《磁电传感器》PPT课件.ppt

5.1 磁电式传感器,基本原理： 利用电磁感应原理，将输入(如振动、转速、扭矩运动速度)转换成线圈中感应电动势输出的传感器。,特点： 有源传感器：不需要提供电源; 如振动、转速、扭矩 具有双向转换特性; 具有较大的输出功率; 只适用于动态测量。,5.1.1 磁电式传感器的工作原理 5.1.2 动圈式磁电传感器 5.1.3 磁阻式磁电传感器 5.1.4 磁电式传感器的动态特性,5.1 磁电式传感器,5.1.1 磁电式传感器的工作原理,由法拉第电磁感应定律，当N匝线圈在均恒磁场中运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈的感应电动势E为：,线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线，感生电势为：,B：磁场磁感应强度；l:每匝线圈的有效长度 ：运动方向与磁场方向之间的夹角； v:线圈与磁场之间的相对运动速度，m/s,线圈相对磁场作旋转运动并切割磁力线，感生电势为：,S：每匝线圈的围成的面积 ：线圈平面法线方向与磁场方向之间的夹角； :线圈与磁场之间的相对运动角速度,两种基本类型,恒定磁通式： 工作气隙中磁通不变，线圈中的感应电势由线圈相对永久磁铁运动并切割磁力线产生。 变磁通式： 磁铁、线圈均不动，感应电势由变化的磁通产生，如图示转速测量：,1一永久磁铁 2一软磁铁 3一感应线圈 4一测量齿轮,不同类型的磁电式传感器,磁通量的变化实现办法: 磁铁与线圈之间作相对运动； 磁路中磁阻的变化； 恒定磁场中线圈面积的变化. 直接应用：测定速度 在信号调节电路中接积分电路，或微分电路，磁电式传感器就可以用来测量位移或加速度。,5.1.1 磁电式传感器的工作原理 5.1.2 动圈式磁电传感器 5.1.3 磁阻式磁电传感器 5.1.4 磁电式传感器的动态特性,5.1 磁电式传感器,5.1.2 动圈式磁电传感器,1. 动圈式磁电传感器原理 2. 动圈式磁电传感器结构,永久磁铁,线圈,弹簧,1. 动圈式磁电传感器原理,传感器原理,如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的， 则当线圈与磁场的相对速度为时，线圈的感应电动势：,当90，线圈的感应电动势为：,当N、B和la恒定不变时，E与=dx/dt成正比， 根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。,动圈式演示,动圈式振动传感器结构,弹簧片,阻尼杯,磁钢,芯轴,壳体,线圈,引线,2. 动圈式磁电传感器结构,磁电式传感器构成： 1、磁路系统 由它产生恒定直流磁场。为了减小传感器的体积，一般都采用永久磁铁； 2、线圈 由它运动切割磁力线产生感应电动势。作为一个完整的磁电式传感器，除了磁路系统和线圈外，还有一些其它元件，如壳体、支承、阻尼器、接线装置等。,1弹簧 ; 2壳体; 3阻尼环; 4磁钢;5线圈; 6芯轴,在测振时，传感器固定或紧压于被测物体，磁钢4与壳体2一起随被测系统的振动而振动。 装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成惯性系统的质量块并在磁场中运动。,动圈式传感器结构：,1顶杆 2弹簧片 3磁钢 4线圈 5引出线 6壳体,用途：用来测量振动系统中两部件之间的相对振动速度。,直接式振动传感器,连接方式：壳体固定于一部件上，线圈与顶杆相对固定，而顶杆与另一部件相接触，依靠弹簧片回复原位。当两部件相对运动时，使线圈与磁钢产生相对运动，产生相应的电动势。,5.1.1 磁电式传感器的工作原理 5.1.2 动圈式磁电传感器 5.1.3 磁阻式磁电传感器 5.1.4 磁电式传感器的动态特性,5.1 磁电式传感器,5.1.3 磁阻式磁电传感器,线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁能量，在线圈中产生感应电动势。 用来测量转速，线圈中产生感应电动势的频率作为输出，而电势的频率取决于磁通变化的频率。 结构：开磁路、闭磁路,开磁路磁阻式转速传感器,1永久磁铁 3感应线圈 2软铁 4齿轮,结构比较简单，但输出信号较小， 当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。,闭磁路磁阻式转速传感器,闭磁路磁组式转速传感器,采用在振动强的场合，有下限工作频率（50Hz ） 传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度，,5.1.1 磁电式传感器的工作原理 5.1.2 动圈式磁电传感器 5.1.3 磁阻式磁电传感器 5.1.4 磁电式传感器的动态特性,5.1 磁电式传感器,5.1.4 磁电式传感器的动态特性,一个二阶系统。 Vo为传感器外壳的运动速度，即被测物体运动速度； Vm为传感器惯性质量块的运动速度。,等效机械系统,若V(t)为惯性质量块相对外壳的运动速度,幅频特性 相频特性,式中，被测振动的角频率； n传感器运动系统的固有角频率 传感器运动系统的阻尼比,运动方程,磁电式速度传感器的频率响应特性曲线,只有n的情况下，Av()1， 相对速度V(t)的大小才可以作为被测振动速度V0 (t) 的量度。 因此磁电式速度传感器的频率较低，一般为1015Hz。,测量振动速度的原理,相对运动速度V（t）就是前面的线圈相对磁场的运动速度dx/dt.,传感器的输出电势E与相对速度V（t）成正比， 而V（t）可以度量被测振动速度V0（t）， 所以电势E也可以度量V0（t）。,End the 5.1,物理现象观察,霍尔效应,当把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，沿着垂直于磁场的方向通以电流I，就会在薄片的另一对侧面间产生电动势UH，如图所示。