《傳感器原理及應(yīng)用》課件-第7章

第7章磁電式傳感器7.1磁電感應(yīng)式傳感器

7.2霍爾式傳感器

7.3磁柵式傳感器

7.4磁敏傳感器

思考題與習(xí)題

7.1磁電感應(yīng)式傳感器

磁電感應(yīng)式傳感器簡稱感應(yīng)式傳感器，利用電磁感應(yīng)原理將運動速度轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢輸出。這種傳感器也屬于“雙向傳感器”，反向使用時可構(gòu)成力(力矩)發(fā)生器或電磁激振器等，所以也稱為電動式傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，具有一定的頻率響應(yīng)范圍(10～1000Hz)。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，該傳感器只適用于動態(tài)測量，廣泛用來測量振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等。7.1.1工作原理及結(jié)構(gòu)類型

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，當匝數(shù)為N的線圈在磁場中運動而切割磁力線，或者通過閉合線圈的磁通j發(fā)生變化時，線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢e，即

1.恒磁通式

恒磁通式的結(jié)構(gòu)如圖7.1所示，由永久磁鐵、線圈、彈簧和骨架等組成。(7.1)圖7.1恒磁通式磁電感應(yīng)傳感器的結(jié)構(gòu)動圈式和動磁式的工作原理完全相同。當傳感器隨被振動體一起振動時，運動部件的質(zhì)量相對較大，慣性很大，來不及隨振動體一起振動。當振動頻率遠高于傳感器固有頻率時，由于彈簧較軟，振動能量幾乎都被彈簧吸收，線圈與永久磁鐵之間的相對運動速度接近于振動體的振動速度。設(shè)工作氣隙中的磁感應(yīng)強度為B，每匝線圈的平均長度為l，線圈處于工作氣隙磁場中的匝數(shù)為N(工作匝數(shù))，線圈和永久磁鐵之間的相對運動速度為v，則線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e為

e=－NBlv

(7.2)

傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸確定后，式(7.2)中的B、l及N均為常數(shù)，感應(yīng)電勢e正比于線圈與磁場的相對運動速度v，由此可用來測量直線速度，其靈敏度為

2.變磁通式

變磁通式的線圈和永久磁鐵都是靜止的，感應(yīng)電勢由變化的磁通產(chǎn)生，如圖7.2所示。(7.3)圖7.2變磁通式磁電感應(yīng)傳感器的結(jié)構(gòu)圖7.2(a)是一種開磁路變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器，齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)軸上并與其一起轉(zhuǎn)動。齒輪旋轉(zhuǎn)時，它與軟磁鐵的間隙隨之變化，從而導(dǎo)致氣隙磁阻和穿過氣隙的磁通發(fā)生變化，結(jié)果在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。感應(yīng)電勢的頻率f取決于齒輪的齒數(shù)z和轉(zhuǎn)速n(單位為r/min)，其關(guān)系為(7.4)7.1.2動態(tài)特性

圖7.3所示為動圈式磁電感應(yīng)速度傳感器的示意圖。測量時，將傳感器的殼體與被測物體以足夠大的剛度聯(lián)接在一起。傳感器輸入量為速度v，輸出量為感應(yīng)電勢e。設(shè)負載呈現(xiàn)電阻特性，且RL遠大于線圈阻抗；運動線圈的固有角頻率為ωn，質(zhì)量為m；電磁阻尼系數(shù)為c，則傳遞函數(shù)為(7.5)圖7.3動圈式磁電感應(yīng)速度傳感器7.1.3誤差及其補償

傳感器在使用時需要外接測量電路，若測量電路的內(nèi)阻為RL，傳感器線圈等效電阻為R，則輸出電流i=e/(R+RL)，由式(7.2)得傳感器的電流靈敏度Si為

當傳感器的工作環(huán)境溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、機械振動與沖擊時，都將引起R、B、l發(fā)生變化，從而使電流靈敏度發(fā)生變化，由此產(chǎn)生的相對誤差γ為(7.6)(7.7)

