教学课件PPT磁电磁敏式传感器.ppt

第6章 磁电磁敏式传感器,主要内容： 6.1 磁电感应式传感器 6.2 霍尔式传感器,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,电感式传感器是把被测量转换成电感量(自感、互感）的变化； 一类是利用电磁感应定律将被测量转换为磁场变化，引起电动势输出变化。 磁电感应式传感器 另一类是利用某些材料的磁电效应做成对磁场敏感的传感器。霍尔传感器,磁电感应式速度传感器,霍尔开关,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,磁电式传感器是利用电磁感应原理，通过检测磁场的变化将运动的速度、位移、振动等物理量（机械能）转换成线圈中的感应电动势（电量）输出,是典型的有源传感器。,6.1 磁电感应式传感器,导体和磁场发生相对运动时，在导体两端有感应电动势输出，磁电感应式传感器工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,根据电磁感应定律，线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势的大小与穿过线圈磁通变化率有关。,6.1.1 磁电感应式传感器原理与结构,根据原理有两种磁电感应式传感器： 恒磁通式: 恒定磁场，运动部件是线圈也可以是磁铁。 变磁通式: 线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。,恒磁通式,变磁通式,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,恒磁通式测振动,恒磁通式传感器通常用做机械振动测量。 振动传感器结构大体分两种: 动圈型 永久磁铁与壳固定 动钢型 线圈与壳体固定,6.1.1 磁电感应式传感器结构,式中：b 磁感应强度，n 线圈匝数， l每匝线圈长度，v运动速度,线圈绕组中的感应电势与磁场、线圈的匝数及运动速度有关，感应电动势可以表示为,6.1.1 磁电感应式传感器结构,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,变磁通式又称为变磁阻式，线圈、磁铁静止不动。测转速时, 转动物体（齿轮的凹凸）引起磁阻或磁通变化。,（a）开磁路 （b）闭磁路,6.1.1 磁电感应式传感器结构,第6章 磁电式传感器,6.1.2 基本特性,传感与检测技术,由 可确定 灵敏度 为常数,对于结构确定的磁电式传感器，输出正比于振动速度,理想输出特性,6.1.2 基本特性,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,实际输出特性是非线性的， 偏离的原因： 当振动速度很小时（a），惯性力不足以克服传感器活动部件的静摩擦力，因此线圈与磁铁不存在相对运动，因此无输出； 当a超过b时，惯性力克服静摩擦力，有相对运动，但静摩擦力使输出特性非线性； 当速度超过b到达c时惯性太大超过弹性形变范围，输出饱和； 这种传感器的输出在很小和很大情况下是非线性的，但实际的工作范围较大,实用性较强。,振动传感器输出特性,超过弹性形变范围 输出出现饱和,6.1.3 测量电路,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,信号输出经测量电路转换可获得位移和加速度 直接输出电动势，测量速度信号； 接入积分电路可测量位移信号； 接入微分电路可测量加速度信号。,磁电传感器根本上是速度传感器，磁铁与线圈之间有相对运动时，能量全被弹簧吸收，磁路线圈切割磁力线产生正比于速度的感应电动势，由此输出可直接获得速度信号。,永久磁铁与线圈间的相对位移十分接近振动体的绝对位移，相对运动速度就接近振动体的振动速度。,6.1.3 测量电路,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,位移,速度,加速度,第6章 磁电式传感器,6.1.3 测量电路,传感与检测技术,速度经时间积分，可测量位移,理想运放,rc称积分时间常数,根据,设电容上初始电压为零，输出电压是输入电压对时间积分,6.1.3 测量电路,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,速度经微分电路 可测量加速度,理想运放,因为,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,磁电式振动传感器的特点 磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要静止的基准参考，可直接装在被测体上，适合测量机械振动、转速。 磁电式传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械能转化为电能输出。 速度传感器的输出电压正比于速度信号，便于直接放大。 输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，输出阻抗低几十几千欧，对后置电路要求低，干扰小。但传感器尺寸大、重，频率响应低，通常在10100hz。,第6章 磁电式传感器,6.1.4 应用,传感与检测技术,1. 扭矩传感器 圆盘齿引起磁通量变化，在线圈中感应出交流电压； 当扭矩作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1、u2存在相位差，相差与扭矩的扭转角成正比，传感器可以将扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。,信号频率 =转数齿数,第6章 磁电式传感器,6.1.4 应用,传感与检测技术,2. 转速传感器 使探头对准测速齿轮的中部，调节探头与齿顶的距离为1mm。 测得的传感器输出信号脉冲的频率就可以计算出测速齿轮的转速。 