傳感器第五章

1、傳感器第五章第1頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日恒定磁通式結(jié)構(gòu)如圖。它由永久磁鐵（磁鋼）、線圈、金屬骨架和殼體組成。（動(dòng)圈式）（動(dòng)鐵式）第2頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日工作原理： 測(cè)量時(shí)，殼體隨被測(cè)物體一起振動(dòng)，由于動(dòng)圈質(zhì)量較大故慣性較大，且連接彈簧較軟，若振動(dòng)頻率較高，則動(dòng)圈來不及跟隨一起振動(dòng)近于靜止不動(dòng)。所以在永久磁鐵與線圈間有接近于振動(dòng)體振動(dòng)速度的相對(duì)速度。這樣，線圈將切割永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線而產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。顯然，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、l、N0 均為一定，則電動(dòng)勢(shì)e與振動(dòng)速度v成正比。第3頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日

2、，16點(diǎn)46分，星期日變磁通式結(jié)構(gòu)如圖。由測(cè)量輪（固定在被測(cè)物體上）、軟鐵、線圈、永久磁鐵組成。（開磁路變磁通式）（閉磁路變磁通式）第4頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日工作原理測(cè)量輪隨被測(cè)物旋轉(zhuǎn)，磁路中的空氣隙將隨之變化，磁路的磁阻將隨之變化，磁路中磁通也隨之變化，則線圈中磁通也隨之變化，線圈中將產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。因測(cè)量輪旋轉(zhuǎn)一周，磁路磁阻也周期性變化二周，線圈中感生電動(dòng)勢(shì)也周期性的變化二周，則測(cè)量輪轉(zhuǎn)速與輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率為如關(guān)系為：第5頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日二、設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)此類型傳感器要注意如下問題1、合理選擇工作氣隙的大小影響磁

3、場(chǎng)強(qiáng)度理論證明,永久磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0與下列因素有關(guān)。第6頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日影響線圈體積氣隙體積大，氣隙間線圈體積可大，匝數(shù)可多，靈敏度提高，但同時(shí)也存在下列問題。第7頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日2、永久磁鐵的選擇材料選擇 高剩磁、低矯頑力。如鎳鋼、鈷鋼等。工藝選擇 依傳感器設(shè)計(jì)磁鐵形狀，盡可能使體積大。穩(wěn)定性處理 時(shí)效處理、高低溫處理、反復(fù)磁化、振動(dòng) 沖擊。第8頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日3、線圈繞組設(shè)計(jì)骨架問題 導(dǎo)電材料作骨架，由于電磁阻尼作用而使非線性誤差增加。故一般用絕緣材料作骨架

4、。線圈尺寸 保證線圈與磁路具有一定間隙前提下，盡量使其體積大（Nk ）線圈與磁鐵相對(duì)運(yùn)動(dòng)范圍 不能使線圈超出磁場(chǎng)范圍（如圖）線圈的電氣特性 主要是線圈內(nèi)阻R，要考慮R的溫升和與后續(xù)電路匹配。第9頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日三、誤差因素 （動(dòng)圈式為例，動(dòng)圈可等效如圖電路）第10頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日第11頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日主要誤差因素：線圈的“磁場(chǎng)效應(yīng)”；氣隙磁場(chǎng)的空間分布不均勻；溫度變化引起。第12頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日四、應(yīng)用一、振動(dòng)速度傳感器結(jié)構(gòu)原理

5、如圖。 質(zhì)量塊（阻尼器+線圈）由彈簧片支承懸于傳感器的殼體中，殼體與永久磁鐵構(gòu)成磁路固定在被測(cè)物體上。當(dāng)殼體隨被測(cè)物體振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊相對(duì)靜止而與殼體間形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e。其大小為：v質(zhì)量塊對(duì)殼體的相對(duì)速度第13頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日被測(cè)速度vx與質(zhì)量塊相對(duì)于殼體相對(duì)速度v的關(guān)系。質(zhì)量塊受力情況如圖，對(duì)于以殼體為參照系的非慣性坐標(biāo)系有：第14頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日兩邊進(jìn)行拉氏變換有：第15頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日第16頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)4

