第5章 磁电式传感器.ppt

第5章磁电式传感器,5.1磁电感应式传感器5.2霍尔式传感器,2,磁电感应式传感器主要讲授工作原理、类型，重点介绍磁电式加速度传感器的结构特点、动态特性、设计要点等霍尔式传感器主要讲授霍尔效应、霍尔器件、霍尔元件的误差以及霍尔式位移传感器,5.1磁电感应式传感器,磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它是一种有源传感器。即不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号。,4,优点：电路简单，性能稳定，输出阻抗小，输出功率大，具有一定的工作带宽（101000Hz）；缺点：体积大，重量大。,5.1.1工作原理与结构根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为,(5-1),式中:B稳恒均匀磁场的磁感应强度；l导体有效长度；v导体相对磁场的运动速度。,当一个N匝线圈在磁场中作旋转切割磁力线运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电势e与磁通变化率d/dt有如下关系：,式中，S线圈的面积,N线圈在工作气隙磁场中的匝数,线圈的转速。,(5-2),7,根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。开磁路变磁通式闭磁路动铁式恒磁通式动圈式,8,图5-1显示了变磁通式传感器的结构与原理-变磁通式磁电传感器又称为变磁阻式磁电传感器。-线圈、磁铁静止不动，感应电动势由变化的磁通产生。其频率与磁通变化的频率相同。-变磁通式磁电传感器，能用来直接测量旋转物体的角速度。,图5-1（a）为开磁路变磁通式传感器工作原理图：线圈3、磁铁1静止不动，测量齿轮4安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，它与软铁2之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。,10,开磁路式传感器的特点：结构简单；输出信号较小；加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。,图5-1(b)为闭磁路变磁通式传感器工作原理图：它由装在转轴7上的内齿轮5和装在外壳上的外齿轮6、永久磁铁1和感应线圈3组成，内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。显然，感应电势与被测转速成正比。,图5-1变磁通式磁电传感器结构图(a)开磁路；(b)闭磁路,图5-2恒定磁通式磁电传感器结构原理图（a）动圈式；(b)动铁式,恒磁通式的磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式（图5-2（a）和动铁式（图5-2(b)）的工作原理是完全相同的。,15,当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大，当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势为,(5-3),式中：B工作气隙磁感应强度；l每匝线圈平均长度；N线圈在工作气隙磁场中的匝数；v相对运动速度。由此可见，当传感器结构参数确定以后，感应电动势e与相对运动速度v成正比。,17,总结,1）磁电感应式传感器应用电磁感应现象2）只适用于动态测量3）直接测量的量是振动体的速度或旋转体的角速度4）测量电路中接入积分电路或微分电路，则可以测量物体的位移或加速度,5.1.2传感器的设计要点（依恒磁通式为例）传感器有两个基本元件：永磁体和线圈永磁体：在磁路中产生恒定的直流磁场线圈：与磁场中的磁通交链产生感应电动势,1.）永磁体设计原则永磁体工作在最大磁能积（BH)max时，磁体的体积最小。设计原则：尽可能工作在最大磁能积上常用材料：铝镍钴永磁合金永磁体必须进行时间、温度、组织结构等稳定性处理,20,2.）工作气隙设计原则为了使传感器有较高的灵敏度和较好的线性度，在保证足够大的窗口面积和所需加工安装精度的前提下，尽量减小工作气隙宽度d。一般选择:d/ld1/4ld工作气隙深度,3.）线圈组件：略小于工作气隙宽度d，保证线圈的运动自由。4.）固有频率和弹簧刚度：保证f3f0f测量频率；f0固有频率5.）阻尼系数：通过电磁阻尼和空气阻尼调节在0.60.7之间,5.1.3磁电感应式传感器的测量电路,图5-5磁电式传感器测量电路方框图,5.1.4磁电感应式传感器的应用动圈式振动速度传感器1）工作原理图5-6是动圈式振动速度传感器的结构示意图。其结构主要特点是，钢制圆形外壳，里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体，永久磁铁中间有一小孔，穿过小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环，芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。,24,工作时，传感器与被测物体刚性连接，当物体振动时，传感器外壳和永久磁铁随之振动，而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。因而，磁路空气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势，线圈的输出通过引线输出到测量电路。,图5-6动圈式振动速度传感器,26,2）动态特性,二阶动态模型Xm质量块的绝对位移X0振动体的绝对位移Xi=Xm-X0相对位移,27,数学模型,28,传递函数经拉普拉斯变换得：传递函数为：或,29,令则有：或,30,频响方程幅频特性相频特性,31,磁电式扭矩传感器图5-7是磁电式扭矩传感器的工作原理图。