《磁电式传感器》PPT课件.ppt

第五章 磁电式传感器 原理：被测量-磁电作用-电信号 1、原理 ： 电磁感应定律：线圈在均衡磁场中运动 - 感应电势 (1) 变磁通旋转型： 一、磁电感应式传感器 W-匝数 -磁通量， 被测量-磁通变化-电信号 2、结构 ： 变磁通式，恒磁通式 分类：磁电感应式传感器、霍尔式传感器、磁栅传感器 1-永久磁铁：磁钢， 2-磁芯：导磁 3-衔铁：动铁心，旋转-感应电势 用于：测量转速、振动 (2) 变磁通平移型： (3) 恒磁通动圈式 1-永久磁铁：磁钢， 2-磁芯：导磁 3-衔铁：动铁心，旋转-感应电势 用于：测量线速度、振动 磁通恒定，线圈运动-切割磁力线-感应电势 (4) 恒磁通动铁式： 永久磁铁运动 （1）有源传感器，无需辅助电源，也称电动式、感应式 3、特点 ： 主要用于测量低频振动参数 4、应用 ： （2）输出功率大，配用电路简单，甚至可以直接输出显示 （3）零位及性能稳定，抗干扰能力强，适于矿山、冶金等行业； （4）频响差，一般频带为101000Hz 1 插座 2 芯轴 3 弹簧片 4 顶杆 5 限幅块 6 球铰链 7 永久磁铁 8 线圈 9 气隙 10 弹簧片 二、霍尔式传感器 1、工作原理 霍尔效应 ： 霍尔电势： 灵敏度： 电阻率，载流子迁移率 霍尔元件材料： RH-霍尔系数 ， d霍尔片厚度 半导体 薄片（锗、硅 ） 霍尔元件形状： 磁场(B)，导体(l,b,d)，电流(I)-正交 电流：A面B面，洛仑兹力作用， 左手定律：正电荷C面，负电荷D面 平衡后：两侧面形成横向电势霍尔电势 高电阻率（）、高迁移率（） 金属-迁移率高、电阻率低； 绝缘体-电阻率高、迁移率低； 2、霍尔元件特性 霍尔元件厚度d-越薄，灵敏度越高 - 薄片 限制-阻抗增大，功耗增大，发热温升 长宽比(l/b)-宽度增大，载流子损失增大，霍尔电势减弱； l/b0.51.01.52.02.53.04.0 f(l/b)0.3700.6750.8410.9230.9670.9840.996 （1）形状效应 ： （2）电磁特性： 修正：f(l/b)-形状系数 激励电流-UHI 线性关系，电流灵敏度： 磁感应强度- UHB 多数非线性，材料不同-特性不同 内阻-RB 多数线性，磁阻效应，降低霍尔电势 （4）零位电势： （3）额定激励电流： 激励电流增大 - 发热 - 温升， 磁场B=0时，通过激励电流产生的电势-零位电势 原因-两个霍尔电极不在一个等位面上 - 不等位电势 材料不均匀，工艺差 补偿-电桥平衡，并联电阻 温升10时的激励电流 - 额定激励电流 （5）温度特性： （6）寄生直流电势： （7）自激场零电势： 特点：体积小，质量轻，结构简单，使用方便，集成化 3、霍尔传感器应用 激励-交流控制电流； 控制电流引线弯曲-自激场 温度-电阻率、载流子、尺寸 补偿 -电桥，热敏电阻， 输出-交流+直流 原因-霍尔电极不对称 （2）霍尔式位移传感器： （3）霍尔式电流电压传感器： （4）霍尔式压力传感器： （5）其他： （1）霍尔式磁传感器： 霍尔电势与磁感应强度成正比- 测量-交流、直流，磁感应强度、磁场强度， 磁场-均匀、梯度变化 霍尔电势-位置 测量-微位移，0.5mm 电流 - 感应磁场 - 霍尔电势 测量-交流、直流，电流、电压、 压力-弹性元件-位移-磁场-霍尔电势 测量-静态、动态压力 霍尔式方位传感器：霍尔罗盘 霍尔式转速传感器：脉冲计数 测量-交流、直流，电流、电压、 霍尔元件可以测量磁物理量及电量、还可以通 过转换测量其它非电量。 