1.永久磁鐵穩(wěn)定性分析

永久磁鐵磁感應(yīng)強度的穩(wěn)定性直接影響工作氣隙中磁感應(yīng)強度B的穩(wěn)定性。下面分析影響永久磁鐵磁性能的因素和相應(yīng)的處理措施。

(1)時間因素的影響：試驗表明，永久磁鐵的磁性能一般隨時間而變化。其主要原因是永久磁鐵材料在淬火和鑄造后存在內(nèi)應(yīng)力，但隨著時間的推移，內(nèi)應(yīng)力逐漸消失。一般應(yīng)在充磁前進行退火處理，消除內(nèi)應(yīng)力。

(2)外界磁場的影響：永久磁鐵受到外界交流磁場或反向直流磁場作用時，使工作點不穩(wěn)定，從而使B發(fā)生變化。為此，除采取屏蔽措施外，還應(yīng)進行交流穩(wěn)磁處理。

(3)溫度的影響：溫度升高，永久磁鐵的剩余磁感應(yīng)強度減小，且一般不能恢復(fù)到原位置，恢復(fù)程度主要與材料冶金結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有關(guān)。鋁鎳鈷永磁合金在冶金結(jié)構(gòu)上有較高的溫度穩(wěn)定性，在500℃以下工作時，磁性能幾乎不變。永久磁鐵的溫度穩(wěn)定性與工作點的位置也有明顯關(guān)系，工作點選擇在最大磁能積附近時，剩余磁感應(yīng)強度的溫度系數(shù)較小，且一般為負值。為提高溫度穩(wěn)定性，一般要進行3～5次溫度穩(wěn)定性循環(huán)處理。

(4)振動與沖擊的影響：永久磁鐵受到機械振動或沖擊作用后，內(nèi)應(yīng)力增加，部分磁分子排列發(fā)生變化，導(dǎo)致磁性能變壞。于是，將充磁后的永久磁鐵按一定技術(shù)要求，先經(jīng)受約千次的振動和沖擊試驗，振動和沖擊值取實際工作中可能遇到的最大值。

2.溫度誤差分析

溫度變化不僅使磁感應(yīng)強度B發(fā)生變化，還將使線圈導(dǎo)線的長度l和電阻R發(fā)生改變，B、l、R三項隨溫度變化的方向也不相同，B隨溫度的增加而減小，l與R隨溫度的增加而增加。由于銅導(dǎo)線具有很大的電阻溫度系數(shù)，電阻R隨溫度的改變對傳感器靈敏度的影響最大。當 時，則要考慮溫度對B和l的影響。

3.非線性誤差分析

磁電感應(yīng)式傳感器產(chǎn)生非線性的主要原因是線圈的磁場效應(yīng)，即工作線圈中感應(yīng)電流產(chǎn)生的交變磁場對工作磁場的影響。線圈相對于永久磁鐵的運動速度v越大，產(chǎn)生的感應(yīng)電勢和感應(yīng)電流越大，對工作磁場的影響也越大，使傳感器靈敏度的變化也越大。傳感器靈敏度隨著v的大小和方向而改變，靈敏度越高，線圈中感應(yīng)電流越大，非線性越嚴重。

為了減小這種附加磁場的干擾，可在傳感器中加入補償線圈，如圖7.5所示。圖7.5非線性誤差的補償7.1.4信號調(diào)理電路

磁電感應(yīng)式傳感器輸出為感應(yīng)電勢，且具有較高的靈敏度，因而對測量電路一般無特殊要求。但磁電感應(yīng)式傳感器是速度傳感器，即輸出感應(yīng)電勢與振動速度(或轉(zhuǎn)速)成正比，若要獲取振動位移或振動加速度，應(yīng)配接適當?shù)姆e分電路或微分電路。

圖7.6所示為磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路框圖。圖7.6磁電感應(yīng)式傳感器測量電路框圖7.1.5磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用

磁電感應(yīng)式傳感器性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，且具有一定的頻率響應(yīng)范圍(10～1000Hz)，廣泛用來測量振動速度、轉(zhuǎn)速、扭矩等。

