磁电式传感器学生

1、2021-12-121今日要点今日要点第第7章章 磁电、磁敏传感器磁电、磁敏传感器+2021-12-1227.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器一、工作原理一、工作原理法拉第电法拉第电磁磁感应定律：感应定律：dtdWe为为磁通量磁通量dtd磁铁与线圈之间作相对运动磁铁与线圈之间作相对运动恒定磁场中的线圈面积变化恒定磁场中的线圈面积变化磁路中的磁阻变化磁路中的磁阻变化磁通量磁通量变化关键变化关键deWWBlvdtmagnetoelectric electromagnetic induction law 2021-12-123磁电式传感器：利用，磁电式传感器：利用， 测量量变化测量量变化感应电压

2、感应电压edtd电磁式传感器：利用衔铁运动，电磁式传感器：利用衔铁运动， Rm变化变化L 变化变化U 变化变化注意与注意与电感式传感器电感式传感器区别区别变磁通式和恒磁通式变磁通式和恒磁通式二、结构类型二、结构类型2021-12-1241- 1-永久磁铁永久磁铁 2- 2-软磁铁软磁铁 3- 3-感应线圈感应线圈 4- 4-测量测量齿轮齿轮 5- 5-内齿轮内齿轮 6- 6-外齿轮外齿轮 7- 7-转轴转轴4321N SA A)变磁通式变磁通式a 开磁通式开磁通式b 闭磁通式闭磁通式其中：其中：2021-12-125(a) 开磁路变磁通式开磁路变磁通式: 线圈、线圈、 磁铁静止不磁铁静止不动，

3、测量齿轮安装在被测旋转体上，动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随之一起转动。随之一起转动。每转动一个齿每转动一个齿, 齿的凹齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就，磁通也就变化一次，线变化一次，线圈中产生感应电势，其圈中产生感应电势，其变化频率变化频率等于被测转速与测量齿轮齿等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。数的乘积。4321N S 这种传感器结构简单这种传感器结构简单, 但输出信号较小但输出信号较小, 且因高速且因高速轴上加装齿轮较危险而轴上加装齿轮较危险而。2021-12-126(b) 闭磁路变磁通式：它由装在转轴上的内闭磁路变磁通式：它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永

4、久磁铁和感应线圈组齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成成, 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被测转轴上时, 外齿轮不动外齿轮不动, 内齿轮随内齿轮随被测轴而转动被测轴而转动, 内、外齿轮的相对转动内、外齿轮的相对转动使使气隙磁阻气隙磁阻产生周期性变化产生周期性变化, 从而引起从而引起磁路中磁路中磁通磁通的变化的变化, 使线圈内产生周期使线圈内产生周期性变化的感应电动势。性变化的感应电动势。 感应电势的频率与被测转感应电势的频率与被测转速成正比；采用速成正比；采用的方法可的方法可以得到被测物体的频率。以得到被测物体的频率。2021-12-127B) B)

5、 恒定磁通式恒定磁通式NS外壳线圈永久磁铁框架弹簧永久磁铁永久磁铁线圈线圈相对相对运动运动 线圈不动，磁铁运动线圈不动，磁铁运动(a) 线圈运动，磁铁不动线圈运动，磁铁不动(b)NS永久磁铁线圈运动部分(a)(b)2021-12-128009090sinsineWBLvWBLveWBSWBL B 气隙磁感应强度气隙磁感应强度(Wb/m2) L 线圈导线总长度线圈导线总长度(m)W 线圈匝数线圈匝数 S 线圈所包围的面积线圈所包围的面积(m2) v 线圈和磁铁间相对运动的速度线圈和磁铁间相对运动的速度 (m/s) 线圈和磁铁间相对旋转运动的角速线圈和磁铁间相对旋转运动的角速(rad/s) 运动方

6、向与磁感应强度方向的夹角运动方向与磁感应强度方向的夹角式中：式中：2021-12-129三、磁电感应式传感器基本特性三、磁电感应式传感器基本特性 当测量电路接入磁电传感器，磁电传感器的输当测量电路接入磁电传感器，磁电传感器的输出电流出电流Io为为 式中式中: Rf 测量电路输入电阻测量电路输入电阻 L 每匝线圈平均长度每匝线圈平均长度 R 线圈等效电阻线圈等效电阻 W 线圈匝数线圈匝数0ffeBLWvIRRRR传感器的电流灵敏度为传感器的电流灵敏度为IfIBLWSvRR运动速度运动速度ERRfI02021-12-1210而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为0

7、0fffBLWvRUI RRR0fUfBLWRUSvRR 当传感器的工作温度发生变化或受到外当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、界磁场干扰、 机械振动或冲击时，其灵敏度机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化而产生将发生变化而产生测量误差测量误差。 相对误差为相对误差为RdRLdLBdBsdsII2021-12-1211非线性误差非线性误差 磁电传感器产生非磁电传感器产生非线性误差的主要原因是：线性误差的主要原因是： 由于传感器线圈由于传感器线圈内有内有电流电流I流过时流过时, 将将产生一定的交变磁通产生一定的交变磁通I, 此交变磁通叠加在此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工永久磁铁所产生