由于霍尔元件的输出量是比例于两个输入量的 乘积，因此可以方便而准确地实现乘法运算， 可构成各种非线性运算部件。 霍尔元件工作从直流到数百千赫兹的频率范围 内。 霍尔元件在工程技术上的应用相当广泛，具体 产品有高斯计、霍尔罗盘、大电流计、功率计、位 移传感器、乘法器、调制器等。 、转速测量 N S 霍尔元件 （转转角） VH 0 2 NS 霍尔元件 （转转角） VH 0 永磁体装在轴端的转速测量方法 永磁体装在轴侧的转速测量方法 工作原理及用途： 被测体上贴一磁钢，非接触式测量，高可靠，适用于 低转速，体积小、安装方便，对环境无要求，适合各 种恶劣环境、污浊环境、功耗低，适宜长期工作。 霍尔式转速计 利用霍尔线性集成传感器进行磁法覆盖 层厚度测量 磁法覆盖厚度测量是指对铁磁性物质表面非 磁性涂层的厚度测量。 例如对钢铁表面的镀膜、油漆、塑料、搪瓷 等覆盖层的厚度等便可使用磁法厚度测量的方法 。 U型铁心 永磁体 铁磁基体 磁回路 SL3501M 覆盖层 测量时将U形铁芯的两极放到被测物体表面上，这时永磁 体产生的磁通便通过U形铁芯和被测物体构成磁回路。当被测 物体表面覆盖层厚度不同时，磁回路的磁阻和磁通量将会发生 变化，磁回路中的霍尔集成传感器将会检测出磁场强度的不同 ，从而使霍尔集成传感器产生的输出电压随覆盖层厚度的不同 而变化，完成覆盖层非电量到电量的转换。 将U型硅钢片 铁芯中间断开，然 后将SL3501M霍尔 线性集成传感器和 一片钕铁硼永磁体 夹在中间，用502 胶粘牢。 霍尔集成传感器内部虽然设有差分放大器，但其 输出的电压仍然满足不了使用电路的要求，为此，将 信号加一级放大，便可得到足够大的信号幅度。 5V IC1 IC2 5V UOUT 霍尔元件在电流测量上的应用 用霍尔元件测量电流，都是通过霍尔元件检测通 电导线周围的磁场来实现的。 在现代工程技术中，往往要测量大直流电流大直流电流，有 时直流电流值高达10KA以上。过去，多采用电阻器 分流的方法来测量这样大的电流。这种方法有许多缺 点，如分流器结构复杂、笨重、耗电、耗铜等。利用 霍尔效应原理测量大电流可以克服上述的一些缺点。 霍尔效应大电流计结构简单、成本低、准确度高，在 很大程度上与频率无关，便于远距离测量，测量时不 需要断开回路。 （）导线旁测法 这种方法是一种最简单 的方法，将霍尔元件放在 通电导线的附近，给霍尔 元件通以恒定电流，用霍 尔元件测量被测电流产生 的磁场，就可以从元件输 出的霍尔电压中确定被测 电流值。 这种方法虽然结构简单 ，但测量精度较差，受外 界干扰也大，只适用一些 不重要的场合。 B IC I 通电电流 VH 当导线中有电流流通时 ，导线周围产生磁场，使导 磁体铁芯磁化成暂时性磁铁 ，在环形气隙中就会形成一 个磁场，导体中的电流越大 ，气隙处的磁感应强度就越 大，霍尔元器件输出的霍尔 电压VH就越大。可以通过霍 尔电压检测到导线中的电流 。这种方法可以提高电流测 量的精度。 导磁铁心 霍尔元器件 通电导线 I （）导线贯串磁芯法 如果用铁磁材料做成磁导体的铁芯，使被测通电导线贯串 它的中央，将霍尔元件或霍尔集成传感器放在磁导体的气隙中 ，这样，可以通过环形铁芯集中磁力线，如下图所示。 测量原理 在实际应用中，为了测量的方便，还可以把导磁铁芯 做成钳式形状，或非闭合磁路的形状，如下图所示。 I 霍尔元器件 通电导线 导磁铁心 霍尔元器件 通电导线 导磁铁心 I 钳式非闭合磁路式 （）磁芯绕线法 这种方法如下图所示。它由标准环形导磁铁芯和 SL3501M霍尔线性集成传感器组合而成。 