在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘。它们旁边装有相应的两个磁电传感器。磁电传感器的结构见图5-8所示。当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，在线圈中感应出交流电压，其频率在数值上等于圆盘上齿数与转数的乘积。,图5-7磁电式扭矩传感器工作原理图,图5-8磁电式传感器结构图,当扭矩作用在扭转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1和u2存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。这样，传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。,5.2霍尔式传感器,5.2.1霍尔效应及霍尔元件1.霍尔(EdwinHerbertHall)效应置于磁场中的导体或半导体，当有电流流过时，在垂直于电流与磁场方向上将产生电动势，这种现象称霍尔效应，该电势称霍尔电势。如图5-9所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导体或半导体片，并通以电流I，方向如图所示。,fl=eBv,（5-9）,式中：e电子电荷；v电子运动平均速度；B磁场的磁感应强度。,电流使金属中自由电子或半导体中载流子(电子)在电场作用下做定向运动。此时，每个电子受洛伦兹力fl的作用，fl的大小为,图5-9霍尔效应原理图,fl的方向在图5-9中是向内的，此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在fl的作用下偏转，结果使金属导电板内侧面积累电子，而外侧面失去电子而带正电，从而形成了附加内电场EH，称霍尔电场，该电场强度为,（5-10）,式中,UH为霍尔电动势。,霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛伦兹力作用外，还受到霍尔电场力的作用，其力的大小为eEH，此力阻止电荷继续积累。随着内、外侧面积累电荷的增加，霍尔电场增大，电子受到的霍尔电场力也增大，当电子所受洛伦兹力与霍尔电场力大小相等方向相反时，即,eEH=eBv,（5-11）,41,则,EH=vB,（5-12）,此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。,假设金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速度为v，则电流I=nevbd，即,（5-13）,将式（5-13）代入式（5-12）得,（5-14）,将上式代入式（5-10）得,（5-15）,式中令RH=1/ne，称之为霍尔系数，其大小取决于导体载流子密度,则,（5-16）,式中,KH=RH/d称为霍尔片的灵敏系数。,由式（5-16）可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数RH成正比，而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏系数，霍尔元件常制成薄片形状。通常厚度为0.1mm，而薄膜霍尔元件的厚度只有1。,45,霍尔元件极间电阻R=l/(bd)，同时R=U/I=El/I=vl/(nevbd)（因为=v/E,为电子迁移率），则,(5-17),解得,RH=,(5-18),从式（5-18）可知，霍尔系数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低，N型半导体材料（其电子迁移率大于P型的空穴迁移率）才适于制造霍尔片。,47,目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。表5-1为常用国产霍尔元件的技术参数。N型锗:容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。可用于高精度测量。N型硅:线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗。,48,锑化铟:对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。可用于敏感元件。砷化铟:霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。可用于高精度测量。,表5-1常用国产霍尔元件的技术参数,2.霍尔元件结构霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成的，如图5-10（a）所示。霍尔片：一块矩形半导体单晶薄片。四根引线：1、1两根引线加激励电流，称激励电极（控制电极），用红色导线；2、2引线为霍尔输出引线，称霍尔电极，用绿色导线。,51,焊接：欧姆接触壳体：用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。电路符号：霍尔元件一般可用两种符号表示，如图5-10（b）所示。,图5-10霍尔元件（a）外形结构示意图；（b）图形符号,3.霍尔元件基本特性（1）额定激励电流和最大允许激励电流额定激励电流：当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流。最大允许激励电流：元件允许最大温升为限制所对应的激励电流。改善霍尔元件的散热条件，可以使激励电流增加。,（2）输入电阻和输出电阻输入电阻：激励电极间的电阻值。输出电阻：霍尔电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻称之。