磁敏式传感器09实用教案

1、 磁敏式传感器的定义： 对磁场参量（B、）敏感、通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换为电信号的器件或装置。 磁电作用：电磁感应(dinc-gnyng)、霍尔效应 分类：磁电感应式传感器 霍尔式传感器第2页/共35页第1页/共35页第一页，共36页。7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁电感应式传感器又称磁电式传感器，磁电感应式传感器又称磁电式传感器， 是利用导体和磁场发生相对是利用导体和磁场发生相对运动运动(xin du yn dn)而在导体两端输出感应电动势的原理将被测量而在导体两端输出感应电动势的原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助（

2、如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源，电源， 就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。传感器。 由于它输出功率大，由于它输出功率大， 且性能稳定，具有一定的工作带宽（且性能稳定，具有一定的工作带宽（101000 Hz），所以得到普遍应用。），所以得到普遍应用。 磁电感应式传感器电路简单、性能稳定、输出阻抗磁电感应式传感器电路简单、性能稳定、输出阻抗(sh ch z kn)小，具有一定的频率响应范围（一般在小，具有一定的频率响应范围（一般在101000Hz），），适用于转速、振动、位移、扭

3、矩等测量。适用于转速、振动、位移、扭矩等测量。第3页/共35页第2页/共35页第二页，共36页。7.1.1工作(gngzu)原理根据电磁感应定律， 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。对于(duy)一个N匝线圈，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电动势将与的变化速率成正比，即：dtdNE1.电磁感应电磁感应(dinc-gnyng)如果线圈相对于磁场的运动线速度为如果线圈相对于磁场的运动线速度为v或角速度或角速度，则，则NBSENBLvE或或第4页/共35页第3页/共35页第三页，共36页。（1）恒磁通式传感器 第5页/共35页第4页/共35页第四页，共36页。

4、工作原理：磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气工作原理：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。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（是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式（图（a）和动铁式（图和动铁式（图 (b)）的工作原理是完全相同的。）的工作原理是完全相同的。 当壳体随被测振动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，体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大， 当振动当振动频率频率(pnl)足够高（远大于传感器

5、固有频率足够高（远大于传感器固有频率(pnl)）时，运动部件）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，惯性很大，来不及随振动体一起振动， 近乎静止不动，振动能量近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于几乎全被弹簧吸收，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，振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线， 从而产生从而产生与运动速度成正比的感应电势。与运动速度成正比的感应电势。 NBLvE第6页/共35页第5页/共35页第五页，共36页。变磁通式磁电传感器结构图(a) 开磁路(c l)； (b) 闭磁路(

6、c l) （2）变磁通式磁电传感器）变磁通式磁电传感器第7页/共35页第6页/共35页第六页，共36页。 开磁路变磁通式：线圈、磁铁静开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，止不动， 测量齿轮安装在被测旋转测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，个齿， 齿的凹凸引起磁路磁阻变化齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，一次，磁通也就变化一次， 线圈中线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，传感器结构简单，但输出信号较

7、小，且因高速且因高速(o s)轴上加装齿轮较危轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。险而不宜测量高转速的场合。 第8页/共35页第7页/共35页第七页，共36页。 闭磁路变磁通式传感器，它由闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成久磁铁和感应线圈组成(z chn)，内外齿轮齿数相同。内外齿轮齿数相同。 当转轴连接到当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿被测转轴上时，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

8、的变化，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使线圈内产生周期性变化的感应电动势。动势。 显然，显然， 感应电势的频率与被感应电势的频率与被测转速成正比。测转速成正比。 第9页/共35页第8页/共35页第八页，共36页。2 磁电感应式传感器基本磁电感应式传感器基本(jbn)特性特性 当测量电路接入磁电传感器电路时，磁电传感器的输出电流当测量电路接入磁电传感器电路时，磁电传感器的输出电流Io为为 式中：式中： Rf测量电路输入电阻；测量电路输入电阻； R线圈等效线圈等效(dn xio)电阻。电阻。 传感器的电流传感器的电流(dinli)灵敏度为灵敏度为 ffRRNBLvRR

9、EI0 0IfINBLSvRR第10页/共35页第9页/共35页第九页，共36页。而传感器的输出电压而传感器的输出电压(diny)和电压和电压(diny)灵敏度分别为灵敏度分别为 00fffNBLvRUI RRR0fUfNBLRUSvRRB值大，灵敏度也大，因此要选用B值大的永磁材料；线圈的平均长度大也有助于提高灵敏度，但这是有条件的，要考虑两种情况：线圈电阻与指示器电阻匹配问题：如图7.3所示，因传感器相当于一个电压源，为使指示器从传感器获得最大功率，必须使线圈的电阻等于指示器的电阻。线圈的发热问题：传感器线圈产生(chnshng)感应电动势，接上负载后，线圈中有电流流过而发热。第11页/共