1.磁電式速度傳感器

圖7.7所示為CD-1型振動速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖7.7

CD-1型振動速度傳感器

2.磁電式扭矩傳感器

圖7.8所示為磁電感應(yīng)式扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，轉(zhuǎn)子和線圈固定在傳感器軸上，定子(永久磁鐵)固定在傳感器外殼上，轉(zhuǎn)子、定子上有一一對應(yīng)的齒和槽。圖7.8磁電感應(yīng)式扭矩傳感器測量扭矩時，將兩個傳感器的轉(zhuǎn)軸(包括轉(zhuǎn)子和線圈)分別固定在被測軸的兩端，外殼固定不動。安裝時，一個傳感器的定子齒與轉(zhuǎn)子齒相對，另一個傳感器的定子槽與轉(zhuǎn)子齒相對。當被測軸無外加扭矩時，扭轉(zhuǎn)角為零，此時若轉(zhuǎn)軸以一定的角速度轉(zhuǎn)動，則在兩個傳感器中產(chǎn)生相位差為180°、波形近似為正弦波的兩個感應(yīng)電勢。當被測軸感受扭矩時，軸的兩端將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角φ，在彈性范圍內(nèi)扭轉(zhuǎn)角與扭矩成正比。兩個感應(yīng)電勢將因扭轉(zhuǎn)角而產(chǎn)生附加相位差φ0。設(shè)定子(或轉(zhuǎn)子)的齒數(shù)為z，則扭轉(zhuǎn)角φ和兩個感應(yīng)電勢附加相位差φ0的關(guān)系為

φ0=zφ (7.8)

3.磁電式流量計

基于磁電感應(yīng)原理的流量計如圖7.9所示。圖7.9磁電感應(yīng)式流量計

7.2霍爾式傳感器

7.2.1霍爾效應(yīng)與霍爾元件

1.霍爾效應(yīng)

如圖7.10所示，將N型或P型半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，在相對兩端面a、b通入控制電流I，電流與磁場互相垂直，則半導(dǎo)體另兩端面c、d會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。所產(chǎn)生的電動勢叫做霍爾電勢，所用的半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。圖7.10霍爾效應(yīng)原理圖若采用N型半導(dǎo)體薄片，則載流子(電子)將沿著與電流I相反的方向運動。由物理學(xué)可知，在磁場中運動的載流子會受到磁場力(洛倫茲力)FL作用，其方向如圖7.10所示，大小為

FL=qvB (7.9)

式中：q——電子電荷量(q=1.6×10－19C)；

v——電子運動速度。由于磁場力FL的作用，載流子的運動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，c、d兩端分別產(chǎn)生電荷積聚，從而形成了電場。電場對電子的作用力(電場力)FE與磁場力FL的方向相反，當I、B一定，且FE=FL時，電荷的積累便達到動態(tài)平衡，c、d端就形成一個穩(wěn)定的電場，稱為霍爾電場。相應(yīng)的霍爾電勢為

式中：n——N型半導(dǎo)體材料的電子濃度(單位體積中的電子數(shù))；

KH——霍爾常數(shù)，KH=1/nq；

SH——霍爾元件的靈敏度，SH=KH/δ=1/nqδ。(7.10)

2.霍爾元件

霍爾元件的材料有N型鍺、銻化銦、砷化銦、砷化鎵及磷砷化銦等。銻化銦元件產(chǎn)生的霍爾電勢較大，但受溫度影響也較大；砷化銦元件及鍺元件的霍爾電勢相對銻化銦較小，但溫度系數(shù)小，線性好；砷化鎵元件的溫度特性好，但價格較貴；磷砷化銦元件的溫度特性最好，其霍爾常數(shù)受溫度影響很小。

霍爾元件的構(gòu)造很簡單，由霍爾片、引線和殼體組成，其外形結(jié)構(gòu)如圖7.11(a)所示。圖7.11霍爾元件7.2.2信號調(diào)理電路

