磁電式傳感器 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感器。 它不需要輔助電源它不需要輔助電源就能把被測對象的機(jī)械量機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電電信號, 是有源傳感器。由于它輸出功率大且性能穩(wěn)定, 具有一定的工作帶寬（101000 Hz）, 所以得到普遍應(yīng)用。 定義定義 利用電磁感應(yīng)原理電磁感應(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感器。 直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，是有源傳有源傳感器。感器。第一節(jié) 磁電感應(yīng)式傳感器一、類型及其工作原理電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律N匝線圈在磁場中運(yùn)動切割

2、磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e的大小取決于穿過線圈的磁通 的變化率，即deNdt SN分類：恒定磁通式：動圈式、動鐵式 變磁通式：開磁路、閉磁路 當(dāng)線圈的導(dǎo)體與磁場之間做相對切割磁力線運(yùn)動時，在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由此可設(shè)計一類恒磁通式磁電傳感器。用于測量振動及線速度。NSLveB工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，V運(yùn)動速度，L每砸線圈平均長度， 工作匝數(shù)0eBvlN 0N（一）恒定磁通式動圈式動鐵式 恒磁通式磁電傳感器由永久磁鐵、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

3、）, 也可以是磁鐵（動鐵式）, 動圈式（a）和動鐵式（ (b)）的工作原理是完全相同的。 當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時, 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, 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 特點(diǎn)： 1、磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場。氣隙不變，磁通不變。 2、磁鐵與線圈之間相對切割磁力線運(yùn)動。 線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為0eBlN v 0eBlN v 式中: B工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度; 每匝線圈

4、平均長度; 線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù); v相對運(yùn)動速度。 l0N（二）變磁通式（二）變磁通式 又稱為變磁阻式或變氣隙式，常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。開磁路變磁通式開磁路變磁通式1-被測旋轉(zhuǎn)體，2-測量齒輪，3-線圈，4-軟鐵，5-永久磁鐵磁路磁阻變化磁通變化 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, 隨之一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個齒, 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)電勢感應(yīng)電勢,其變化頻率等于被測其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪齒數(shù)的乘積。轉(zhuǎn)速與測量齒輪齒數(shù)的乘積。/60fZ n當(dāng)齒輪的齒數(shù)Z確定以后，若能測出f就可求出轉(zhuǎn)速n(n6

5、0fz)。 這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號小，轉(zhuǎn)速高時信號失真也大，在振動強(qiáng)或轉(zhuǎn)速高的場合，往往采用閉磁路。閉磁路變磁通式閉磁路變磁通式變磁通式傳感器對環(huán)境條件要求不高，溫度范圍-150+90，可以在油、水霧、灰塵等條件下工作。磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動態(tài)測量。磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動態(tài)測量。1-被測旋轉(zhuǎn)體，2-測量齒輪，3-線圈，4-軟鐵，5-永久磁鐵/30fn/60fZ n 閉磁路變磁通式, 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)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時, 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

6、起磁路中磁通的變化,使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感生電動勢。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。 二、設(shè)計要點(diǎn)二、設(shè)計要點(diǎn)1.工作氣隙2永久磁鐵 使永久磁鐵盡可能工作在最大磁能積上。14ddl3線圈組件 在高精度傳感器中，線圈磁場效應(yīng)不能忽略，采用補(bǔ)償線圈與工作線圈相串聯(lián)加以補(bǔ)償。d工作氣隙，l工作氣隙寬度三、三、 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用1. 動圈式振動速度傳感器動圈式振動速度傳感器1、8-圓形彈簧片，圓形彈簧片，2-圓環(huán)形阻尼器，圓環(huán)形阻尼器，3-永久磁鐵，永久磁鐵，4-鋁架，鋁架，5-心軸，心軸，6-工作線圈，工作線圈，7-殼體，殼體，9-引線引線工作原理工作原理 傳感

7、器與被測物體剛性連接, 當(dāng)物體振動時, 傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動, 而架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動。 因而, 磁路空氣隙中的線圈切割磁力線而產(chǎn)生正比于振動速度的感應(yīng)電動勢,線圈的輸出通過引線輸出到測量電路。該傳感器測量的是振動速度參數(shù)。2.磁電式扭矩傳感器磁電式扭矩傳感器 扭矩的電測技術(shù)主要是通過傳感器把扭矩這個機(jī)械量扭矩這個機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相位轉(zhuǎn)換成相位、然后用相位計來測量相位，從而達(dá)到測量扭矩的目的。 系統(tǒng)為開磁路變磁通系統(tǒng)。要求齒形圓盤制作完全一致。 （1）當(dāng)扭距為0時，兩個磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2完全一致，（同頻、同相、同幅）相位差為0。 （2）當(dāng)有扭矩作用在扭