10、35页第10页/共35页第十页，共36页。测量误差 当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场(cchng)干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为RdRldlBdBSdSII第12页/共35页第11页/共35页第十一页，共36页。1）非线性误差(wch) 主要原因：当磁电式传感器在进行(jnxng)测量时，传感器线圈会有电流流过，这时线圈会产生一定的交变磁通，此交变磁通会叠加在永久磁铁产生的传感器工作磁通上，导致气隙磁通变化。第13页/共35页第12页/共35页第十二页，共36页。这种影响(yngxing)分为两种情况 当传感器线圈(xinqun)相对磁场

11、运动所产生的附加磁场与员工作磁场方向相反时，附加磁场将减弱工作磁场的作用，从而使传感器的灵敏度随检测速度的增而降低。即当传感器向上运动时，I与方向相反，减弱了工作磁场的作用，使传感器灵敏度降低。 当传感器线圈(xinqun)相对磁场运动所产生的附加磁场与原磁场方向相同时，传感器灵敏度增高。即当向下运动时， I与方向同向，增加了工作磁场的作用，灵敏度增大。 这两种情况将导致测量结果中出现非线性项，且速度越大，影响越明显。其结果是线圈(xinqun)的运动方向和速度大小都会使传感器的灵敏度具有不同的数值，使传感器的基波能量降低，谐波能量增加。结果：灵敏度越高，线圈(xinqun)中电流越大，非线性

12、影响越严重。 补偿方法：加入补偿线圈(xinqun)。第14页/共35页第13页/共35页第十三页，共36页。2）温度(wnd)误差 011221(1)(1)(1)(1)EtIRtRtRt 000100%III 温度误差补偿办法：在结构允许的情况(qngkung)下，在传感器的磁铁下设置热磁分路，进行温度补偿。 在磁电式传感器的各种干扰中，通常温度干扰比较在磁电式传感器的各种干扰中，通常温度干扰比较严重。永久磁铁的影响比较小，传感器线圈影响比较大。严重。永久磁铁的影响比较小，传感器线圈影响比较大。线圈是用铜线绕成的，温度系数为正，温度每升高线圈是用铜线绕成的，温度系数为正，温度每升高10，电阻

13、大约增加电阻大约增加4%；指示器电路的电阻；指示器电路的电阻Rf的温度系数也的温度系数也是正的，它的数值是正的，它的数值(shz)与线圈电阻与线圈电阻R1和附加电阻和附加电阻R2有关。当温度增加有关。当温度增加t时，电流为：时，电流为：第15页/共35页第14页/共35页第十四页，共36页。3）动态(dngti)特性 当被测物振动频率低于传感器的固有频率时，传感器的灵敏度是随振动频率的升高而明显增加的； 当振动频率远大于传感器固有频率时，传感器的灵敏度接近为一个常数，它基本上不随频率变化，即在这一频率范围内，传感器的输出电压与振动速度成正比关系(gun x)，这一频段就是传感器的理想工作频段；

14、 在振动频率更高（过大）的情况下，线圈阻抗增加，传感器灵敏度会随着振动频率的增加反而下降。第16页/共35页第15页/共35页第十五页，共36页。7.1.2 测量(cling)电路 磁电式传感器只用于测量动态量，可以磁电式传感器只用于测量动态量，可以(ky)直接测直接测量振动物体的线速度或旋转体的角速度，加入积分或者微量振动物体的线速度或旋转体的角速度，加入积分或者微分电路后，可以分电路后，可以(ky)测量位移和加速度。测量位移和加速度。第17页/共35页第16页/共35页第十六页，共36页。7.1.3 磁电感应式传感器的应用(yngyng)（1）磁电感应式振动(zhndng)速度传感器 第1

15、8页/共35页第17页/共35页第十七页，共36页。（2）磁电感应式扭矩传感器第19页/共35页第18页/共35页第十八页，共36页。（3）电磁(dinc)流量计EBDv244VDDEqvK EB第20页/共35页第19页/共35页第十九页，共36页。7.2 霍尔式传感器当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差，这一现象被称为霍尔效应。霍尔效应产生的电动势被称为霍尔电势。霍尔效应的产生是由于运动(yndng)电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。7.2.1 7.2.1 工作工作(gngzu)(gngzu)原理原理1.1.霍尔效应霍尔效应(xioyng)(xioyng)第21

16、页/共35页第20页/共35页第二十页，共36页。 在场为在场为l、宽为、宽为b、厚度为、厚度为d的长方形导电板上，两对垂直侧面各装的长方形导电板上，两对垂直侧面各装上电极。如果在长度方向通入控制电流上电极。如果在长度方向通入控制电流I，在厚度方向施加磁感应强度，在厚度方向施加磁感应强度为为B的磁场时，那么导电板上的自由电子在电场的磁场时，那么导电板上的自由电子在电场(din chng)作用下作用下定向移动，此时，每个电子受到洛伦兹力定向移动，此时，每个电子受到洛伦兹力L的作用，大小为：的作用，大小为：eBvfLeBveEH电子沿电流反方向坐定向移动，又在电子沿电流反方向坐定向移动，又在fL作