1.基本測量電路

圖7.12所示為霍爾元件的基本測量電路。圖7.12霍爾元件的基本測量電路

2.霍爾集成電路

霍爾元件輸出的霍爾電勢一般為毫伏數(shù)量級，在實際使用時必須進行放大，并將霍爾元件、放大器、溫度補償電路及穩(wěn)壓電源等集成在一塊芯片上的構(gòu)成霍爾集成電路?；魻柤呻娐肪哂锌煽啃愿摺勖L、功耗低及負載能力強等特點，其外形結(jié)構(gòu)與霍爾元件完全不同，引出線形式由電路功能決定，根據(jù)內(nèi)部測量電路和霍爾元件工作條件不同，可分為線性和開關(guān)型兩種。線性霍爾集成電路的特點是輸出電壓與外加磁感應(yīng)強度B呈線性關(guān)系，廣泛應(yīng)用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電場等的測量與控制。線性霍爾集成電路有單端輸出和雙端輸出(差動輸出)兩種形式，外形結(jié)構(gòu)有三端T型(如UGN-3501T)和八腳雙列直插型(如UGN-3501M)兩種，其電路結(jié)構(gòu)如圖7.13所示。圖7.13線性霍爾集成電路的結(jié)構(gòu)框圖開關(guān)型霍爾集成電路的特點是輸出電壓為高低電平兩種狀態(tài)，可做成無觸點、無抖動、高可靠、長壽命的接近開關(guān)或按鍵開關(guān)，廣泛用于計數(shù)裝置以及汽車點火等系統(tǒng)中。開關(guān)型霍爾集成電路也有單端輸出和雙端輸出兩種形式，其電路結(jié)構(gòu)如圖7.14所示。圖7.14開關(guān)型霍爾集成電路的結(jié)構(gòu)框圖7.2.3誤差及其補償

1.溫度補償

霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的，許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)，如載流子濃度、遷移率、電阻率等都將隨溫度變化而發(fā)生變化，從而使霍爾電勢產(chǎn)生溫度誤差。

溫度誤差可通過外接溫度補償電阻(熱電阻或熱敏電阻)來進行溫度補償。溫度補償電阻與霍爾元件的連接電路如圖7.15所示。圖7.15溫度補償電阻與霍爾元件的連接電路溫度變化會引起霍爾元件輸入電阻變化，采用恒壓源供電時，控制電流將發(fā)生變化而帶來誤差。為了減小輸入電阻隨溫度變化而引起的誤差，常采用恒流源供電，在輸入回路并聯(lián)溫度補償電阻RT，如圖7.15(a)所示。設(shè)霍爾元件靈敏度SH的溫度系數(shù)為α，輸入電阻Ri的溫度系數(shù)為β，溫度補償電阻RT的溫度系數(shù)為λ，且當溫度為T0時，霍爾元件靈敏度為SH0，輸入電阻為Ri0，溫度補償電阻為RT0，由分流原理得霍爾元件的控制電流為(7.11)溫度升高ΔT后，電路中各電阻值將發(fā)生變化，此時霍爾元件的控制電流為

為了使霍爾電勢在溫度升高前后保持不變，即UH0=UH，應(yīng)滿足

SH0IH0B=SHIHB=SH0(1+aΔT)IHB

(7.13)

將式(7.11)和式(7.12)代入式(7.13)，經(jīng)整理并略去al(ΔT)2高次項得(7.14)(7.12)實際上溫度補償電阻RT也隨溫度變化而發(fā)生變化，為此,應(yīng)選用溫度系數(shù)λ很小的熱電阻(如錳銅電阻)，使式(7.14)中λ≈0，由此求得熱電阻RT0為(7.15)

2.不等位電勢補償

在額定控制電流作用下，不加外磁場時霍爾電極間的空載霍爾電勢稱為不等位電勢，它主要是由于兩個霍爾電極不在同一等位面上所致。另外，霍爾元件幾何形狀不對稱、材料電阻率不均勻、電極與霍爾元件接觸不良等，也會產(chǎn)生不等位電勢。由于不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，要消除其影響非常困難，所以必須采取補償措施。

分析不等位電勢時，可把霍爾元件等效為一個電橋，不等位電勢相當于電橋的不平衡輸出，因此能使電橋達到平衡的方法都可用來補償不等位電勢。圖7.16給出了幾種補償電路。圖7.16不等位電勢的補償電路7.2.4霍爾式傳感器的應(yīng)用

霍爾式傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量、自動控制等領(lǐng)域，有三種應(yīng)用方式：

