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第七章磁电式传感器，教师：彭，发动机控制系统车速传感器。利用速度传感器输出的信号，控制计算机可以控制其他功能，如发动机怠速、自动变速器换档和发动机冷却风扇的打开和关闭。磁电式速度传感器广泛应用于欧洲、北美和亚洲的各种汽车中。1、速度传感器，2、机载振动检测系统，飞机飞行过程中发动机运行的平衡和空气动力的作用都会引起各部分产生不同程度的振动，当振动量过大时，就会造成飞机部件的损坏。因此，为了保证飞行安全，在飞机设计中，必须对发动机、机身、机翼等重要部件进行地面振动试验。确保这些部件的结构设计是否合理，零件的加工和装配是否符合质量要求。磁电式振动传感器广泛应用于这些测试中。7.1磁电感应传感器7.2霍尔传感器，磁电感应传感器，是一种利用电磁感应原理来转换被测(如振动、位移、转速等)的传感器。)转化为感应电势输出。它可以将被测物体的机械量转换成电信号，无需辅助电源，易于测量，是一种主动传感器。由于其高输出功率，匹配电路相对简单，应用广泛。7.1磁电感应传感器，从电磁感应定律可知：7.1.1磁电感应传感器原理，(1)导体不运动，因为磁场的大小或方向变化会产生感应电动势，(2)因为导体在磁场中运动(v不平行于b)会产生动态电动势，所以产生感应电动势的方法有两种：(2)线圈相对于磁场运动来切割磁力线；(1)改变磁路的磁通量；根据上述原理，可以设计两种磁电感应传感器结构：可变磁通(可变磁阻)和恒定磁通。1、可变磁阻磁电传感器的工作原理，这种传感器的线圈和磁体部分是静止的，与被测物体相连，运动部分是由导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路的磁阻，从而改变通过线圈的磁通量，从而在线圈中产生感应电动势。结构简单牢固，价格低廉，广泛应用于车辆中作为车轮速度传感器来检测车轮速度。上图显示了可变磁通磁电传感器的结构原理。传感器线圈、磁铁和外壳是固定的，齿轮安装在待测旋转体上。可变磁阻磁电传感器的结构分为两种：开路磁路和闭合磁路。(1)开放式磁路结构，线圈和磁铁静止不动，齿的凹凸使磁路磁阻周期性变化，线圈中感应电动势的变化频率等于磁通量的变化频率，等于测量转速与测量齿轮齿数的乘积，即z为齿轮齿数，n为被测物体转速(r/min)。这种结构简单，但输出信号小，适用于转速较低或振动较小的场合，(2)闭合磁路式结构，1。永磁体3、线圈5、内齿轮6、外齿轮7和待测轴由安装在轴上的内齿轮和外齿轮、永磁体和感应线圈组成。内齿轮和外齿轮的齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴转动，内外齿轮的相对转动导致气隙磁阻周期性变化，从而导致磁路中的磁通量变化，导致线圈中感应电动势的周期性变化。显然，感应电势的频率也与测量的转速成正比。永磁磁通磁电传感器的工作原理(相对运动型)磁路系统(永磁体)产生恒定的直流磁场和气隙因为弹簧非常软且轻，所以运动部件(缠绕在金属框架上的线圈)的质量相对较大。当物体的振动频率足够高时，运动部件的惯性就非常大，所以与振动体一起振动为时已晚，而且它几乎是静止的。振动能量几乎完全被弹簧吸收。永磁体在线圈之间的相对运动速度接近振动体的振动速度。磁体和线圈的相对运动速度切断磁力线，从而产生感应电动势。假设线圈运动空间中工作气隙磁场的磁感应强度b是均匀的，线圈的匝数是w，l是线圈的平均长度。当线圈和磁场之间的相对运动速度为dx/dt时，线圈的感应电动势为：当=90时，线圈运动方向与b之间的角度。因此，当线圈的匝数、工作气隙的磁感应强度和线圈的有效长度不变时，感应电动势与测量速度成正比。7.1.2磁电感应传感器的非线性误差。磁电式传感器非线性误差的主要原因是：在传感器线圈中流动的电流I会产生一定的交变磁通量 I。该交变磁通量叠加在永磁体产生的工作磁通量上，使得恒定的气隙磁通量如图所示变化。图7-4传感器线圈电流的磁场效应。1.当传感器线圈相对于永磁体磁场的移动速度增加时，将产生更大的感应电势e和更大的电流I，并且由此产生的附加磁场的方向与原始工作磁场的方向相反，削弱了工作磁场的影响，从而使得传感器的灵敏度随着测量速度的增加而降低。