输入（输出）电阻值随磁场强度增加而增大，称为磁阻效应。磁阻效应会使霍尔输出降低。温度变化也会引起输入（输出）电阻值变化。,（3）不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，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，如图5-11所示。,56,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；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。,图5-11(a)不等位电势示意图（位置不对称）,58,图5-11(b)不等位电势示意图（等位面倾斜）,不等位电势也可用不等位电阻表示，即,（5-19）,式中：U0不等位电势；r0不等位电阻；I激励电流。,60,（4）寄生直流电势在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。,其产生的原因有：激励电极与霍尔电极接触不良，形成非欧姆接触，造成整流效果；两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同，散热状态不同而形成极间温差电势。寄生直流电势一般在1mV以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。,（5）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。它同时也是霍尔系数的温度系数。,4.霍尔元件不等位电势补偿不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。,图5-12为霍尔元件的等效电路，其中A、B为霍尔电极，C、D为激励电极，电极分布电阻分别用r1、r2、r3、r4表示，把它们看作电桥的四个桥臂。,图5-12霍尔元件的等效电路,66,理想情况：电极A、B处于同一等位面上，r1=r2=r3=r4，电桥平衡，不等位电势U0为0。实际情况：A、B电极不在同一等位面上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电势不等于零。,67,补偿方法：此时可根据A、B两点电位的高低，在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电势为零。几种补偿线路如图5-13所示。图（a）、（b）为常见的补偿电路。图（b）、（c）相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻，对称补偿。图（d）用于交流供电的情况。,图5-13不等位电势补偿电路,5.霍尔元件温度补偿霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。,70,为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定。但也只能是减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流I的变化的影响。,霍尔元件的灵敏系数KH是温度的函数，它随温度变化时引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成,KH=KH0(1+T),（5-20）,式中：KH0温度T0时的KH值；T温度变化量；霍尔元件灵敏度温度系数。,大多数霍尔元件的温度系数是正值，它们的霍尔电势随温度升高而增加T倍。补偿思路：如果同时让激励电流Is相应地减小，并能保持KHIs乘积不变，也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。,73,恒流源补偿电路（见图5-14）：电路中Is为恒流源，分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极相并联。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Rp自动地增大分流，减小了霍尔元件的激励电流IH，从而达到补偿的目的。,图5-14恒流温度补偿电路,在图5-14所示的温度补偿电路中，设初始温度为T0，霍尔元件输入电阻为Ri0，灵敏系数为KH0，分流电阻为Rp0，根据分流概念得,（5-21）,76,当温度升至T时，电路中各参数变为,（5-22）,（5-23）,式中：霍尔元件输入电阻温度系数；分流电阻温度系数。,此时,（5-24）,温度升高了T，为使霍尔电势输出不变，补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电势不变，即UH0=UH，则,KH0IH0B=KHIHB,（5-25）,即,KH0IH0=KHIH,（5-26）,将式（5-20）、（5-21）、（5-24）代入上式，经整理并略去(T)2高次项后得,（5-27）,当霍尔元件选定后，它的输入电阻Ri0和温度系数及霍尔电势温度系数是确定值。由式（5-27）即可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值。,5.2.2霍尔传感器的应用1.霍尔式微位移传感器霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点，它不仅用于磁感应强度、有功功率及电能参数的测量，也在位移测量中得到广泛应用。图5-15给出了一些霍尔式位移传感器的工作原理图。,图5-15霍尔式位移传感器的工作原理图(a)磁场强度相同传感器；(b)简单的位移传感器；(c)结构相同的位移传感器,81,图5-