CH7磁電式傳感器-課件

1、CH7磁電式傳感器-PPT課件CH7磁電式傳感器-PPT課件7.1 磁電感應式傳感器 磁電感應式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用電磁感應原理將被測量轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。可以實現(xiàn)振動、位移、轉(zhuǎn)速等被測量的測量。特點：1.不需要輔助電源， 就能把被測對象的機械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器。 2.輸出功率大， 性能穩(wěn)定。3.具有一定的工作帶寬（101000 Hz）。 9/21/202227.1 磁電感應式傳感器 磁電感應式傳感器又 7.1.1 磁電感應式傳感器工作原理 根據(jù)電磁感應定律， 當導體在穩(wěn)定均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導體內(nèi)產(chǎn)生的感應電勢為 式中: B 穩(wěn)恒均勻磁場

2、的磁感應強度； l 導體有效長度；v 導體相對磁場的運動速度。 9/21/20223 7.1.1 磁電感應式傳感器工作原理式 當一個W匝線圈相對靜止地處于隨時間變化的磁場中時，設穿過線圈的磁通為，則線圈內(nèi)的感應電勢e與磁通變化率d/dt有如下關(guān)系： 根據(jù)以上原理，設計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通（磁阻）式和恒磁通式。 9/21/20224 當一個W匝線圈相對靜止地處于隨時間變化的磁場開磁路變磁通式：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

3、積。特點：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而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。 9/21/20225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)閉磁路變磁通式：由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。 當轉(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電動勢。 感應電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。 9/21/20226閉磁路變磁通式：由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應恒磁通式：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

4、不變，因而氣隙中磁通也恒定不變。 運動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式），動圈式和動鐵式的工作原理是完全相同。 9/21/20227恒磁通式：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當殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大， 當振動頻率足夠高（遠大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，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動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線， 從而產(chǎn)生感應電勢為 9/21/20228當殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對 7.1.

5、2 磁電感應式傳感器基本特性 當測量電路接入磁電傳感器電路時，如圖所示，磁電傳感器的輸出電流Io為 傳感器的電流靈敏度為 9/21/20229 7.1.2 磁電感應式傳感器基本特性傳感器的電流靈而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為 當傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、受到機械振動或沖擊時，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 9/21/202210而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為 當傳感器的工作溫度發(fā)生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，將產(chǎn)生一定的交變磁通I，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

6、氣隙磁通變化。線圈運動速度方向不同時，使恒定磁通或增大，或減小，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，非線性越嚴重。 9/21/2022111. 非線性誤差9/21/202213 2. 溫度誤差 當溫度變化時，上式右邊三項都不為零，銅線每攝氏度變化量為dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-2，dB/B每攝氏度的變化量決定于永久磁鐵的磁性材料。對鋁鎳鈷永久磁合金，dB/B-0.0210-2，這樣可得近似值如下： 需要進行溫度補償9/21/202212 2. 溫

7、度誤差需要進行溫度補償9/21/202214溫度補償通常采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。 它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分掉一小部分。 當溫度升高時， 熱磁分流器的磁導率顯著下降，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)。 9/21/202213溫度補償9/21/2022157.1.3 磁電感應式傳感器的測量電路 傳感器測量的是振動速度參數(shù)，若在測量電路中接入積分電路，則輸出電勢與位移成正比；若在測量電路中接入微分電路，則其輸出與加速度成正比。 9/21/2022147.1.3 磁電

8、感應式傳感器的測量電路 傳感器測量的是振動7.1.4 磁電感應式傳感器的應用 1. 動圈式振動速度傳感器 如圖7-6 ，其結(jié)構(gòu)主要特點是，鋼制圓形外殼，里面用鋁支架將圓柱形永久磁鐵與外殼固定成一體，永久磁鐵中間有一小孔，穿過小孔的芯軸兩端架起線圈和阻尼環(huán)，芯軸兩端通過圓形膜片支撐架空且與外殼相連。工作時，傳感器與被測物體剛性連接，當物體振動時， 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電動勢，線圈的輸出通過引線輸出到測量電路。9/21/2022157.1.4 磁電感應式傳感器的應用9/21/2022

9、17圖7-6 動圈式振動速度傳感器 心軸 2. 外殼 3.圓形膜片 4.鋁支架 5.永久磁鐵6. 工作線圈 7 .阻尼環(huán) 8.引線9/21/202216圖7-6 動圈式振動速度傳感器 9/21/2022182. 磁電式扭矩傳感器 如圖7-7。在驅(qū)動源和負載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤。它們旁邊裝有相應的兩個磁電傳感器。傳感器的檢測元件部分由永久磁鐵、感應線圈和鐵芯組成。永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線與齒形圓盤交鏈。當齒形圓盤旋轉(zhuǎn)時，圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變化，于是磁通量也發(fā)生變化，在線圈中感應出交流電壓， 其頻率在數(shù)值上等于圓盤上齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)的乘積。當扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時，兩個磁電傳感器輸出的感應電