(1)當控制電流不變時，傳感器輸出正比于磁感應(yīng)強度。因此，凡能轉(zhuǎn)換成磁感應(yīng)強度變化的物理量均可測量，如位移、加速度、角度和轉(zhuǎn)速等，也可直接測量磁場。

(2)當磁感應(yīng)強度不變時，傳感器輸出正比于控制電流，可用來測量電流以及可轉(zhuǎn)換為按電流變化的物理量。

(3)當控制電流與磁感應(yīng)強度都為變量時，傳感器輸出與兩者乘積成正比，可用來測量能轉(zhuǎn)換為乘法運算的物理量，如功率等。

1.霍爾式位移傳感器

圖7.17(a)所示為霍爾式位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。在兩塊極性相反、磁場強度相同的永久磁鐵中放置一塊霍爾元件，當控制電流恒定不變時，磁感應(yīng)強度B在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化率(梯度)為一常數(shù)，其特性曲線如圖7.17(b)所示。當霍爾元件在兩塊永久磁鐵的中間位置時(x=0)，磁感應(yīng)強度B=0，霍爾電勢UH=0。當霍爾元件沿x方向移動時，霍爾電勢UH≠0，在一定范圍內(nèi)霍爾電勢UH與位移量x成正比，即

UH=SHBI=Sx

(7.16)

式中：S——霍爾式位移傳感器的靈敏度。圖7.17霍爾式位移傳感器

2.霍爾式壓力傳感器

圖7.18所示為霍爾壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖7.18霍爾式壓力傳感器

3.霍爾式加速度傳感器

圖7.19(a)所示為霍爾式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。永久磁鐵固定在與被測對象剛性連接的殼體上，當被測對象在垂直方向上加速運動時，質(zhì)量塊在慣性力的作用下使霍爾元件產(chǎn)生相對位移，從而引起霍爾電勢變化，其特性曲線如圖7.19(b)所示。圖7.19霍爾式加速度傳感器

4.霍爾式振動傳感器

圖7.20所示為霍爾式振動傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖7.20霍爾式振動傳感器

5.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器

圖7.21所示為霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖7.21霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器

6.霍爾式電流傳感器

圖7.22所示為霍爾式電流傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，測量裝置不用串聯(lián)到被測回路中。圖7.22霍爾式電流傳感器

7.霍爾式磁場傳感器

霍爾元件的最早應(yīng)用就是磁場測量。用霍爾元件測量磁場時，測頭結(jié)構(gòu)簡單、體積小，能檢測狹小縫隙磁場及其分布，且頻率范圍寬，測磁范圍大，分辨率可達1011T。

例7.1某霍爾壓力計彈簧管最大位移為±1.5mm，控制電流為10mA，要求輸出電勢為±20mV，選用HZ-3霍爾元件，其靈敏度為1.2mV/(mA·T)，求線性磁場的最小梯度。

解根據(jù)UH=SHBI可得

在位移變化x=±1.5mm時，要求磁場變化B=±1.67T，所以磁場梯度KB至少為

7.3磁柵式傳感器

磁柵式傳感器主要由磁柵和磁頭組成。磁柵是利用磁帶錄音的原理，將周期變化的電信號(正弦波或矩形波)轉(zhuǎn)換成磁信號，磁頭再把磁柵上的磁信號讀出來，即可把磁頭與磁柵之間的相對位置或相對運動速度轉(zhuǎn)換成電信號。

7.3.1磁柵與磁頭

磁柵傳感器的類型主要取決于磁柵，磁柵可分為長磁柵和圓磁柵兩大類。磁柵傳感器的工作原理則主要取決于磁頭，磁頭有動態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭之分。

1.磁柵

磁柵的基本結(jié)構(gòu)如圖7.23所示，基體是用非導(dǎo)磁材料做成的，上面鍍一層均勻的磁性薄膜。圖7.23磁柵的結(jié)構(gòu)磁柵分長磁柵和圓磁柵兩大類。前者用于直線位移或速度測量，磁信號節(jié)距一般為0.05mm或0.02mm。后者用于角位移或轉(zhuǎn)速測量，磁信號角節(jié)距為幾分至幾十分。

