传感技术及应用new磁电式传感器PPT课件

1、分类：恒定磁通式变磁通式 它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的，是一种机电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围（一般为101010001000），适用于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。第1页/共59页恒定磁通磁电感应式传感器动圈式 结构：lvBNe00第2页/共59页动铁式第3页/共59页变磁通磁电感应式传感器第4页/共59页mnf60第5页/共59页30nf 第6页/共59页第7页/共59页磁电式回转检测器第8页/共59页第9页/共59页第10页/共59页在车辆中的应用测速车辆在运行过程中，前

2、后轮速度传感器通过磁电感应将车轮速度转化成电压信号，然后经过线路将该电压信号传输到电子控制器（ECU）中，电子控制器根据预先设置的程序随时对各车轮传感器的输入信号进行监测，从而判断是否有必要进入到ABS制动状态。第11页/共59页5-2 5-2 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔传感器是利用霍尔元件基于而将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。 一、霍尔效应一、霍尔效应 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的物理效应。 置于磁场中的静止载流体中，若电流方向与磁场方向不相同，则在载流体的垂直于电流与磁场方向所组成的两个侧面将产生电动势。这一现象为美国物理学家爱德

3、文霍尔于1879年发现，称为霍尔效应，相应的电动势称为霍尔电势。第12页/共59页bdUHIlBvFFl设为N型半导体， 载流子为电子。第13页/共59页磁场中运动载流子的偏转第14页/共59页 霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。 优点：结构简单，体积小，坚固，频率响应宽，动态范围大, ,无触点, ,使用寿命长, ,可靠性高, ,易微型化和集成电路化。 不足：温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿。第15页/共59页霍尔元件砷化钠霍尔器件温度系数小，灵敏度高，线性度好，温漂小，稳定性高，体积小第16页/共59页

4、二、霍尔片主要技术指标二、霍尔片主要技术指标 1、额定激励电流 IH 使霍尔片温升10所施加的控制电流值。 （限制额定激励电流的主要因素是散热条件） 2、输入电阻 Ri 控制电极间的电阻值，规定在室温（205）的环境温度中测取。 指霍尔电极间的电阻值，规定在（205）条件下测取。 3、输出电阻 RS第17页/共59页4、不等位电势V0及零位电阻r0 当控制磁感应强度为零，控制电流为额定值IH时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势（或零位电势）。 不等位电势也可用不等位电阻表示： 00HVI0 零位电阻 第18页/共59页产生不等位电势的原因主要是： 霍尔电极安装位置不正确（不对称或不在同一等电

5、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； 控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。 （均是制造工艺造成的）第19页/共59页三、霍尔片的电路三、霍尔片的电路 1、不等位电势的补偿 由于不等位电势与不等位电阻是一致的，因此可以用分析其电阻的方法来进行补偿。 第20页/共59页ABCDIR1R2R3R4 补偿原理补偿原理： 将R1、R2、R3、R4其视为电桥的四个臂，即电桥不平衡，为使其平衡可在阻值较大的臂上并联电阻，或在两个臂上同时并联电阻。 图中A、B为控制电极，C、D为霍尔电极，在极间分布的电阻用R1、R2、R3、R4表示，理想情况是R1R2R3R4，即零位电势为

6、零（或零位电阻为零）。但实际上存在着零位电势，则说明此四个电阻不等。第21页/共59页第22页/共59页2、温度补偿 霍尔片是采用半导体材料制造的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。如半导体材料的电阻率，迁移率和载流子浓度等都随温度而变化。 霍尔片的性能参数如输入和输出电阻，霍尔系数等也随温度而变化，致使霍尔电势变化，产生温度误差，为了减小温度差： 除选用温度系数较小的材料（如砷化铟）； 采用适当的补偿电路。 第23页/共59页（1）采用恒流源供电和输入回路并联电阻 温度变化引起霍尔元件输入电阻变化，在稳压源供电时，会使控制电流发生变化，带来误差。 为了减小这种误差，最好采用恒流源，但霍

7、尔片的灵敏度系数KH也是温度的函数，为进一步提高VH的温度稳定性，对于具有正温度系数的霍尔元件，可在其输入回路中并联电阻RP。 （推导过程见黑板）第24页/共59页（2）采用恒压源和输入回路串联电阻 当霍尔元件采用稳压电源供电，且霍尔输出开路状态工作时，可在输入回路串入适当电阻来补偿温度误差。 （分析过程见黑板）第25页/共59页四、霍尔开关集成传感器四、霍尔开关集成传感器 霍尔开关集成传感器是利用霍尔效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。 稳压整形VCC输出地123霍尔元件放大 由稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路、开路输出五部分