10、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。 9/21/2022172. 磁電式扭矩傳感器9/21/202219圖7-7 磁電式扭矩傳感器工作原理圖圖7-8 磁電式傳感器結(jié)構(gòu)圖 9/21/202218圖7-7 磁電式扭矩傳感器工作原理圖圖7-8 磁電式傳感器7.2 霍爾式傳感器7.2.1 霍爾效應及霍爾元件 霍爾效應：置于磁場中的靜止載流導體，當它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導體上垂直于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應。該電勢稱霍爾電勢。這一現(xiàn)象是美國物理學家霍爾（A.H.Hall，18

11、551938）于1879年在研究金屬的導電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的?；魻栃撕笤跍y量、自動化、計算機和信息技術(shù)等領域得到了廣泛的應用，比如測量磁場的高斯計。 9/21/2022197.2 霍爾式傳感器7.2.1 霍爾效應及霍爾元件 在霍爾效應發(fā)現(xiàn)約100年后，德國物理學家克利青(Klaus von Klitzing, 1943-)等在研究極低溫度和強磁場中的半導體時發(fā)現(xiàn)了量子霍耳效應這是當代凝聚態(tài)物理學令人驚異的進展之一，克利青為此獲得了1985年的諾貝爾物理學獎。之后，美籍華裔物理學家崔琦(Daniel Chee Tsui,1939- )和美國物理學家勞克林(Robert B.Laughlin，195

12、0-)、施特默(Horst L.St rmer，1949-)在更強磁場下研究量子霍爾效應時發(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍爾效應，這個發(fā)現(xiàn)使人們對量子現(xiàn)象的認識更進一步，他們?yōu)榇双@得了1998年的諾貝爾物理學獎。最近，復旦校友、斯坦福教授張首晟與母校合作開展了“量子自旋霍爾效應”的研究?！傲孔幼孕魻栃弊钕扔蓮埵钻山淌陬A言，之后被實驗證實。這一成果是美國科學雜志評出的2007年十大科學進展之一。如果這一效應在室溫下工作，它可能導致新的低功率的“自旋電子學”計算設備的產(chǎn)生。目前工業(yè)上應用的高精度的電壓和電流型傳感器有很多就是根據(jù)霍爾效應制成的,誤差精度能達到0.1%以下9/21/202220在霍爾效應發(fā)現(xiàn)約

13、100年后，德國物理學家克利青(Klaus 9/21/2022219/21/202223如圖，在垂直于外磁場B的方向上放置一導電板，導電板通以電流I，方向如圖所示。導電板中的電流使金屬中自由電子在電場作用下做定向運動。此時，每個電子受洛倫茲力fl的作用，fl 的大小為fl=eBv式中：e電子電荷； v電子運動平均速度；B磁場的磁感應強度。 9/21/202222如圖，在垂直于外磁場B的方向上放置一導電板，導電板通以電流I fl的方向在圖7-9中是向內(nèi)的，此時電子除了沿電流反方向作定向運動外，還在fl的作用下漂移，結(jié)果使金屬導電板內(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

14、霍爾電場，該電場強度為 （7-10） 式中, UH為電位差。b為導體寬度 9/21/202223 fl的方向在圖7-9中是向內(nèi)的，此時電子除 霍爾電場的出現(xiàn)，使定向運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 （7-11） 時， 則 EH=vB （7-12） 此時電荷不再向兩側(cè)面積累，達到平衡狀態(tài)。 9/21/202224 霍爾電場的出現(xiàn)，使定向運動的電子除了受洛倫 若金屬導電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n

15、，電子定向運動平均速度為v，則激勵電流I=nevbd，即 （7-13） 將式（7-13）代入式（7-12）得電場強度（7-14） 將上式代入式（7-10）得電位差（7-15） 9/21/202225 若金屬導電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n，電子定向運 令RH=1/ne，稱之為霍爾常數(shù)，其大小取決于導體載流子密度, 則 式中, KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。 9/21/202226 令RH=1/ne，稱之為霍爾常數(shù)，其大小取決于 2. 霍爾元件基本結(jié)構(gòu) 由霍爾片、四根引線和殼體組成的， 如圖。 霍爾片是一塊矩形半導體單晶薄片， 引出四根引線： 1、 1兩根引線加激勵電壓或電流，稱激勵電極（控制電極

16、）； 2、 2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磁金屬、 陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。 電路中， 霍爾元件一般可用兩種符號表示。 9/21/202227 2. 霍爾元件基本結(jié)構(gòu)9/21/202229 3. 霍爾元件基本特性 (1) 額定激勵電流和最大允許激勵電流 當霍爾元件自身溫升10時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵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電流，因而需要知道元件的最大允許激勵電流。改善霍爾元件的散熱條件，可以使激勵電流增加。 9/21/202228 3. 霍爾元件基本