6、6分，星期日第二節(jié) 霍爾式傳感器運(yùn)用“霍爾效應(yīng)”而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電壓輸出的傳感器。一、工作原理與特性1、霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流通過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。（如圖）第17頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日第18頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日設(shè)電流密度為j，則有：若B與薄片有一夾角，則：VH=kHIBcos 顯然，通過此關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量磁場(chǎng)B或電流I的目的。第19頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日二、霍爾元件由薄片、引線、電極組成。（如圖）（結(jié)構(gòu)圖）（外形圖）

7、（符號(hào)）（基本電路）第20頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日制作要求：焊點(diǎn)要求是歐姆接觸 純電阻接觸，無結(jié)效應(yīng)；接觸點(diǎn)要點(diǎn)接觸 接觸面要小，接觸點(diǎn)電容小；注意薄片的內(nèi)阻特性 UH與I、B、Ri有關(guān)，電極焊接點(diǎn)要四點(diǎn)對(duì)稱。第21頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日三、誤差補(bǔ)償（一）零位誤差及補(bǔ)償零位誤差 霍爾元件在沒有外磁場(chǎng)作用時(shí)，仍有電壓輸出。即：零位誤差不等位電動(dòng)勢(shì)；寄生直流電動(dòng)勢(shì)。第22頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日1、不等位電動(dòng)勢(shì)及其補(bǔ)償不等位電動(dòng)勢(shì) 由于霍爾輸出端兩側(cè)電極點(diǎn)不能完全位于同一等位面上，而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)

8、輸出。電極不對(duì)稱，而造成兩側(cè)電極不在同一等位面上。電極對(duì)稱，但因霍爾片電阻率不均勻，厚薄不均勻， 控制電流的電極接觸不良而造成等位面歪斜。第23頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日補(bǔ)償 霍爾元件可等效為一個(gè)四臂電橋，如圖。對(duì)于電橋，可以通過在橋臂上并聯(lián)可調(diào)電阻。如圖。對(duì)稱補(bǔ)償溫度穩(wěn)定性好。第24頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日2、寄生直流電動(dòng)勢(shì)寄生直流電動(dòng)勢(shì) 當(dāng)霍爾片采用交流供電，則霍爾不等位電動(dòng)勢(shì)輸出除了有交流不等位電動(dòng)勢(shì)外，還有直流電動(dòng)勢(shì)分量，此直流電動(dòng)勢(shì)分量稱為寄生直流電動(dòng)勢(shì)。 寄生直流電動(dòng)勢(shì)是由于電極接觸點(diǎn)的結(jié)效應(yīng)、接觸點(diǎn)的電容效應(yīng)、及焊

9、點(diǎn)大小不等、熱容量不同而產(chǎn)生的。補(bǔ)償 盡量使電極歐姆接觸，器件散熱均勻，引線分布合理。第25頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日(二）霍爾元件的溫度誤差及其補(bǔ)償 一般半導(dǎo)體霍爾片的電阻率（）、遷移率()、濃度(n)等都隨溫度變化而變化。所以，溫度的變化將致使霍爾電動(dòng)勢(shì)輸出變化而產(chǎn)生溫度誤差。為減小溫度誤差可使用溫度補(bǔ)償電路，下面介紹幾種溫度誤差補(bǔ)償方法。第26頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日1、采用恒流源供電和輸入電路并聯(lián)電阻補(bǔ)償電路如圖。采用恒流源供電且并聯(lián)一個(gè)電阻RP，則溫度穩(wěn)定性提高第27頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，

10、星期日第28頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日為使霍爾電動(dòng)勢(shì)不隨溫度變化而變化，必須保證t0和t時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)相等。顯然，選取RP使其滿足上式，可使溫度誤差減到極小。第29頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日2、合理選取負(fù)載電阻的阻值如圖?；魻栐敵龆私迂?fù)載RL（放大器）第30頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日 由上式可知，通過串、并聯(lián)電阻的方法使上式成立來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償溫度誤差的目的。第31頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日3、采用恒壓源和輸入回路中串聯(lián)電阻補(bǔ)償電路如圖。第32頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日為使霍爾電動(dòng)勢(shì)不隨溫度變化而變化，必須保證t0和t時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)相等。顯然，選取RS使其滿足上式，可使溫度誤差減到極小。第33頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)46分，星期日4、采用溫度補(bǔ)償元件（如熱敏電阻、電阻絲等）如圖為四種補(bǔ)償電路。補(bǔ)償元件的阻值變化與霍爾元件的阻值變化要保證輸出穩(wěn)定。第34頁(yè)，共36頁(yè)，2022年，5月