SL3501M 通电导线 导磁铁心 I 数字钳型表 用途： 主要用于大电流测量，可用于机械加工车间，工 厂，及各种耗电量较大的任何场合。 霍尔线性位移传感器 霍尔线性位移传感器 若令霍尔元件的工作电流保 持不变，而使其在一个均匀 梯度磁场中移动，它输出的 霍尔电压VH值只由它在该磁 场中的位移量Z来决定。图 中3种产生梯度磁场的磁系 统及其与霍尔器件组成的位 移传感器的输出特性曲线， 将它们固定在被测系统上， 可构成霍尔微位移传感器。 从曲线可见，结构（b）在 Z2mm时，VH与Z有良好的 线性关系，且分辨力可达 1m，结构（C）的灵敏度 高，但工作距离较小。 几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔 位移传感器的静态特性 霍尔线性位移传感器原理 霍尔传感器霍尔传感器 隔磁罩隔磁罩 磁钢磁钢 缺口缺口 霍尔传感器霍尔传感器 隔磁罩隔磁罩 磁钢磁钢 缺口缺口 当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔传感器形成闭 合回路，电路导通，霍尔电路输出0.4V的低电平；当 隔磁罩竖边的凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时， 电路截止，霍尔电路输出高电平。 汽车霍尔电子点火器汽车霍尔电子点火器 pp特点：特点：磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易 于安装，测量范围宽可超过十几米，抗干扰 能力强。 pp类型：类型：磁栅可分为长磁栅长磁栅和圆磁栅圆磁栅。长磁栅 主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角 位移测量。 pp组成：组成：磁栅传感器主要由磁栅、磁头和信号 处理电路组成。 三、 磁栅传感器 三、磁栅式传感器 1、磁栅工作原理 原理：磁纪录原理（录音机），磁栅上录有磁信号（磁带）， 磁头移动 - 读取磁信号 - 周期性信号输出 - 测量位移 结构：磁栅基体-不导磁材料 磁栅表面-磁性薄膜 类型：长磁栅-测量线位移 圆磁栅-测量角位移 2、磁栅结构与类型 （1）磁栅 N SN SN SN SS NS NS N 磁性薄膜 基体 节距W 动态磁头(速度响应磁头) 静态磁头(磁通响应磁头) （2）磁头 同轴型(c) ： 长磁栅： 尺型(a) ： 基体-不导磁材料（铜、玻璃），镀磁性薄膜 结构简单，常用，精度高，刚度好 带型(b) ： 基体-铜带，镀磁性薄膜，软垫（泡沫塑料），拉紧块 大量程，窄空间，振动条件下 基体-青铜棒，镀磁性薄膜，同轴布局 磁头具有磁屏蔽作用，抗干扰，结构紧凑，小型装置 3、磁头 （1）动态磁头: 磁头移动-电磁感应-线圈输出感应电势-非调制 磁头(录音机) 无相对运动时-磁通变化很小-输出为零-速度响 应式磁头 使用受到限制 动态磁头： 在铁芯上绕了一个线圈，构成磁头，当磁头沿着磁 栅表面移动时，产生感应电动势，当磁头运动的速 度不同时，感应电动势的大小不一样，静止时，没 有信号，所以动态磁头也叫速度响应式磁头。 N SN SN SN SS NS NS N v （2）静态磁头: 激励电源u - 激励磁通1、2； 漏磁通0 - 磁栅位置的周期函数； 输出信号u0 - 周期函数，频率2倍 无相对运动时 - 漏磁通仍然存在-输出 调制型磁头：广泛使用 静态磁头： Ui Uo 通过励磁电压Ui作用改变磁阻来调制输出信号Uo N SN SN SN SS NS NS N 鉴相型磁栅数显表的原理框图 设置两个磁头的意义何在？ 磁