当线圈的运动速度与图中所示的相反时，线圈的感应电势e和感应电流是相反的，并且产生的附加磁场的方向与工作磁场的方向相同，从而增加了传感器的灵敏度。结果，当线圈的移动速度方向不同时，传感器的灵敏度具有不同的值，即，传感器输出具有非线性特性，并且传感器的灵敏度越高，线圈中的电流越大，并且该非线性越严重。7.1.3磁电式传感器测量电路，图7-5磁电式传感器测量电路框图，位移测量，加速度测量，磁电式传感器直接输出感应电势，而且传感器通常具有高灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。然而，磁电传感器是一种速度传感器。为了获得测量的位移或加速度信号，需要积分或微分电路。7.1.4动圈式振动速度传感器，JS-05磁电式振动速度传感器，价格：490元，结构：钢制圆形外壳，外壳上用铝制支架固定有一个圆柱形永磁体，永磁体中间有一个小孔，穿过小孔的芯轴两端设置有线圈和阻尼环，芯轴两端由圆形膜片支撑在上方并与外壳连接。1、心轴2、圆形外壳3、弹簧片4、铝支架5、永磁体6、线圈7、阻尼环8、导线。在操作过程中，传感器与被测物体刚性连接。当物体振动时，传感器外壳和永磁体振动，而高架心轴、线圈和阻尼环不会由于惯性而振动。因此，磁路气隙中的线圈切断磁力线，产生与振动速度成比例的感应电动势，线圈的输出通过导线输出到测量电路。传感器测量振动速度参数。如果积分电路连接到测量电路，输出电势与位移成比例。如果差动电路连接到测量电路，其输出与加速度成比例。7.1.5磁电感应流量计，可用于测量具有一定电导率的流体流量。其原理如下：当导电流体在绝缘导管中流动时，两个电极之间的流体可视为一段内径为t的导体7.2霍尔传感器，7.2.1霍尔效应和霍尔元件，电流被施加到导体的两侧ab，并且在导体的垂直方向上施加具有磁感应强度B的磁场，然后在垂直于电流和磁场方向的另两侧cd上将产生电势，这被称为霍尔效应。产生的电势称为霍尔电势。霍尔效应，a，b，d，c，如图7-9所示，导电板放置在垂直于外部磁场b的方向上，导电板通过电流I，如图所示。导电板中的电流使金属中的自由电子在电场的作用下定向移动。此时，每个电子都受到洛伦兹力fL的影响，f=qvb，尺寸fL=evB。方向在哪里？根据左手定理或右手螺旋法则判断，注意负电荷，所以方向与拇指方向相反，即图中红色箭头的方向。霍尔效应原理分析：此时，电子除了沿电流的反方向作定向运动外，还在fL的作用下漂移，导致电子在金属导电板的内侧积累，在外侧积累正电荷，从而形成一个额外的内部电场EH，称为霍尔电场，其强度为，其中UH是内侧和外侧之间的电位差。霍尔电场的出现，使电子的定向运动除了洛伦兹力之外，还受到霍尔电场的力。力的大小是eEH，方向是图中绿色箭头指示的方向。因为它与fL方向相反，所以电荷不会积累。eEH=eBv，即，EH=vB。这时，电荷将不再向两边聚集，达到平衡状态。当电子上的洛伦兹力等于和相反于霍尔电场力时，即霍尔电场随着内侧和外侧电荷的增加而增加，电子上的霍尔电场力也增加。如果金属导电板单位体积内的电子数为载流子密度n，电子定向运动的平均速度为v，则激励电流I=ne(bdx)/t=nebdv，即，将公式(7-13)代入公式，因此霍尔电势为：霍尔电场，EH=vB，因此RH=1/ne，通常称为霍尔系数，其大小取决于导体的载流子密度n，其中KH=RH/d称为霍尔板的灵敏度，表示霍尔电势从上述公式可以看出，霍尔电位与激励电流I和磁感应强度B成正比，其灵敏度与霍尔系数RH成正比，与霍尔板厚度D成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件通常制成片状。假设导体材料的电阻率为，霍尔元件激励电极间电阻R=l/(bd)，而R=U/I=E1/I=E1/(nev BD)，引入迁移率(指在单位电场作用下载流子(电子和空穴)的平均漂移速度，=v/E)。则r=El/(nev BD)=VL/(nev BD)=l/(nebd)，RH= ，根据上述公式，霍尔系数RH等于霍尔板材料的电阻率和电子迁移率的乘积。如果霍尔效应很强，则需要较大的霍尔系数RH，因此霍尔片材料需要较大的电阻率和载流子迁移率。