传感器原理-速度传感器(磁电霍尔)

1、速度测量概述1、转速测量中主要考虑的问题1）被测物体运动的速度范围超低速(0.102.00r/min)低速(0.5500r/min)(2020000r/min)高速(500200000r/min)超高速(500600000r/min)全速(0.10600000r/min)适用的测速传感器较多2）被测物体可测点几何形状例：光轴、齿轮、叶片、带孔、带槽、带销、微型电机3）环境条件4）动态/静态时的显示、记录、控制5）误差、响应时间、输出控制形式2、转速测量的分类及实现方案根据传感器安装方式：1接触式2非接触式根据传感器不同：1磁电2光电3霍尔4磁敏传感器测量范围（kHz）感应对象检测距离（mm）应

2、用场合磁敏传感器010铁、电工钢0.51.5速度、位移磁电传感器505000电工钢0.51速度霍尔传感器010磁铁15速度、位移光电传感器010自然光、红外光115速度、位移接近开关0200Hz金属15速度、位移3、转速测量电路1）转速测量仪的基本组成：2）转速测量基本方法定数采样定数采样：这种方法其实是测量单个脉冲的周期或指定个数脉冲的总周期。这种测量脉冲的方法又叫做测周法测周法。 定时采样定时采样。这种方法其实是测量单位时间的脉冲个数。这种测量脉冲的方法又叫做测频法测频法。频率电压转换(f/V)频率转速N=f/分频数4、转速传感器的选择原则测量环境 价格测量范围 可靠性系统功耗单位r/mi

3、n r/s 一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理 在半导体薄片中通在半导体薄片中通以电流以电流I,I,在与薄片垂直在与薄片垂直方向加磁场方向加磁场B B，则在半，则在半导体薄片的另外两端，导体薄片的另外两端，产生一个大小与控制电产生一个大小与控制电流流I I和和B B乘积成正比的电乘积成正比的电动势，这种现象称为霍动势，这种现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势，该薄片称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。尔元件。 1 1、霍尔效应、霍尔效应2 2、霍尔电势、霍尔电势UH KH I B 单位磁感应强度和单位控制电流作用时，所单位磁感应强度和单位控制电流

4、作用时，所能输出的霍尔电势的大小。单位是能输出的霍尔电势的大小。单位是mV/mV/（mATmAT） 意义：意义：与材料的物理性质和几何尺寸有关，决与材料的物理性质和几何尺寸有关，决定霍尔电势的强弱。定霍尔电势的强弱。 若磁感应强度若磁感应强度B B的方向与霍尔元件的平面法线夹的方向与霍尔元件的平面法线夹角为角为时，霍耳电势应为：时，霍耳电势应为： VH KH I B cos 霍耳器件薄膜化是提高灵敏度的一个途径。霍耳器件薄膜化是提高灵敏度的一个途径。霍尔电压霍尔电压UH为：为： IBKnedIBUHH式中式中 n 半导体单位体半导体单位体积中的载流子数积中的载流子数 e 电子电量电子电量 KH

5、霍尔元件灵敏度霍尔元件灵敏度，KH1/ned 霍尔器件符号霍尔器件符号HABCDABCDBACDC、D：霍耳输出端，称为：霍耳输出端，称为霍尔端霍尔端或输出端。或输出端。A、B：电极端，称为元件：电极端，称为元件电流端电流端、控制电流端或、控制电流端或 输入电流端。输入电流端。红色红色导线导线红色红色导线导线绿色绿色导线导线绿色绿色导线导线一般为一般为4mm4mm2mm2mm0.1mm0.1mm二材料及结构特点二材料及结构特点 霍尔元件一般采用具有霍尔元件一般采用具有N型的锗、锑化铟和砷化型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成。铟等半导体单晶材料制成。 1.锑化铟元件的输出较大，但受温度的

6、影响也较大。锑化铟元件的输出较大，但受温度的影响也较大。 2.锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。 3.砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但是受温砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但是受温度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。 采用砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用采用砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用。 特点小结输入1输入2输出1输出2磁性顶端引线衬底霍尔元件霍尔元件的主要特性参数：(1) 输入电阻和输出电阻 输入电阻：控制电极间的电阻 输出电阻：霍尔电极之间的电阻(2)

7、 额定控制电流和最大允许控制电流 额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在 空气中产生10温升时，对应的控制电流值 最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对 应的控制电流值 (3) 不等位电势Uo和不等位电阻ro 不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。不等位电势是由霍尔电极2和之间的电阻决定的， r 0称不等位电阻 型型号号 材材料料 控控制制 电电流流(mA) 霍霍尔尔 电电压压 (mV, 0.1T) 输输入入 电电阻阻 () 输输出出 电电阻阻 () 灵灵敏敏度度(mV/mA.T) 不不等等位位电电势势(mV) VH温温度

8、度 系系数数(%/) EA218 InAs 100 8 8. .5 5 3 3 1 1. .5 5 0 0. .3 35 5 1 13 3 6 6. .5 5 2 2. .4 4 0 0. .7 75 5 1 1 0 0. .0 07 7 VHG-110 GaAs 5 5 5 - -1 10 0 2 20 00 0- -8 80 00 0 2 20 00 0- -8 80 00 0 3 30 0- -2 22 20 0 5 5 4 40 0 3 30 0 2 2. .5 5 _ _ - -0 0. .0 02 2 MF07FZZ InSb 10 4 40 0- -2 29 90 0 8 8-