设齿轮齿数为n，脉冲频率为f， 转速为：n = f/n,转速的单位是转/分钟，所以要再乘以60，才是转速数据，即 nz= 60f/n 在使用60齿的齿轮时就可以得到一个简单的转速公式 n=f，可用频率计测量转速。这就是在工业中转速测量中齿轮多为60齿的原因。,第6章 磁电式传感器,6.1.4 应用,传感与检测技术,3. 振动传感器 机械振动监视系统是监测飞机在飞行中发动机振动变化趋势的系统。磁电式振动传感器固定在发动机上，直接感受发动机的机械振动，并输出正比于振动速度的电压信号。,机械振动监视系统原理框图,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,航空航天发动机等设备的振动实验； 兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射； 机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。,工程上可采用频谱分析识别信号中的周期分量，通过测量的振动信号进行频谱分析，确定最大幅值的频率分量，然后找出故障。,大型空气压缩机传动装置故障诊断案例示意图,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,霍尔传感器属于半导体磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换原理，是把磁学物理量转换成电信号的传感器。 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。,6.2 霍尔式传感器,第6章 磁电式传感器,6.2 霍尔式传感器 6.2.1 霍尔效应,传感与检测技术,1879年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。 在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，此电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的洛伦兹力，使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移，此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。,第6章 磁电式传感器,6.2.1 霍尔效应,传感与检测技术,把一个导体（半导体薄片）两端通以电流，在垂直方向施加磁感应强度 b 的磁场，在导体薄片的另外两侧会产生一个与控制电流i和磁感应强度b的乘积成比例的电动势uh ，这种现象称霍尔效应。 霍尔电动势与磁感应强度b、 电流强度i 有关,霍尔传感器基于霍尔效应,磁感应强度b 的方向改变时霍尔电动势的电压极性也随之改变。,第6章 磁电式传感器,6.2.1 霍尔效应的形成,传感与检测技术,在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动时每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧： e-电子电荷量；v-电子运动速度；b-磁感应强度；,电子运动的结果使导体基片两侧积累电荷形成静电场eh，电子还受到静电场力的作用。,第6章 磁电式传感器,6.2.1 霍尔效应,传感与检测技术,当两作用力相等时电荷不再向两边积累达到动态平衡：,通过（半）导体薄片的电流 i与下列因素有关：,霍尔电势为,n 载流子浓度，v 电子运动速度， b d导体薄片横截面积，e 电子电荷量。,第6章 磁电式传感器,6.2.1 霍尔效应,传感与检测技术,代入后：,与薄片尺寸有关,与材料有关,霍尔灵敏度,霍尔常数,式中：n -电子浓度， -电阻率，-电子迁移率。,可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比,6.2.1 霍尔效应,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件; 金属材料因电子浓度n很高，rh 很小，灵敏度低，uh 很小; 绝缘材料电阻率很大，但电子迁移率很小，不适用； 半导体材料电阻率较大，电子迁移率适中，非常适于做霍尔元件； 半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用n 型半导体（多电子）; 厚度d越小霍尔灵敏度kh越大，所以霍尔元件通常做的较薄，近似1微米(d1m)，工作电压很低。,讨论,6.2 霍尔式传感器 6.2.2 霍尔传感器基本电路,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,霍尔元件的结构很简单，由霍尔片、四根引线和壳体组成。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四根引线： 1、 1两根引线加激励电压或电流，称激励电极； 2、 2引线为霍尔输出引线， 称霍尔电极。,6.2.2 霍尔传感器基本电路,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,霍尔晶体的外形为矩形薄片，有四根引线， 两端加激励，两端为输出，rl为负载电阻 ； 电源e通过r控制激励电流 i； b 磁场与元件面垂直（向里） 实测中可把 ib 作输入， 也可把 i 或 b单独做输入； 通过霍尔电势输出测量结果。 输出uh与i或b成正比关系， 或与 ib 成正比关系。,6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,当霍尔元件通以激励电流 i 时，若磁场 b=0，理论上霍尔电势 uh=0，但实际 uh0，这时测得的空载电势称不等位电势 。 产生的原因：,霍尔引出电极安装不对称，不在同一等位面上，或激励电极接触不良。,半导体材料不均匀，几何尺寸不均匀，造成电阻率不均匀。