8、轉(zhuǎn)軸上時, 兩個磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2存在相位差。這個相位差與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比。 這樣傳感器就可以把扭矩引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號。 第二節(jié)第二節(jié) 霍爾式傳感器霍爾式傳感器一、工作原理一、工作原理1. 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 將金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場B中，當(dāng)有電流通過時，在垂直于電流與磁場的方向上產(chǎn)生霍爾電勢UH。此現(xiàn)象為霍爾效應(yīng)。HHUK IB靈敏度系數(shù)，表示單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時霍爾電動勢的大小靈敏度系數(shù)，表示單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時霍爾電動勢的大小電子在磁場中受洛倫茲力作用（右手螺旋定則）)(Bvefl電子向極板一方偏轉(zhuǎn)，積累電子。一邊積累負(fù)電子，另一邊積

9、累正電荷，形成電場。eEfE電場力平衡。時，電荷積累達(dá)到動態(tài)當(dāng)lEff其中E為電場強(qiáng)度其中e為電子電荷量正負(fù)電極之間形成電勢為霍爾電勢。lEHHHHHffEvBUEUbvBbIInevbdvbdneRIBUIBK IBnedd HR霍爾系數(shù)1HRne由載流材料的物理性質(zhì)決定N電子濃度b-薄片的寬度，d-厚度n-單位體積中的電子數(shù)Hk靈敏度系數(shù)，與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)/HHkRd 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RH值大, 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, 但電阻率很小; 而絕緣材料電阻率極高, 但

10、載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片。 HR(二二)霍爾元件霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成a, b兩根引線，稱為控制電流端引線c, d兩根引線，稱為霍爾輸出引線霍爾元件符號基本電路基本電路RW調(diào)節(jié)控制電流的大小。RL為負(fù)載電阻，可以為放大器的內(nèi)阻或指示器內(nèi)阻?；魻栃?yīng)建立的時間極短（10-1210-14S），I、即可以是直流，也可以是交流。 二、霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償二、霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償 產(chǎn)生誤差的原因：一是制作工藝、制作水平的限制。二是外界溫度的影響。 （1）不等位電勢）不等位電勢U0及其補(bǔ)償及其補(bǔ)償 B=0，I0，UH=U0 0。 U0為不等

11、位電勢。 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因： 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; 激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。兩電極點(diǎn)不在兩電極點(diǎn)不在同一等電位面上同一等電位面上等電位面歪斜等電位面歪斜不等位電勢補(bǔ)償方法：不等位電勢補(bǔ)償方法：可以采用分析電阻的方法來找到不等位電勢的補(bǔ)償方法。 霍爾元件等效電路幾種不等位電動勢的補(bǔ)償電路(并電阻)不對稱補(bǔ)償簡單，對稱補(bǔ)償溫度穩(wěn)定性好等效為四臂電橋2.寄生直流電勢寄生直流電勢當(dāng)霍爾元件通以交流控制電流而不加外磁場時，霍爾輸出除了交流不等位電動勢外，還有直流電動勢分量，稱為寄生直流電動勢原因：原因：由于

12、元件的兩對電極不是完全歐姆接觸而形成整流效應(yīng);兩個霍爾電極的焊點(diǎn)大小不等、熱容量不同引起溫差所產(chǎn)生的。因此，元件在制作安裝時，盡量使電極歐姆連接，并做到散熱均勻，有良好的散熱條件。 （二） 霍爾元件溫度誤差及補(bǔ)償霍爾元件溫度誤差及補(bǔ)償 霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料半導(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)較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時, 霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)爾系數(shù)都將發(fā)生變化,致使霍爾電動勢變化，產(chǎn)生溫度誤差。 不變。的分流作用）并聯(lián)電阻由HPiiHHHURIRTKTIBKU(0;01.采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻采用恒流源

13、供電和輸入回路并聯(lián)電阻補(bǔ)償思想 溫度 時，元件靈敏度系數(shù)為 ,輸入電阻為 ，溫度為t時，它們分別為 ，0Hk0iR0tHtkitR001()HtHkktt001()itiRRttPHIII因為PHPiR IIRR因此iHPPRIRI霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)， 元件電阻的溫度系數(shù)溫度為t時001()PPHtPitPiRRIIIRRRRtt0000PHPiR IIRR溫度 時0t為了使霍爾電勢不隨溫度而變化，必須保證00HHHtHtkIBk I B將有關(guān)式代入可得0PiRR通?；魻栐撵`敏度溫度系數(shù)遠(yuǎn)小于元件的電阻溫度系數(shù)，因此0PiRR2合理選取負(fù)載電阻合理選取負(fù)載電阻 的阻值的阻值LR00001()1()LHLLoR UttURRtt使00()LdUd tt得01LoRR3采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻4采用溫度補(bǔ)償元件采用溫度補(bǔ)償元件(如熱敏電阻、電阻絲等如熱敏電阻、電阻絲等)a)輸入回路串接熱敏電阻，輸入回路串接熱敏電阻，b)輸入回路并接電阻絲輸入回路并接電阻絲 熱敏電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)熱敏電阻具有負(fù)的溫度系數(shù) 電阻絲具有正溫度系數(shù)電阻絲具有正溫度系數(shù)Abc霍爾元件為銻化銦，霍爾輸出具有負(fù)溫度系數(shù)霍爾元件為銻化銦，霍爾輸出具有負(fù)溫度系數(shù)c)輸出回路串接熱敏電阻，輸出回路串接熱敏電阻，d)輸入回路并接熱敏電阻輸入回路并接熱敏電阻 d中