,5.2 霍尔传感器,5.2.1 霍尔传感器工作原理 5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路 5.2.3 霍尔元件的主要特性参数 5.2.4 霍尔元件误差及补偿 5.2.5 霍尔式传感器的应用,实例,霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。,发现：1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,发展：由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用，随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。,应用：霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等 方面的测量。,5.2.1 霍尔传感器工作原理,5.2.1 霍尔传感器工作原理,在金属或半导体薄片的两端通过控制电流，并在薄片的垂直方向上施加磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势（霍尔电势），这种现象称为霍尔效应。,当把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，沿着垂直于磁场的方向通以电流I，就会在薄片的另一对侧面间产生电动势UH，如图1所示。这种现象称为霍尔效应，所产生的电动势称为霍尔电动势，这种薄片（一般为半导体）称为霍尔片或霍尔元件。,5.2.1 霍尔传感器工作原理,在磁场B中运动的电子将受到Lorentz力fL fL=evB (1) 偏转,建立的霍尔电场EH对随后的运动电子施加一电场力fE fE=eEH=eUH /b (2) 平衡时， fL = fE，即 evB= eUH /b (3) 由于电流密度J=-nev(v为电子运动速度 )，则电流强度为 I=-nevbd (4) 所以 (5) 式中，d霍尔片厚度；n电子浓度； RH=1/ne霍尔系数；KH=RH/d=1/ned霍尔灵敏度。,5.2.1 霍尔传感器工作原理,1. 霍尔效应,材料、尺寸确定的元件,KH保持常数。 UH仅与IB成正比。,(7),(8),当磁场改变方向时, UH 也改变方向，实际作用于元件上有效磁场是其法线方向的分量，即Bcos。,(9),5.2.1 霍尔传感器工作原理,霍尔常数,霍尔常数大小取决于导体的载流子密度： 金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小， 所以金属材料不宜制作霍尔元件。 霍尔电势与导体厚度d成反比： 为了提高霍尔电势值， 霍尔元件制成薄片形状。,霍尔元件灵敏度（灵敏系数）,半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高， 因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，,5.2 霍尔传感器,5.2.1 霍尔传感器工作原理 5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路 5.2.3 霍尔元件的主要特性参数 5.2.4 霍尔元件误差及补偿 5.2.5 霍尔式传感器的应用,5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路,霍尔元件,霍尔元件命名、材料及结构,从式(3) evB= eUH /b (3) RH=1/ne霍尔系数；KH=RH/d=1/ned霍尔灵敏度 知，霍尔电压UH与载流子的运动速度v有关，即与载流子的迁移率有关。 由于= v/El(El为电流方向上的电场强度)，材料的电阻=1/ne，所以霍尔系数RH与载流体材料的电阻率和载流子的迁移率的关系为 RH= (6),霍尔元件命名、材料及结构,KH=RH/d(为提高霍尔灵敏度，选择材料的霍尔系数RH尽可能大，d尽可能小) (d太小，导致元件的输入输出电阻增加) RH= 金属导体：大，但小（n大）； 绝缘体：大（n小），但小； 它们都不宜作霍尔元件(RH太小)。 半导体：、适中适宜作霍尔元件。 对于导体，霍尔系数一般较小，故霍尔元件一般用半导体制作，且愈小（薄），灵敏度愈高.,霍尔元件命名、材料及结构,霍尔元件的输出与灵敏度有关，KH越大，UH越大。 霍尔灵敏度主要取决于元件的性质和尺寸。 和越大 ， RH=越大， UH越大。 元件的厚度d越小， KH越大，UH越大。,(8),RH= （6）,(9),霍尔元件命名、材料及结构,图2 霍尔元件示意图 a)原理图；b)结构图；c)图形符号；d)外形图,霍尔元件命名、材料及结构,霍尔元件是半导体四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相对两侧对称的悍上两对电极引出线（一对称激励电流端，另一对称霍尔电势输出端），如图2b所示,霍尔元件是一种四端元件,霍尔元件命名、材料及结构,敏感元器件及传感器的型号命名方法由以下四部分组成： 第一部分主称（用字母表示） 第二部分类别或材料（用字母或数字表示） 第三部分特征（用字母或数字表示） 第四部分序号和区别代号（用数字加字母表示）,霍尔元件命名,第一部分:H代表霍尔元件 第二部分:类别或材料(Z、S、T) 第三部分:序号,5.2 霍尔传感器,5.2.1 霍尔传感器工作原理 5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路 5.2.3 霍尔元件的主要特性参数 5.2.4 霍尔元件误差及补偿 5.2.5 霍尔式传感器的应用,输入电阻Ri和输出电阻Ro Ri是指控制电流极之间的电阻值。 R0指霍尔元件电极间的电阻。 