17、用下向里漂移，结果在导电板里底作用下向里漂移，结果在导电板里底面积累了电子，而外表面面积累了电子，而外表面(biomin)积累了正电荷，将形成附加内电场积累了正电荷，将形成附加内电场EH，称为霍尔电场。在称为霍尔电场。在EH的作用下，电子的作用下，电子将受到一个与洛伦兹力方向相反的电将受到一个与洛伦兹力方向相反的电场力作用，此力阻止电荷的继续积聚，场力作用，此力阻止电荷的继续积聚，当在金属体内电子积累达到动态平衡当在金属体内电子积累达到动态平衡时，电子所受的洛伦兹力与电场力大时，电子所受的洛伦兹力与电场力大小相等，即小相等，即vBEH则：则：第22页/共35页第21页/共35页第二十一页，共3

18、6页。则相应则相应(xingyng)的电动势就称为霍尔电动势的电动势就称为霍尔电动势UH，其大小可表示为：，其大小可表示为：bEUHHvBbUHnevbdI或：或： 当电子浓度当电子浓度n，电子定向，电子定向(dn xin)运动平均速度为运动平均速度为v时，根据电流的定义有：时，根据电流的定义有：nebdIv即：即：对于对于(duy)N型半导体，霍尔电压为：型半导体，霍尔电压为：霍尔灵敏度霍尔系数dRKneRIBKdIBRUHHHHHH1第23页/共35页第22页/共35页第二十二页，共36页。对于对于(duy)N型材料：型材料：nedKH1nedKH1Ev对于对于(duy)P型材料：型材料：

19、 物理意义：物理意义：KH表征了一个霍尔元件在单位控制电流和单位表征了一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生磁感应强度时产生(chnshng)的霍尔电压的大小。的霍尔电压的大小。电子在电场中的平均迁移速度为：电子在电场中的平均迁移速度为：ElUClBbUUCH则：则：第24页/共35页第23页/共35页第二十三页，共36页。2.霍尔元件(yunjin)（1）霍尔元件的基本）霍尔元件的基本(jbn)结构结构 霍尔元件的基本结构霍尔元件的基本结构(jigu)比较简单，它由霍尔片、比较简单，它由霍尔片、4根阴线和壳体三部分组成。根阴线和壳体三部分组成。a、b的焊点称为激励电极；的焊点称为激

20、励电极；c、d的焊点称为霍尔电极。的焊点称为霍尔电极。第25页/共35页第24页/共35页第二十四页，共36页。（2）霍尔元件基本(jbn)特性 线性特性与开关特性：线性特性是指霍尔元件的输出电动势UH分别(fnbi)和基本参数I、B成线性关系（磁通计中的传感器使用）。开关特性是指霍尔元件的输出电动势UH在一定区域随B增加而迅速增加的特性（直流无刷电动机的控制中使用）。 不等位电阻：表示未加磁场时，不等位电动势与相应电流的比值。产生原因：霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位下；半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分配。 负载特性 温度特性 ：

21、霍尔元件的温度特性包括霍尔电动势、灵敏度、输入阻抗和输出阻抗的温度特性，它们归结为霍尔系数和电阻率与温度的关系。第26页/共35页第25页/共35页第二十五页，共36页。（3）霍尔元件的零位(ln wi)误差及补偿 不等位(dn wi)电动势的补偿n 寄生直流电动势的补偿(bchng)：n元件在制作安装时，尽量做到使电极欧姆接触，并做到均匀散热。n欧姆接触：金属与半导体的接触，其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻。1）霍尔元件的零位误差及补偿）霍尔元件的零位误差及补偿第27页/共35页第26页/共35页第二十六页，共36页。2）霍尔元件的温度误差(wch)及其补偿 一般半导体材料都具有较大的

22、温度系数。所以当一般半导体材料都具有较大的温度系数。所以当温度发生变化是，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、温度发生变化是，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率以及霍尔系数都会发生变化。为了减小温度误电阻率以及霍尔系数都会发生变化。为了减小温度误差，除了使用温度系数小的半导体材料（如砷化铟）差，除了使用温度系数小的半导体材料（如砷化铟）以外，还可以采用适当以外，还可以采用适当(shdng)的补偿电路进行补的补偿电路进行补偿。偿。第28页/共35页第27页/共35页第二十七页，共36页。霍尔元件霍尔元件(yunjin)的灵敏度系数与温度的关系：的灵敏度系数与温度的关系：)1 (0TKKHH 如图所示，当霍尔元件的初如图所示，当霍尔元件的初始温度始温度(wnd)为为T0，初始输，初始输入电阻为入电阻为RI0，灵敏度系数为，灵敏度系数为KH0，分流电阻为，分流电阻为RP0时：时：0000IPPHRRIRI第29页/共35页第28页/共35页第二十八页，共36页。当温度当温度(wnd)上升上升T时，电路中个参数变化为：时，电路中个参数变化为：)1 ()1 (00TRRTRRPPII)1 ()1 ()1 (000TRTRITRRRIRIP