因此，霍尔系数，那么，通常金属材料具有高载流子迁移率但电阻率小。然而，绝缘材料的电阻率极高，但是载流子迁移率极低，因此只有半导体材料适合制造霍尔芯片。目前，常用的霍尔元件材料有：锗、硅等半导体材料。理想的材料是霍尔系数大、电子迁移率高、温度系数小、输出特性线性好的砷化镓(GaAs)。图7-10霍尔元件结构示意图(a)；图形符号(三)实物。霍尔元件结构简单。它由霍尔元件、四根引线和外壳组成，如图7-10(a)所示。霍尔片为矩形半导体单晶片，引出四条引线：1、1两条引线加激励电压或电流，称为激励电极(控制电极)；霍尔输出引脚2，2 引脚，c改善霍尔元件的散热条件也可以增加激励电流。(1)额定励磁电流和最大允许励磁电流。当霍尔元件本身的温度上升到10时，流过的励磁电流称为额定励磁电流。对应于元件最大允许温升限制的励磁电流称为最大允许励磁电流。激励电极之间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极的输出电势相当于电路外部的电压源，并且电源的内部电阻，即两个霍尔电势输出端子之间的电阻，是输出电阻。当磁感应强度为零，环境温度为20和5时，确定上述电阻值。它的价值从几十欧元到几百欧元不等，取决于不同类型的组件。(2)对于输入电阻和输出电阻，在一定的磁感应强度和励磁电流下，当温度变化1时，霍尔电位变化的百分比称为霍尔电位温度系数。这也是霍尔系数的温度系数。，(3)霍尔电位的温度系数，KH=KH0 (1 T)。当霍尔元件的励磁电流为1时，如果该元件的磁感应强度为零，其霍尔电位应该为零，但不是零。此时，测得的空载(即开路)霍尔电位称为不等电位，如图7-11所示。图7-11不等电位示意图。当B=0时，UAB0，(4)不等电位和不等电阻。不等电位也可用不等电阻表示：R0=U0/I，(1)霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；(2)半导体材料的不均匀性导致电阻率的不均匀性或几何尺寸的不均匀性； 由于激励电极接触不良，激励电流分布不均匀。不等电位与霍尔电位的数量级相同，有时甚至超过霍尔电位。在实际使用中，消除不平等势是极其困难的，因此必须采用补偿方法。电势不相等的原因是：霍尔元件可以等效为一座桥，通过分析桥的平衡可以补偿电势不相等。4。霍尔元件不等电位的补偿，图7-12霍尔元件的电桥等效电路，其中A和B为霍尔电极，C和D为激励电极，电极分布电阻分别用r1、r2、r3和r4表示，它们被视为电桥的四个桥臂。理想情况下，电极A和B在同一等电位面上，r1=r2=r3=r4，电桥平衡，不等电位U0为0。事实上，由于甲、乙电极不在同一个等电位面上，四个电阻的阻值不相等，电桥不平衡，不等电位不等于零。补偿方法：根据a点和b点的电位水平，可以判断一定的电阻应该并联到桥臂上以平衡桥，从而使不等电位为零。几条补偿线：如图7-13所示。图(a)是一个桥臂上的并联电阻。图(b)和(c)等效于等效电桥的两个桥臂上的并联电阻。图(d)用于交流电源。霍尔元件由半导体材料制成，因此它们的许多参数具有大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率和霍尔系数都会发生变化，从而导致霍尔元件产生温度误差。，5岁。霍尔元件温度补偿，(1)选择温度系数小的元件或采取恒温措施；(2)从UH=KHIB可以看出，通过使用恒流源供电，减小输入电阻随温度变化引起的激励电流I变化的影响，可以稳定霍尔电位。为了减小霍尔元件的温度误差，霍尔元件的灵敏度系数KH也是温度的函数，它会引起霍尔电位随温度的变化而变化。大多数霍尔元件的温度系数是正的，霍尔元件的灵敏度系数与温度之间的关系可以写成KH=KH0(1T)，(7-20)，其中：温度T0时的KH0-KH值；t=t-t0-温度变化；-霍尔电位温度c电路中有一个恒流源，分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极(即输入电阻)并联。当霍尔元件的输入电阻随着温度的增加而增加时，旁路分流电阻Rp自动增加分流并降低霍尔元件的激励电流IH，从而抵消了灵敏度系