17、特性9/21/202230 (2） 輸入電阻和輸出電阻 激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢對電路外部來說相當于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。 以上電阻值是在磁感應強度為零，且環(huán)境溫度在205時確定。 9/21/202229 (2） 輸入電阻和輸出電阻 9/21 (3） 不等位電勢和不等位電阻 當霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應強度為零， 則它的霍爾電勢應該為零，但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢。 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有： 霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上； 半導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

18、勵電流不均勻分布等。 9/21/202230 (3） 不等位電勢和不等位電阻 9/21/20不等位電勢也可用不等位電阻表示， 即 式中： U0不等位電勢； r0不等位電阻； I激勵電流?？梢钥闯觯坏任浑妱菥褪羌铍娏髁鹘?jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓。 9/21/202231不等位電勢也可用不等位電阻表示， 即 式中： U0不等位 (4） 寄生直流電勢 在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極輸出除了交流不等位電勢外，還有一直流電勢，稱為寄生直流電勢。 其產(chǎn)生的原因有： 激勵電極與霍爾電極接觸不良，形成非歐姆接觸， 造成整流效果； 兩個霍爾電極大小不對稱，則兩個電極點的熱容不同， 散熱狀態(tài)

19、不同而形成極間溫差電勢。 寄生直流電勢一般在1mV以下，它是影響霍爾片溫漂的原因之一。 9/21/202232 (4） 寄生直流電勢 9/21/202234 (5） 霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定磁感應強度和激勵電流下，溫度每變化1時，霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數(shù)。它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。 9/21/202233 (5） 霍爾電勢溫度系數(shù) 9/21/2022 4. 霍爾元件不等位電勢補償 不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超過霍爾電勢， 而實用中要消除不等位電勢是極其困難的，因而必須采用補償?shù)姆椒?。分析不等位電勢時，可以把霍爾元件等效為一個電橋， 用分析電橋平衡來補償不

20、等位電勢。 9/21/202234 4. 霍爾元件不等位電勢補償9/21/ 圖為霍爾元件的等效電路，其中A、 B為霍爾電極，C、 D為激勵電極，電極分布電阻分別用r1、r2、r3、r4表示，把它們看作電橋的四個橋臂。 9/21/202235 圖為霍爾元件的等效電路，其中A、 B為霍爾電 理想情況下，電極A、B處于同一等位面上， r1= r2= r3= r4 ，電橋平衡，不等位電勢U0為0。 實際上，由于A、 B電極不在同一等位面上，此四個電阻阻值不相等，電橋不平衡，不等位電勢不等于零。此時可根據(jù)A、 B兩點電位的高低，判斷應在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達到平衡， 從而使不等位電勢為零。9

21、/21/202236 理想情況下，電極A、B處于同一等位面上， r1= r2圖7-13 不等位電勢補償電路 幾種補償線路如圖7-13所示。圖（a）、 （b）為常見的補償電路， 圖（b）、（c）相當于在等效電橋的兩個橋臂上同時并聯(lián)電阻， 圖（d）用于交流供電的情況。 9/21/202237圖7-13 不等位電勢補償電路 幾種補償線路如圖7-13所示 5. 霍爾元件溫度補償 霍爾元件是采用半導體材料制成的，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當溫度變化時，霍爾元件的載流子濃度、 遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化，從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。 為了減小霍爾元件的溫度誤差， 除選用溫度系數(shù)小的

22、元件或采用恒溫措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供電是個有效措施，可以使霍爾電勢穩(wěn)定。但也只能是減小由于輸入電阻隨溫度變化所引起的激勵電流I的變化的影響。 9/21/202238 5. 霍爾元件溫度補償9/21/20224 霍爾元件的靈敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，它隨溫度變化將引起霍爾電勢的變化?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成 KH=KH0(1+T) （7-20） 式中： KH0溫度T0時的KH值； T=T-T0溫度變化量； 霍爾電勢溫度系數(shù)。 9/21/202239 霍爾元件的靈敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，它隨溫 大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)是正值，它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加T倍

23、。 但如果同時讓激勵電流Is相應地減小， 并能保持KH Is 乘積不變，也就抵消了靈敏系數(shù)KH增加的影響。 圖7-14就是按此思路設計的一個既簡單，補償效果又較好的補償電路。電路中Is為恒流源，分流電阻Rp與霍爾元件的激勵電極相并聯(lián)。當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻Rp自動地增大分流，減小了霍爾元件的激勵電流IH，從而達到補償?shù)哪康摹?圖7-14 恒流溫度補償電路 9/21/202240 大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)是正值，它們的霍爾 7.2.2 霍爾傳感器的應用 1. 霍爾式微位移傳感器 霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點，它不僅用于磁感應強度、有功功率及電能參數(shù)的測量， 也在位移測量中得到廣泛應用。 9/21/202241 7.2.2 霍爾傳感器的應用9/21/20224圖7-