,(1) 不等位电势,6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,不等位电势的补偿 分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥,不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出，uh00，可在电阻大的桥臂上并联电阻。 不等位电势可表示为 uh0 = r0 ih，r0为不等位电阻。,6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器, 霍尔元件与一般半导体器件一样，对温度的变化是很敏感的，这是因为半导体材料的电阻率、载流子浓度等都随温度而变化。因此，霍尔元件的输入电阻、输出电阻、灵敏度等也将受到温度变化的影响，从而给测量带来较大的误差。 为了减小测量中的温度误差，除了选用温度系数小的霍尔元件或采取一些恒温措施外，也可采用以下的一些温度补偿方法； 采用恒流源提供控制电流和输入回路并联电阻； 采用热敏电阻进行温度补偿； 合理选择负载电阻； 采用温度补偿和不等位电势补偿的高精度补偿电路。,霍尔电动势温度系数， 电阻温度系数。,采用恒流源提供控制电流和输入回路并联电阻,温度变化引起霍尔元件输入电阻ri变化，在稳压源供电时，使控制电流变化，带来误差。为了减小这种误差，最好采用恒流源提供控制电流。但灵敏度系数kh也是温度的函数，采用恒流源后仍有温度误差。为了进一步提高uh的温度稳定性，对于具有正温度系数的霍尔元件，可在其输入回路并联电阻r，如图所示。,在温度t0和t时,当温度影响完全补偿时，uh0=uht，则,采用热敏电阻进行温度补偿,这是一种常用的温度误差补偿方法，尤其对锑化铟材料的霍尔元件适用。下图给出了几种常用的采用热敏电阻进行温度补偿的例子。其中图(a)(b)(c)为电压源激励时的补偿电路，图(d)为电流源激励时的补偿电路。ri为激励源内阻，r(t)、r(t)为热敏电阻。,合理选择负载电阻,霍尔元件的输出电阻r0和霍尔电动势都是温度的函数(设为正温度系数)，霍尔元件应用时，其输出总要接负载rl(如电压表内阻或放大器的输入阻抗等)。当工作温度为t时，rl上的电压为,当温度由t变为t+t时，则rl上的电压变为,对上面式子联立，其中电压变化量设为0，得,具有温度补偿及不等位电势补偿的高精度补偿电路,抵消不等位电动势 当磁感应强度b为零时，调节rp1和rp2，使b0时的总输出电压为零。,恒定补偿电压 在霍尔元件的工作温度下限t1时，电位器rp2保持不变，调节rp1补偿电桥工作电压，使补偿电压抵消此时的不等位电动势u1。,变化补偿电压 当温度升高到t1+t 时，rp1保持不变，调节rp2，使补偿电压抵消此时的不等位电动势u1+u。此时的补偿电压实际上包含了两个分量，一个是恒定补偿电压分量，另一个是抵消工作温度升高t 时不等位电动势变化量的变化补偿电压分量。,r3,rt,r1,r2,6.2.4 霍尔集成传感器,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,霍尔集成ic 电路可分为 ： 线性型、开关型两种,线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如ugn3501等。,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,线性型霍尔特性,右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向时， 输出为正；磁场反向时，输出为负。,ugn3501m,6.2.4 霍尔集成传感器,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,开关型霍尔集成传感器是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、oc门等电路做在同一芯片上。例：开关型霍尔集成电路ugn3019，其外型与内部电路框图如图所示。,回差越大，抗干扰能力就越强。,工作点,释放点,6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔传感器的应用,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,检缺口 检齿,霍尔元件,磁铁,只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。,1 测转速,6.2.5 霍尔传感器的应用,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,2 测量位移,在结构范围内位移测量线性好,由一对极性相反的磁铁共同作用，形成一个梯度磁场。特别适合测量0.5mm小位移的机械振动，分辨力可达到10-6m。,3 霍尔电流传感器,将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。 当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,6.2.4 霍尔传感器的应用,传感与检测技术,第6章 磁电式传感器,霍尔元件的磁感应强度与导线电流 成正比，b ix，可求出测量电路的霍尔输出电势，输出电势与导线电流成正比。 h = khicb = khickbix 霍尔元件灵敏度；kb 为比例系数； c 控制电流, x为导线电流； khc kb 为一定值；,环形磁集束器作用是将载流导体中被测电流产生的磁力线集中到霍尔元件上，以提高灵敏度。,4 霍尔传感器测转速,在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。 齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的