Ri 、R0可以在无磁场时用欧姆表等测量。 Ri Ro，Ri、Ro=1002000。 额定激励电流IN和最大允许激励电流Imax 霍尔元件在空气中产生的温升为10时，所对应的激励电流称为额定激励电流IN。以元件允许的最大温升为限制，所对应的激励电流称为最大允许激励电流Imax。,5.2.3 霍尔元件的主要特性参数：,不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为额定值IN时，若元件所处位置的磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零，这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。 产生原因:主要由霍尔电极安装不对称造成的,由于半导体材料的电阻率不均匀、基片的厚度和宽度不一致、霍尔电极与基片的接触不良（部分接触）等原因，即使霍尔电极的装配绝对对称，也会产生不等位电势。,5.2.3 霍尔元件的主要特性参数：,霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1时，霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数。,5.2.3 霍尔元件的主要特性参数：,霍尔灵敏系数KH 在单位控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输出端的开路电压，称为霍尔灵敏系数KH，霍尔灵敏系数KH的单位为V/（AT）。,减小d; 选好的半导体材料,5.2.3 霍尔元件的主要特性参数：,(6) 寄生直流电势 霍尔元件零位误差的一部分 当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。 两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势时，霍尔电势变化的百分率,霍尔元件的主要技术参数,5.2 霍尔传感器,5.2.1 霍尔传感器工作原理 5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路 5.2.3 霍尔元件的主要特性参数 5.2.4 霍尔元件误差及补偿 5.2.5 霍尔式传感器的应用,霍尔式传感器在实际使用中常常有很多因素影响其测量精度，造成测量误差。 常见的主要因素有半导体本身固有的特性，半导体制造的工艺水平，环境温度的变化情况，霍尔传感器的安装是否合理等。 测量误差一般表现为零位误差和温度误差。,5.3.4 霍尔元件误差及补偿,1.温度误差及其补偿 2.不等位电势误差的补偿,霍尔元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度之间的关系。与一般半导体一样，由于电阻率、迁移率以及载流子浓度随温度变化，所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也将随温度而变化。不同材料的内阻及霍尔电压与温度的关系曲线见图3和图4所示。 当温度变化时，这些参数值都会发生变化，温度的变化会引起霍尔电势的改变，称为温度误差。,1. 温度误差及其补偿,1)温度补偿 为了减小温度误差，除了采用温度系数小的材料作为霍尔元件或采取恒温槽外，还可以采取其他适当的补偿电路。,减小霍尔元件的温度误差,选用温度系数小的元件 采用恒温措施 采用恒流源供电,1)温度补偿 我们把温度每变化1时，霍尔元件输入电阻或输出电阻的相对变化率称为内阻温度系数，用表示。把温度每变化1时，霍尔电压的相对变化率称为霍尔电压温度系数，用表示。,1)温度补偿 a.恒流源供电和输入回路并联电阻 温度变化会引起霍尔元件的输出电阻发生变化，在恒压源供电时，引起激励电流发生变化，带来误差。为了减小这种误差，通常采用恒流源提供电流。,1)温度补偿 a.恒流源供电和输入回路并联电阻 温度变化会引起霍尔元件的输出电阻发生变化，在恒压源供电时，引起激励电流发生变化，带来误差。为了减小这种误差，通常采用恒流源提供电流。,恒流源温度补偿,霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引起 霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系,大多数霍尔元件的温度系数是正值时， 它们的霍尔电势随温度的升高而增加（1+t）倍。 同时，让控制电流I相应地减小，能保持KHI不变就 抵消了灵敏系数值增加的影响,恒流源温度补偿电路,当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时， 旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流,控制电流,温度升到T时，电路中各参数变为,式中， 霍尔元件输入电阻温度系数； 分流电阻温度系。,为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足: 升温前、后的霍尔电势不变，,经整理，忽略 高次项后得,用上式即可计算出分流电阻及所需的温度系数值,1)温度补偿 b.恒压源供电和输入回路串联电阻 当霍尔元件采用恒压源供电时，且霍尔输出端处于开路状态，可在输入回路中串联补偿电阻R来进行补偿，补偿电路如图4所示。,1)温度补偿 c.利用输出回路的负载进行补偿,（a）基本电路 （b）等效电路 图7 输出回路负载补偿,1)温度补偿 b.利用输出回路的负载进行补偿,此时，RL上的电压为,在温度影响下，元件输出电阻和电势变为：,1)温度补偿 b.利用输出回路的负载进行补偿,负载电阻RL上电压随温度变化最小的极值条件为,根据,2. 