《磁电式传感器》PPT课件.ppt

传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,主要内容： 6.1 磁电感应式传感器 6.2 霍尔式传感器,传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,概述,传感器原理及应用,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、振动等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。 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。是典型的有源传感器。,6.1 磁电感应式传感器（电动式） 6.1.1 工作原理,传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,根据电磁感应定律，N匝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。,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,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。,线圈绕组中的感应电势与磁场、线圈的匝数圈数及运动速度有关，感应电动势可以表示为,6.1 磁电感应式传感器（电动式） 6.1.1 工作原理,传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,结构：磁电式传感器由磁钢、线圈、弹簧、阻尼器和壳体等组成，是典型的二阶系统，根据原理有两种磁电感应式传感器： 1.恒磁通式: 恒定磁场，运动部件可以是线圈也可以是磁铁。 2.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,6.1 磁电感应式传感器（电动式） 6.1.1 工作原理,传感器原理及应用,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 磁电感应式传感器（电动式） 6.1.1 工作原理,传感器原理及应用,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。,开磁路,闭磁路,（a）开磁路 （b）闭磁路,第6章 磁电式传感器,6.1 磁电感应式传感器（电动式） 6.1.2 基本特性,传感器原理及应用,电压灵敏度：,由 可确定灵敏度为常数,电流灵敏度:,可定义出磁电感应式传感器灵敏度,对于结构确定的磁电式传感器，传感器电势输出正比于振动速度,6.1 磁电感应式传感器（电动式） 6.1.3 测量电路,传感器原理及应用,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，磁铁与线圈之间相对运动时，磁路线圈切割磁力线产生于正比速度的感应电动势， 由此输出可直接获得速度信号。,第6章 磁电式传感器,6.1 磁电感应式传感器（电动式） 6.1.3 测量电路,传感器原理及应用,速度经积分电路 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 磁电感应式传感器（电动式） 6.1.3 测量电路,传感器原理及应用,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,第6章 磁电式传感器,6.1 磁电感应式传感器（电动式） 6.1.4 应用,传感器原理及应用,1.磁电式转速传感器 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齿的发讯齿轮时，就可以得到一个简单的转速公式 n=f。所以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 磁电感应式传感器（电动式） 6.1.4 应用,传感器原理及应用,2.机械振动监测 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。 因传感器接收飞机上各种频率的振动信号，必须经滤波电路将其它频率信号衰减后，才可能准确测量出发动机的振动速度。当振动量超过规定值时，发出报警信号，飞行员可随时采取紧急措施，避免事故发生。,机械振动监视系统原理框图,6.2 霍尔式传感器,传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,霍尔传感器是一种磁敏元件，主要用于磁场检测; 而与人们相关的磁场范围很宽，一般的磁敏传感器检测的最低磁场只能测到10-6高斯。,磁场强度与磁场源的分布,6.2 霍尔式传感器,传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,测磁的方法： 利用电磁感应作用的传感器（强磁场） 如：磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器； 利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件测量磁场； 利用超导效应传感器，SQVID 约瑟夫元件； 利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。 利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器； 随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化， 微型化和集成化方向发展。,概述,传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换 原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。 随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展， 目前广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等 方面的电磁、压力、加速度、振动测量。 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 6.2.1 霍尔效应,传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,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强度的磁场，在导体薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势UH ，这种现象称霍尔效应。电动势为,1878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。,霍尔传感器基于霍尔效应,6.2 霍尔式传感器 6.2.1 霍尔效应,传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：,式中霍尔电场强度为,霍尔电场作用于电子的力,第6章 磁电式传感器,6.2 霍尔式传感器 6.2.1 霍尔效应,传感器原理及应用,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：,n 载流子浓度， v 电子运动速度， b d 导体薄片横截面积 ， e 为电子电荷量。,第6章 磁电式传感器,6.2 霍尔式传感器 6.2.1 霍尔效应,传感器原理及应用,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：电阻率、n电子浓度、电子迁移率 =/E 单位电场强度作用下载流子运动速度。,可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比,6.2 霍尔式传感器 6.2.1 霍尔效应,传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,讨论： 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，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）; 由霍尔灵敏度可见，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。,6.2 霍尔式传感器 6.2.2 霍尔传感器基本电路,传感器原理及应用,第6章 磁电式传感器,霍尔元件外形和符号,6.2 霍尔式传感器 6.2.2 霍尔传感器基本电路,传感器原理及应用,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 霍尔式传感器 6.2.3霍尔传感器的应用