8、组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作，开始输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。 第26页/共59页稳压整形VCC输出地123霍尔元件放大 当有磁场作用在传感器上时，霍尔元件输出霍尔电压VH，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路，当放大后的VH电压大于“开启”阈值时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使半导体管导通“开状态”；当磁场减弱时，霍尔元件输出的VH很小，经放入器放大后其值也小于施密特整形电路的“关闭”阈值，施密特整形电路再次翻转，输出低电平，使半导体管截止，这种状态为“关状态”。一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关动作。 工作原理：工作原理：霍尔开关传感器的

9、用途：霍尔开关传感器的用途： 霍尔开关集成传感器基本用途有：汽车点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的检测与控制、位置及角度的检测，等等。 第27页/共59页 3020T输出UoutR=2k+12V123（b）应用电路 （a）外型 霍耳开关集成传感器的外型及应用电路123第28页/共59页霍耳开关集成传感器的工作特性曲线霍耳开关集成传感器的工作特性曲线工作特性有一定的磁滞BH，这对开关动作的可靠性非常有利。 图中的BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。霍耳开关集成传感器的工作特性曲线VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB霍耳

10、开关集成传感器的技术参数： 工作电压 、磁感应强度、输出截止电压、 输出导通电流、工作温度、工作点。0 该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。 第29页/共59页几种接口电路形式第30页/共59页几种不同尺寸外形的霍尔开关第31页/共59页五、霍尔线性集成传感器五、霍尔线性集成传感器 霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场呈线性比例关系。 稳压VCC输出地123霍尔元件放大单端输出传感器的电路结构第32页/共59页 霍尔线性集成传感器一般由霍尔元件和放大器组成，

11、当外加磁场时，霍尔元件产生与磁场成线性比例变化的霍尔电压，经放大器放大后输出。 霍尔线性传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。 稳压VCC输出地341霍尔元件放大8双端输出的电路结构第33页/共59页霍耳线性集成传感器的主要技术特性霍耳线性集成传感器的主要技术特性(1)(1) 磁感应强度B/T5.64.63.62.61.6- -0.3 -0-0.2-0.1-0.100.10.20.3输出电压U/VSL3501T传感器的输出特性曲线第34页/共59页霍耳线性集成传感器的主要技术特性霍耳线性集成传感器的主要技术特性(2)(2) 2.52.01.51.00.50 0.0

12、4 0.080.120.16 0.20 0.24输出电压U/V磁感应强度B/TSL3501M传感器的输出特性曲线00.280.32R=0R=15R=100 第35页/共59页六、霍尔传感器的应用六、霍尔传感器的应用 霍尔元件可以测量磁物理量及电量、还可以通 过转换测量其它非电量。 由于霍尔元件的输出量是比例于两个输入量的 乘积，因此可以方便而准确地实现乘法运算， 可构成各种非线性运算部件。 霍尔元件工作从直流到数百千赫兹的频率范围 内。 霍尔元件在工程技术上的应用相当广泛，具体产品有高斯计、霍尔罗盘、大电流计、功率计、位移传感器、乘法器、调制器等。第36页/共59页1、转速测量 NS霍尔元件（

13、转角）VH02NS霍尔元件（转角）VH0永磁体装在轴端的转速测量方法永磁体装在轴侧的转速测量方法第37页/共59页工作原理及用途：工作原理及用途：被测体上贴一磁钢，非接触式测量，高可靠，适用于低转速，体积小、安装方便，对环境无要求，适合各种恶劣环境、污浊环境、功耗低，适宜长期工作。霍尔式转速计霍尔式转速计第38页/共59页2、利用霍尔线性集成传感器进行磁法覆盖 层厚度测量 磁法覆盖厚度测量是指对铁磁性物质表面非磁性涂层的厚度测量。 例如对钢铁表面的镀膜、油漆、塑料、搪瓷等覆盖层的厚度等便可使用磁法厚度测量的方法。第39页/共59页U型铁心永磁体铁磁基体磁回路SL3501M覆盖层 测量时将U形铁