9、-6 60 0 8 8- -6 65 5 _ _ 1 10 0 - -2 2 MF19FZZ InSb 10 8 80 0- -6 60 00 0 8 8- -6 60 0 8 8- -6 65 5 _ _ 1 10 0 - -2 2 MH07FZZ InSb 1V 8 80 0- -1 12 20 0 8 80 0- -4 40 00 0 8 80 0- -4 43 30 0 _ _ 1 10 0 - -0 0. .3 3 MH19FZZ InSb 1V 1 15 50 0- -2 25 50 0 8 80 0- -4 40 00 0 8 80 0- -4 43 30 0 _ _ 1 10

10、0 - -0 0. .3 3 KH-400A InSb 5 2 25 50 0- -5 55 50 0 2 24 40 0- -5 55 50 0 5 50 0- -1 11 10 0 5 50 0- -1 11 10 00 0 1 10 0 - -0 0. .3 3 EWLRIBHUBIIBIBkUHH1WIHUE2WABIHUBV15V151R3R4R2RfR1234V15V151R3R4R2R1234IAB0UCD1R3R4R2RABCD1R2R4R3RWABCDIABCDW1R2R4R3RWABCDIABCDW1R2R4R3RWABCDIABCDW霍尔效应霍尔效应集成电路技术集成电路技

11、术开关信号开关信号磁敏传感器磁敏传感器集成霍尔元件集成霍尔元件和开关型两大类和开关型两大类 可分为线性可分为线性型型ccV1稳压稳压23地输出VT霍尔元件放大整形）（TB）（VVOUTONOFFOPBRPBHBOPBRPBHBOPBB RPBB 3020T123V1223k2ROUTV1CCV231KCCV231KCVCCV231CVLRCCV231CVLR磁感应强度）（距离mmLLNS）（TB磁感应强度）（距离mmL）（TBLNS25.0空隙S磁铁磁力集中器N移动传感器)(mmL）（磁感应强度TB有磁力集中器无磁力集中器NS传感器磁铁（低碳钢）磁力集中器倍1BS传感器磁铁磁力集中器mmmm8

12、 . 06 . 02525)(软钢铁底盘N%30BccVOUTV稳压稳压地123ccV输出稳压稳压地3418输出567R)(VVOUT输出电压)(TB磁感应强度)(VVOUT输出电压)(TB磁感应强度100R0R15R 型型号号 电电源源电电压压(V) 输输出出电电压压(V) 灵灵敏敏度度(mV/mA.T) 带带宽宽(kHz) 工工作作温温度度() SL3501T 8 12 2.5 5 3500 - 7000 25 0 - 70 SL3501M 8 - 16 3.6 700 - 1400 25 0 - 70 NNSSIx磁钢3 411CMSL3501A1RP2RP1R2R474720k10p1

13、000uA100S5678IKIC1IBKVHHPKIVKKKH21VRLRBVIVKB2转角HV02转角HV0NS霍尔元件永磁体被测轴NS被测轴霍尔元件永磁体HVIBCII霍尔元件通电导线导磁铁芯铁磁性物质铁磁性物质非磁性涂层非磁性涂层MSL3501霍尔元件型铁芯U永磁体铁磁基体覆盖层磁回路)(VUOUT）（厚度mmV5OUTU123V5MSL3501控制电路锅炉电磁阀投牌口水龙头水瓶收牌箱磁铁磁传感器滑槽霍尔式传感器的应用实例霍尔式传感器的应用实例霍尔转速测量霍尔转速测量 霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔特斯拉计（高斯计） 霍尔元件霍尔元件霍尔角位移测霍尔角位移测量量霍尔钳形电流表的使用霍尔钳形

14、电流表的使用叉形叉形钳形表漏磁稍钳形表漏磁稍大，但使用方便大，但使用方便 用用钳形表测量钳形表测量 电动机的相电流电动机的相电流实验探究1 若闭合电路中有感应电流若闭合电路中有感应电流,电路中就一定有电电路中就一定有电动势动势. 演示实验并播放动画演示实验并播放动画 画出等效电路图画出等效电路图 实验探究实验探究2：在向线圈中插入条形磁铁的实验中，在向线圈中插入条形磁铁的实验中，磁铁的磁场越强、插入的速度越快，磁铁的磁场越强、插入的速度越快，产生的感应电流就越大。产生的感应电流就越大。 实验实验:电磁感应插磁铁电磁感应插磁铁 实验探究实验探究3:一、磁电感应式传感器工作原理一、磁电感应式传感器

15、工作原理 BlvdtdxBldtdeB：稳恒均匀磁场磁感应强度；：稳恒均匀磁场磁感应强度；L：导体有效长度；：导体有效长度；V：导体相对磁场运动速度。：导体相对磁场运动速度。 导体在稳恒均匀磁场中运动导体在稳恒均匀磁场中运动N N匝线圈处于变化的磁场中匝线圈处于变化的磁场中dtdNe两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。开磁路变磁通式开磁路变磁通式：结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。 1 1、变磁通式、变磁通式闭磁路变磁通式：闭磁路变磁通式：感应电势的频率与被测转速成正比。 2 2、恒定磁通式、恒定磁通式2

16、 2、恒定磁通式、恒定磁通式lNBe0B0：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。 二、二、 磁电感应式传感器基本特性磁电感应式传感器基本特性fofoRRlNvBRREIRf：测量电路输入电阻；：测量电路输入电阻；R：线圈等效电阻。：线圈等效电阻。 传感器的电流灵敏度为传感器的电流灵敏度为 fooIRRlNBvIS输出电压和电压灵敏度分别为输出电压和电压灵敏度分别为 ffofooRRlNvRBRIUffooURRlNRBvUS 为了保证传感器输出的线性度，要保证线圈始终在均匀磁场内运动。 提高灵敏度方法： 选用具有磁能积较大的永久磁铁； 尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度B； 增加和N，但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率等因素的限制。 三、磁电感应式传感器的测量电路三、磁电感应式传感器的