長磁柵又分為尺型、同軸型和帶型三種。尺型磁柵的外形如圖7.24(a)所示，工作時磁頭架沿磁尺的基準面運動，不與磁尺接觸，主要用于精度要求較高的場合。圖7.24長磁柵圓磁柵如圖7.25所示。磁盤圓柱面上的磁信號由磁頭讀取，磁頭與磁盤之間應(yīng)有微小間隙以免磨損。圖7.25圓磁柵

2.磁頭

按讀取信號的方式，磁頭有動態(tài)磁頭與靜態(tài)磁頭兩種。

1)動態(tài)磁頭

動態(tài)磁頭為非調(diào)制式磁頭，又稱速度響應(yīng)式磁頭，其結(jié)構(gòu)如圖7.26(a)所示。它只有一組線圈，鐵芯由鐵鎳合金片疊成，前端夾著銅片，后端磨光靠緊。當磁頭以速度v相對于磁柵運動時，由于電磁感應(yīng)將在磁頭中產(chǎn)生磁通f，其表達式為(7.17)磁頭線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e為(7.18)

2)靜態(tài)磁頭

靜態(tài)磁頭為調(diào)制式磁頭，又稱磁通響應(yīng)式磁頭，在磁頭與磁柵之間無相對運動的情況下也有感應(yīng)電勢輸出。圖7.27所示為靜態(tài)磁頭的信號讀出原理。磁柵漏磁通f0的一部分

f2通過磁頭鐵芯,另一部分f3通過氣隙。設(shè)鐵芯磁阻為Rm2，氣隙磁阻為Rm3，則(7.19)圖7.27靜態(tài)磁頭讀出原理一般情況下可認為Rm3不變，Rm2與激磁線圈所產(chǎn)生的磁通f1有關(guān)。P、S兩段鐵芯的橫截面積很小，很容易飽和，當鐵芯飽和時，Rm2很大，f2不能通過。在激磁電壓u的一個

變化周期內(nèi)，鐵芯飽和兩次，Rm2變化兩個周期，f2也變化兩個周期?？山普J為

f2=f0(a0+a2sin2ωt)

(7.20)

式中：a0、a2——與磁頭結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的常數(shù)；

ω——激磁電壓的角頻率。當磁頭與磁柵之間不發(fā)生相對運動時，f0為一常量，則輸出線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e為

式中：N2——輸出線圈的匝數(shù)。

漏磁通f0的表達式類似于式(7.16)，則(7.22)(7.21)7.3.2信號調(diào)理電路

1.動態(tài)磁頭信號調(diào)理電路

磁柵相對磁頭運動時，動態(tài)磁頭輸出的感應(yīng)電勢正比于相對運動速度或角速度，整流濾波后可得到相對運動速度或角速度的大小。若要檢測相對運動的方向，則必須在相距

處安裝兩個磁頭，輸出兩個相位相差90°的正交信號，超前還是滯后取決于運動方向，處理后即可實現(xiàn)辨向。圖7.28所示為兩個動態(tài)磁頭構(gòu)成的速度測量系統(tǒng)框圖。圖7.28動態(tài)磁頭速度測量系統(tǒng)框圖當磁頭固定磁柵向左運動時，磁頭1輸出信號e1比磁頭2輸出信號e2超前90°相角，各信號波形如圖7.29(a)所示。而當磁柵向右運動時，磁頭1比磁頭2的輸出信號滯后90°相角，各信號波形如圖7.29(b)所示。圖7.29動態(tài)磁頭速度測量系統(tǒng)波形圖

2.靜態(tài)磁頭信號調(diào)理電路

1)鑒幅電路

由式(7.22)可知，兩個磁頭相距 安裝時輸出感應(yīng)電勢分別為

式中：Um——靜態(tài)磁頭讀出信號的幅值，Um=－2N2a2ωfm。(7.23)經(jīng)檢波器去掉高頻載波后可得

兩路相位差90°的信號送至相關(guān)電路進行辨向后即可測得位移。

圖7.30所示為采用鑒幅電路進行位移測量的系統(tǒng)框圖。當位移x增加時，磁頭1輸出e1比磁頭2輸出e2滯后90°相角，各信號波形如圖7.31(a)所示。(7.24)圖7.30鑒幅電路位移測量系統(tǒng)框圖圖7.31鑒幅電路位移測量系統(tǒng)波形圖