14、芯的两极放到被测物体表面上，这时永磁体产生的磁通便通过U形铁芯和被测物体构成磁回路。当被测物体表面覆盖层厚度不同时，磁回路的磁阻和磁通量将会发生变化，磁回路中的霍尔集成传感器将会检测出磁场强度的不同，从而使霍尔集成传感器产生的输出电压随覆盖层厚度的不同而变化，完成覆盖层非电量到电量的转换。 将U型硅钢片铁芯中间断开，然后将SL3501M霍尔线性集成传感器和一片钕铁硼永磁体夹在中间，用502胶粘牢。第40页/共59页 霍尔集成传感器内部虽然设有差分放大器，但其输出的电压仍然满足不了使用电路的要求，为此，将信号加一级放大，便可得到足够大的信号幅度。5VIC1IC25VUOUT第41页/共59页3、

15、霍尔元件在电流测量上的应用 在现代工程技术中，往往要测量，有时直流电流值高达10KA以上。过去，多采用电阻器分流的方法来测量这样大的电流。这种方法有许多缺点，如分流器结构复杂、笨重、耗电、耗铜等。利用霍尔效应原理测量大电流可以克服上述的一些缺点。霍尔效应大电流计结构简单、成本低、准确度高，在很大程度上与频率无关，便于远距离测量，测量时不需要断开回路。第42页/共59页 （1）导线旁测法 这种方法是一种最简单的方法，将霍尔元件放在通电导线的附近，给霍尔元件通以恒定电流，用霍尔元件测量被测电流产生的磁场，就可以从元件输出的霍尔电压中确定被测电流值。 这种方法虽然结构简单，但测量精度较差，受外界干扰

16、也大，只适用一些不重要的场合。BICI通电电流VH第43页/共59页 当导线中有电流流通时，导线周围产生磁场，使导磁体铁芯磁化成暂时性磁铁，在环形气隙中就会形成一个磁场，导体中的电流越大，气隙处的磁感应强度就越大，霍尔元器件输出的霍尔电压VH就越大。可以通过霍尔电压检测到导线中的电流。这种方法可以提高电流测量的精度。导磁铁心霍尔元器件通电导线I（2）导线贯串磁芯法 如果用铁磁材料做成磁导体的铁芯，使被测通电导线贯串它的中央，将霍尔元件或霍尔集成传感器放在磁导体的气隙中，这样，可以通过环形铁芯集中磁力线，如下图所示。测量原理第44页/共59页 在实际应用中，为了测量的方便，还可以把导磁铁芯做成钳

17、式形状，或非闭合磁路的形状，如下图所示。I霍尔元器件通电导线导磁铁心霍尔元器件通电导线导磁铁心I钳式非闭合磁路式第45页/共59页 （3）磁芯绕线法 这种方法如下图所示。它由标准环形导磁铁芯和SL3501M霍尔线性集成传感器组合而成。SL3501M通电导线导磁铁心I 被测通电导线绕在导磁铁芯上，每1安1匝在气隙处可产生0. 0056T的磁感应强度。若测量范围是020A时，则导线绕制9匝便可产生约0. 1 T的磁感应强度，SL3501M会有1. 4V的电压输出。第46页/共59页数字钳型表数字钳型表用途：用途：主要用于大电流测量，可用于机械加工车间，工厂，及各种耗电量较大的任何场合。第47页/共

18、59页4、霍尔元件在磁性材料研究上的应用被测磁性物质交流信号源霍尔元件示波器电流表磁化绕组 在磁性材料特性研究中，往往需要复杂的过程才能得到B-H曲线或磁场分布图。因为霍尔电压同铁芯磁化绕组的电流的关系VH=f (IM）同样反映了磁感应强度B与磁场强度H之间的关系B=f (H)，所以可以直接用示波器来观察这个关系。第48页/共59页5、霍尔线性位移传感器霍尔线性位移传感器霍尔线性位移传感器第49页/共59页若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。图中3种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微位移传感器。从曲线可见，结构（b）在Z2mm时，VH与Z有良好的线性关系，且分辨力可达1m，结构（C）的灵敏度高，但工作距离较小。 几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔位移传感器的静态特性 霍尔线性位移传感器原理霍尔线性位移传感器原理第50页/共59页6、霍尔压力传感器 霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如图所示。(a)的弹性元件为膜盒，(b)为弹簧片，(c)为波