傳感器技術(shù) 課件 第6章 磁電式傳感器

第6章

磁電式傳感器6.1磁電感應(yīng)式傳感器

磁電式傳感器是通過(guò)磁電作用將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。原理：磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的傳感器。是一種機(jī)-電能量換型傳感器，不需供電電源，是直接從被測(cè)物體吸取機(jī)械能量并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。（它還可以作為逆變器使用，稱(chēng)之為反饋式傳感器、力平衡式傳感器。）特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，有具有一定的頻率響應(yīng)范圍（10～1000Hz），適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等測(cè)量。6.1.1工作原理和結(jié)構(gòu)類(lèi)型

磁電感應(yīng)式傳感器是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，線(xiàn)圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正比于線(xiàn)圈所包圍的磁鏈對(duì)時(shí)間的變化率，即N--線(xiàn)圈匝數(shù)：Φ--線(xiàn)圈所包圍的磁通量。若線(xiàn)圈相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)為速度v或角轉(zhuǎn)度ω時(shí)，上式改寫(xiě)為

e＝-NBlv

或e＝-NBsω在傳感器中，當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后．即B、l、N、s均為定值，那么感應(yīng)電勢(shì)e與線(xiàn)圈相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度（v或ω）成正比。根據(jù)上述原理。人們?cè)O(shè)計(jì)了兩種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)：一種是變磁通式；另一種是恒定磁通式。1變磁通式磁電感應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

圖(a)為開(kāi)磁路變磁通式傳感器：當(dāng)被測(cè)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其變化頻率等于被測(cè)轉(zhuǎn)速與測(cè)量齒輪上齒數(shù)的乘積。圖(b)為閉磁路變磁通式傳感器：當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。2恒磁通式磁電感應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，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(dòng)部件可以是線(xiàn)圈（動(dòng)圈式）（圖（a）），也可以是磁鐵（動(dòng)鐵式）（圖(b)），動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，由于彈簧較軟，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對(duì)較大，當(dāng)振動(dòng)頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件慣性很大，來(lái)不及隨振動(dòng)體一起振動(dòng)，近乎靜止不動(dòng)，振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線(xiàn)圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體振動(dòng)速度，磁鐵與線(xiàn)圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線(xiàn)，從而產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)速度成正比的感應(yīng)電勢(shì)。

磁電感應(yīng)式傳感器只適用于測(cè)量動(dòng)態(tài)物理量，因此動(dòng)態(tài)特性是其主要性能之一。因磁電感應(yīng)式傳感器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)屬機(jī)械系統(tǒng)，應(yīng)用機(jī)械阻抗概念分析機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)有很多方便之處?？梢杂煤?jiǎn)單的代數(shù)方法解出描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的傳遞函數(shù)方程，而不必去解微分方程，但分析的結(jié)果則完全一致。6.1.2特性簡(jiǎn)要分析

當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場(chǎng)干擾、機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí)，其靈敏度發(fā)生變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差，相對(duì)誤差為實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮非線(xiàn)性誤差、溫度誤差等指標(biāo)。6.1.3測(cè)量電路一、測(cè)量電路的方框圖

磁電感應(yīng)式傳感器直接輸出感應(yīng)電勢(shì)，由于該傳感器通常具有較高的靈敏度，所以一般不需要增益放大器。但磁電感應(yīng)式傳感器是速度傳感器，如要獲取位移或加速度信號(hào)，就需配用積分電路或微分電路。二、積分電路有源積分電路原理圖：無(wú)源積分電路原理圖：有源和無(wú)源積分電路的對(duì)數(shù)漸近幅頻特性：一個(gè)實(shí)用的有源積分電路圖：三、微分電路無(wú)源微分電路基本有源微分電路實(shí)用有源微分電路有源微分電路的幅頻特性6.1.4磁電感應(yīng)式傳感器應(yīng)用舉例一、磁電感應(yīng)式振動(dòng)速度傳感器（CD-1型振動(dòng)速度傳感器）1、8—

圓形彈簧片，2—圓環(huán)形阻尼器，3—永久磁鐵，4—鋁架，5—芯軸，6—線(xiàn)圈，7—?dú)んw，9—引線(xiàn)磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器1—轉(zhuǎn)軸，2—轉(zhuǎn)子，3—永久磁鐵，4—線(xiàn)圈，5—定子二、磁電感應(yīng)式扭矩傳感器測(cè)量扭矩時(shí)，兩個(gè)相同磁電感應(yīng)式傳感器的轉(zhuǎn)軸分別固定在被測(cè)軸的兩端，其外殼固定不動(dòng)。安裝時(shí)將一個(gè)傳感器的定子齒輪的齒與其轉(zhuǎn)子齒輪的齒相對(duì)；另一個(gè)傳感器的定子齒輪的槽與轉(zhuǎn)子齒輪的齒相對(duì)。當(dāng)被測(cè)軸無(wú)轉(zhuǎn)矩時(shí)，扭轉(zhuǎn)角為零，兩傳感器線(xiàn)圈輸出信號(hào)相同，相位差為0；轉(zhuǎn)軸以一定的角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)傳感器輸出相位差發(fā)生變化，不再為0，且隨兩齒輪所在橫截面之間相對(duì)轉(zhuǎn)角的增加而增大。設(shè)工作時(shí)，軸兩端產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角β，此時(shí)兩個(gè)傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將產(chǎn)生附加相位差β0。扭轉(zhuǎn)角β與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相位差β0之間的關(guān)系為（n為傳感器定子或轉(zhuǎn)子的齒數(shù)）：可知，傳感器的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的附加相位差的大小與相對(duì)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩成正比。由測(cè)量電路將相位差轉(zhuǎn)換為時(shí)間差，就可以測(cè)出扭矩。6.2霍爾式傳感器

霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量，如電流、磁場(chǎng)、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。

當(dāng)載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體處于與電流相垂直的磁場(chǎng)中時(shí)，在其兩端將產(chǎn)生電位差，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。6.2.1霍爾效應(yīng)和霍爾元件材料

一塊長(zhǎng)為l、寬為b、厚為d的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)（磁場(chǎng)垂直于薄片）中，當(dāng)有電流I流過(guò)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)UH。這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。一、霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)的輸入輸出特性為：（當(dāng)磁場(chǎng)與薄片法線(xiàn)有α夾角時(shí)）霍爾式傳感器是由霍爾元件所組成，可測(cè)微小位移、壓力、機(jī)械振動(dòng)等。二、霍爾元件材料1．鍺(Ge)：N型及P型均可。2．硅(Si)：N型及P型均可。3．砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)：這兩種材料的特性很相似。6.2.2霍爾元件構(gòu)造及測(cè)量電路一、構(gòu)造霍爾元件由霍爾片、四極引線(xiàn)和殼體組成。二、測(cè)量電路

激勵(lì)電流由電源E供給，可變電阻RP用來(lái)調(diào)節(jié)激勵(lì)電流I的大小。RL為輸出霍爾電勢(shì)UH的負(fù)載電阻。通常它是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗。霍爾效應(yīng)建立的時(shí)間極短（10-12～10-14S），I即可以是直流，也可以是交流。若被測(cè)物理量是I、B或者IB乘積的函數(shù)，通過(guò)測(cè)量霍爾電勢(shì)UH就可知道被測(cè)量的大小。6.2.3霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)一、額定激勵(lì)電流IH

使霍爾元件溫升10℃所施加的控制電流值稱(chēng)為額定激勵(lì)電流。通常用IH表示。當(dāng)霍爾元件做好之后限制額定電流的主要因素是散熱條件。二、輸入電阻Ri

它是指控制電流極間的電阻值。它規(guī)定要在室溫(20±5℃)的環(huán)境溫度中測(cè)取。三、輸出電阻Rs

它是指霍爾電極間的電阻值。規(guī)定中要求在(20±5℃)的條件下測(cè)取。四、不等位電勢(shì)及零位電阻r0

當(dāng)霍爾元件通以控制電流IH而不加外磁場(chǎng)時(shí)，它的霍爾輸出端之間仍有空載電勢(shì)存在，該電勢(shì)就稱(chēng)為不等位電勢(shì)（或零位電勢(shì)）。產(chǎn)生原因：

1霍爾電極安裝位置不正確；

2半導(dǎo)體材料不均勻或幾何尺寸不對(duì)稱(chēng)；

3因控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布等。

零位電阻r0：其中：U0為不等位電勢(shì)（或稱(chēng)零位電勢(shì)）；r0為不等位電阻（或稱(chēng)零位電阻）零位電勢(shì)及零位電阻都是在直流下測(cè)得的。五、寄生直流電勢(shì)

當(dāng)不加外磁場(chǎng)，控制電流改用額定交流電流時(shí)，霍爾電極間的空載電勢(shì)為直流與交流電勢(shì)之和。其中的交流霍爾電勢(shì)與前述零位電勢(shì)相對(duì)應(yīng)，而直流霍爾電勢(shì)是個(gè)寄生量，稱(chēng)為寄生直流電勢(shì)V。六、熱阻RQ

它表示在霍爾電極開(kāi)路情況下，在霍爾元件上輸入1mW的電功率時(shí)產(chǎn)生的溫升，單位為℃／mW。所以稱(chēng)它為熱阻是因?yàn)檫@個(gè)溫升的大小在一定條件下與電阻有關(guān)。6.2.4霍爾元件的補(bǔ)償電路一、不等位電勢(shì)的補(bǔ)償二、溫度補(bǔ)償

一般半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度變化而變化，為此需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。1分流電阻法

2電橋補(bǔ)償法測(cè)量電路6.2.5霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例1霍爾式位移傳感器2霍爾式壓力傳感器產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的磁路系統(tǒng)

霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器是利用霍耳效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開(kāi)關(guān)信號(hào)形式輸出?；舳_(kāi)關(guān)集成傳感器具有使用壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)磨損、無(wú)火花干擾、無(wú)轉(zhuǎn)換抖動(dòng)、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。3霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器3020T輸出VoutR=2kΩ+12V123（b）應(yīng)用電路

（a）外形

霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路123由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開(kāi)路輸出五部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；開(kāi)路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。

①

霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大BT整形地H②

霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的應(yīng)用

霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的接口電路RLVACVccVccVACVccKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的一般接口電路VACRL其他應(yīng)用：霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤(pán)，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線(xiàn)性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤(pán)。齒盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。SN線(xiàn)性霍爾磁鐵霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線(xiàn)集中穿過(guò)霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車(chē)防抱死裝置(ABS)中的應(yīng)用帶有微型磁鐵的霍爾傳感器若汽車(chē)在剎車(chē)時(shí)車(chē)輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)檢測(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車(chē)力的大小。

霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

普通直流電動(dòng)機(jī)使用的電刷和換向器

光驅(qū)用的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置