2)鑒相電路

將某一磁頭的激磁電壓移相45°(也可將某個磁頭的輸出移相90°)，則兩個磁頭輸出為

將e1減去e2后可得(7.25)(7.26)圖7.32所示為采用鑒相電路進行位移測量的系統(tǒng)框圖。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生角頻率為Nω的方波，N分頻后得到角頻率為ω的方波u1，u1經(jīng)低通濾波器得到角頻率為ω的正弦波u2，u2放大后的u3作為磁頭1的激磁電壓，u3移相45°后的u4作為磁頭2的激磁電壓。圖7.32鑒相電路位移測量系統(tǒng)框圖7.3.3磁柵式傳感器的應(yīng)用

磁柵式傳感器廣泛應(yīng)用于冶金、機械、石化、運輸、水利等行業(yè)。由磁柵式傳感器所構(gòu)成的通用位移傳感器、液位計、閘門開度儀、油缸行程檢測儀等在惡劣工業(yè)環(huán)境中廣泛運用，其無接觸位移測量方式適用于極寬的量程范圍，能與多類自動控制系統(tǒng)接口。靜磁柵絕對編碼器借用“游標卡尺差分刻度測微”原理，依靠霍爾線陣列群動效應(yīng)解析數(shù)字化絕對位移編碼，準確可靠。由磁鋼組成的磁柵編碼陣列和霍爾開關(guān)元件組成的霍爾編碼陣列協(xié)調(diào)工作。磁柵編碼陣列和霍爾編碼陣列形成該傳感器的兩個必不可少的單元，其中磁柵編碼陣列單元稱為“靜磁柵源”，霍爾編碼陣列單元稱為“靜磁柵尺”，當“靜磁

柵源”保持一定間隙沿“靜磁柵尺”軸線表面移動時，由“靜磁柵尺”實時解析出毫米級示值誤差的位移量數(shù)字信號。該機理類似“游標卡尺”，游標卡尺1mm的刻度可以辨別出0.02mm，其分辨率提高了50倍。磁柵編碼陣列間距和霍爾編碼陣列間距不同，類似游標卡尺上下差分滑尺的刻度不同，再經(jīng)過一套反復(fù)推演的算法，使得靜磁柵絕對編碼器的分辨率可達0.25mm或者更小。霍爾編碼陣列元件只有開和關(guān)兩種狀態(tài)。由于物理位置不同，每個霍爾開關(guān)元件含有不同的位置信息，通過計算機高速掃描辨識，實現(xiàn)“空間直線位置絕對編碼”，無論量程多大，只要保證安裝精度，就能獲得非常小的示值誤差。另外，霍爾編碼陣列元件基本不受外界溫度、濕度、雜散磁場、電磁干擾等因素影響，具有很強的防震、防撞擊、防水、抗污染、抗干擾、抗惡劣環(huán)境的能力。 7.4磁敏傳感器

7.4.1磁敏電阻

1.磁阻效應(yīng)

將通以電流的半導(dǎo)體薄片置于與電流相垂直的磁場中，除產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外，由于運動的載流子受到磁場力的作用會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使載流子所經(jīng)過的路程增加，遷移率減小，電阻率增加，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。利用磁阻效應(yīng)制成的元件稱為磁敏電阻(或磁阻元件)。選擇合適的磁敏電阻形狀，可以使霍爾效應(yīng)減弱或消除，而磁阻效應(yīng)增強。

2.磁敏電阻的結(jié)構(gòu)

當圖7.10中的半導(dǎo)體薄片a、b兩端面的長度l小于c、d兩端面的長度b時，霍爾電場難以建立，可獲得較顯著的磁阻效應(yīng)。為了增加電阻值，通常將多個l<b的磁敏電阻串聯(lián)或制成柵格狀。圖7.33(a)所示是在高電子遷移率材料InSb(銻化銦)半導(dǎo)體薄片上，通過光刻方法將其分割成多個平行