不等位电势误差的补偿,可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。,不等位电动势补偿 当霍尔元件B=0，I0，UH=U00。 这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。 产生这一现象的原因有: 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；,图8 两电极电不在同一等电位面上,图9等电位面歪斜,不等位电动势补偿,图10 不等位电势,图11 霍尔元件的等效电路,几种常用补偿方法,B,B,B,不等位电动势补偿,不等位电势补偿的方法 理想情况下, R1=R2=R3=R4, U00 由于不等位电阻的存在,说明此四个电阻值不相等, 则电桥不平衡。为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联电阻，或在两个桥臂上同时并联电阻。,图12 不等位电势补偿电路,不等位电势的补偿电路,不对称电路简单，而对称补偿的温度稳定性要好些,5.2 霍尔传感器,5.2.1 霍尔传感器工作原理 5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路 5.2.3 霍尔元件的主要特性参数 5.2.4 霍尔元件误差及补偿 5.2.5 霍尔式传感器的应用,5.2.5 霍尔式传感器的应用,优点: 结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长 应用： 电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数； 自动检测系统：多用于位移、压力的测量。,霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函数，即 EH=KHIBcos 。 利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。 霍尔传感器主要用于测量能够转换为磁场变化的其他物理量。,1. 微位移和压力的测量,测量原理： 霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。 应用： 位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度,产生梯度磁场的示意图,位移量较小，适于测量微位移和机械振动,霍尔式压力传感器,弹簧管 磁铁 霍尔片,2.霍尔特斯拉计（高斯计）（检测磁场）,检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。,5.2.5 霍尔式传感器的应用,1.霍尔特斯拉计（高斯计）（检测磁场） 在磁场强度为0.IT时，UGN3501M的典型输出电压为1400mV，因此可以制成0.1T的高斯计，如图 18所示。电源电压为816V。在5、6脚接一个 20的调零电位器，在1、8脚接一可调灵敏度的10k电位器及内阻常数最小为10k/V的电压表。若在5、 6两脚上各接一只47电阻后，再接20电位器，其线性范围可达0.3T。,图18 简易高斯计,1,4,5,8,5.2.5 霍尔式传感器的应用,霍尔特斯拉计（高斯计）,霍尔元件,霍尔高斯计（特斯拉计）的使用,霍尔元件,磁铁,3.计数器 由于UGN3501T具有较高的灵敏度,它能感受很小磁场变化。因而检测黑色金属的有无。我们利用它的这一特性可制成计数装车。,图19 钢球计数装置及电路图,5.2.5 霍尔式传感器的应用,霍尔计数装置,霍尔计数装置及电路,(a)工作示意图,( b) 电路图,当钢球(永磁体)滚过霍尔传感器位置时,传感器输出一个峰值为20mV的脉冲,此脉冲信号经A741运放放大后驱动2N5812三极管,使之完成导通、截止过程。把计数器接于2N5812输出端即可构成计数器。,图19 钢球计数电路图,5.2.5 霍尔式传感器的应用,4.霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。,5.2.5 霍尔式传感器的应用,4.霍尔式接近开关 当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC），起限位的作用。,用霍尔IC只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。,图20 霍尔接近开关,5.2.5 霍尔式传感器的应用,4.霍尔式接近开关用于转速测量演示,n,=,60,f,4,(r/min),软铁分流翼片,开关型霍尔IC,T,5.霍尔转速表 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转速。,图21 霍尔转速表,5.2.5 霍尔式传感器的应用,5.霍尔转速表 原理：当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。,5.2.5 霍尔式传感器的应用,5.霍尔转速表 应用：霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用,若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测和保持车轮的转动，有助于控制刹车力的大小和防止侧偏。,5.2.5 霍尔式传感器的应用,5.霍尔转速表 安装：其他安装方法,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。,霍尔元件,磁铁,5.2.5 霍尔式传感器的应用,6.角位移测量 角度测量 如图22(a)所示，将霍尔器件置于永久磁铁的磁场中， 其输出霍尔电势UH为,图22 霍尔角度检测,5.2.5 霍尔式传感器的应用,7.汽车霍尔点火器 图23为霍尔开关电子点火