等間距的銦金屬短路條(柵格)，相當于多個l

b的磁敏電阻串聯(lián)。當輸入端輸入電流I，在垂直方向外加磁感應(yīng)強度B時，由于磁感應(yīng)強度B的作用會使電流方向發(fā)生傾斜而導(dǎo)致電阻值增大，其電阻值R與磁感應(yīng)強度B的變化曲線如圖7.33(b)所示。<<圖7.33

InSb磁敏電阻圖7.34所示為采用InSb-NiSb(銻化銦-銻化鎳)共晶材料制作的磁敏電阻。圖7.34

InSb-NiSb共晶磁敏電阻7.4.2磁敏二極管和磁敏三極管

霍爾元件和磁敏電阻均是用N型半導(dǎo)體材料制成的體型元件，而磁敏二極管和磁敏三極管是PN結(jié)型的磁電轉(zhuǎn)換器件。

1.磁敏二極管

圖7.35所示為磁敏二極管的示意圖，其結(jié)構(gòu)為PIN型。圖7.35磁敏二極管結(jié)構(gòu)磁敏二極管不受外界磁場作用時，如圖7.36(a)所示。在正向偏壓作用下，P+區(qū)向I區(qū)注入大量空穴，N+區(qū)向I區(qū)注入大量電子。但只有少量電子和空穴在I區(qū)復(fù)合掉，大部分的電子和空穴通過I區(qū)分別到達P+區(qū)和N+區(qū)，從而產(chǎn)生電流。

當磁敏二極管受到正向磁感應(yīng)強度B+作用時，如圖7.36(b)所示,電子和空穴受到洛侖茲力作用向r區(qū)偏移，由于r區(qū)對電子和空穴復(fù)合速度很快，進入r區(qū)的電子和空穴很快就被復(fù)合掉，因此電流迅速減小。當磁敏二極管受到反向磁感應(yīng)強度B－作用時，如圖7.36(c)所示。圖7.36磁敏二極管工作原理

2.磁敏三極管

磁敏三極管是在磁敏二極管的基礎(chǔ)上研制的，有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)。

圖7.37所示為NPN型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)示意圖，在高阻值本征半導(dǎo)體上用合金法或擴散法形成發(fā)射極e、基極b和集電極c。圖7.37磁敏三極管結(jié)構(gòu)磁敏三極管不受外磁場作用時的情形如圖7.38(a)所示。

當磁敏三極管受到反向磁感應(yīng)強度B－作用時，其情形如圖7.38(b)所示。由于洛侖茲力的作用，發(fā)射區(qū)注入到I區(qū)的電子向基極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流減小，基極電流增大。另一方面，電子在通過I區(qū)時，受洛侖茲力作用向高復(fù)合r區(qū)偏轉(zhuǎn)，使部分電子在高復(fù)合區(qū)被復(fù)合掉而不能到達基極，

又使基極電流減小。基極電流既有增大又有減小的趨勢，平衡后基本不變，但集電極電流卻明顯減小，此時電流放大倍數(shù)β<β0。反之，當磁敏三極管受到正向磁感應(yīng)強度B+作用時，其情形如圖7.38(c)所示，電流放大倍數(shù)β>β0。圖7.38磁敏三極管工作原理7.4.3磁敏傳感器的應(yīng)用

1.磁敏電阻的應(yīng)用

(1)在各種位移量測控、無觸點開關(guān)和計數(shù)器等應(yīng)用中，使用分立型InSb磁敏電阻較為方便，可根據(jù)具體情況靈活設(shè)計；

(2)應(yīng)用于票證檢偽、自動檢測等技術(shù)中的微小磁信號檢測。例如錄音機和錄像機用的磁帶，位移測控磁尺，為防偽而在紙幣、票據(jù)、信用卡上用的磁性油墨印刷的磁性體等；利用三端差分型InSb磁敏電阻為核心部件制作的磁頭在檢測微弱磁信號方面又稱為圖形識別傳感器；

(3)利用InSb磁敏電阻和永久磁鐵不接觸的磁敏感特性制造的具有