8、的工作磁通上，作磁通上，使恒定的使恒定的气隙磁通变化气隙磁通变化。2021-12-1212n当产生的附加磁场方向与原工作磁场方向当产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相相反反, 减弱了工作磁场的作用减弱了工作磁场的作用, 从而使得传感从而使得传感器的灵敏度随着器的灵敏度随着被测速度的增大而降低被测速度的增大而降低。n当线圈的运动速度与图所示方向相反时，感当线圈的运动速度与图所示方向相反时，感生电势生电势E、 线圈感应电流反向，所产生的附线圈感应电流反向，所产生的附加磁场方向与工作磁场同向，从而加磁场方向与工作磁场同向，从而增大了传增大了传感器的灵敏度感器的灵敏度。2021-12-1213 为补偿

9、上述附加磁场为补偿上述附加磁场干扰干扰, 可在传感器中加入可在传感器中加入补偿线圈补偿线圈(如图如图)。补偿线。补偿线圈通以经放大圈通以经放大K倍的电流倍的电流, 适当选择补偿线圈参数适当选择补偿线圈参数, 可使其产生的交变磁通与可使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交传感线圈本身所产生的交变磁通变磁通互相抵消互相抵消, 从而达从而达到补偿的目的。到补偿的目的。补偿线圈补偿线圈2021-12-1214p 当温度变化时对铜线，每摄氏度变化量为当温度变化时对铜线，每摄氏度变化量为 dL/L0.16710-4 dR/R0.4310-2 p 温度变化时对铝镍钴永久磁合金温度变化时对铝镍钴永久磁合金

10、 dB/B-0.0210-2 这样可得近似值：这样可得近似值：rt(-4.5%)/10 温度误差温度误差热磁分流器热磁分流器RdRLdLBdBsdsII2021-12-1215四、测量电路四、测量电路 磁电式传感器是速度传感器，通常具有较磁电式传感器是速度传感器，通常具有较高的灵敏度，不需要增益放大器。高的灵敏度，不需要增益放大器。 积分：将速度转换成位移，积分：将速度转换成位移，svdt 微分：速度转换成加速度，微分：速度转换成加速度，adv/dt磁电式磁电式传感器传感器量程量程选择选择321前置前置放大放大微分微分电路电路积分积分电路电路主放大器主放大器显示显示或记或记录录3212021-

11、12-1216五、磁电式传感器五、磁电式传感器应用应用1- 顶杆顶杆 2,5- 弹簧片弹簧片3- 磁铁磁铁 4- 线圈线圈6- 引出线引出线 7- 外壳外壳2021-12-1217 测量时，壳体固定在一个试件上，顶杆顶住测量时，壳体固定在一个试件上，顶杆顶住另一试件，则线圈在磁场中运动速度就是两试件另一试件，则线圈在磁场中运动速度就是两试件的相对速度。速度计的输出电压与两试件的相对的相对速度。速度计的输出电压与两试件的相对速度成正比。相对式速度计可测量的最低频率接速度成正比。相对式速度计可测量的最低频率接近于零。近于零。2021-12-1218磁电式扭矩传感器工作原理图磁电式扭矩传感器工作原理

12、图2021-12-1219p在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘圆盘, 它们旁边装有相应的两个磁电传感器。它们旁边装有相应的两个磁电传感器。p当齿形圆盘旋转时当齿形圆盘旋转时, 圆盘齿凸凹引起圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变磁路气隙的变化化, 于是磁通量也发生变化于是磁通量也发生变化, 在线圈中感应出交流在线圈中感应出交流电压电压, 其频率等于圆盘上齿数与转速乘积。其频率等于圆盘上齿数与转速乘积。 p当扭矩作用在扭转轴上时当扭矩作用在扭转轴上时, 两个磁电传感器输出的两个磁电传感器输出的感应电压感应电压u1和和u2存在存在相位差相位差。这个相位差与

13、扭转。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。轴的扭转角成正比。 这样传感器就可以把扭矩引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。起的扭转角转换成相位差的电信号。2021-12-1220磁电式扭矩传感器工作原理图磁电式扭矩传感器工作原理图2021-12-12217.2 霍尔式传感器霍尔式传感器n霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。n1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应现了霍尔效应, 但由于金属材料的霍尔效应太但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。弱而没有得到应用。n随着半导体技术的发

14、展随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制开始用半导体材料制成霍尔元件成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。用和发展。 n霍尔传感器广泛用于霍尔传感器广泛用于等方面的测量。等方面的测量。2021-12-1222N型半导体霍尔效应原理图型半导体霍尔效应原理图一、霍尔效应一、霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体置于磁场中的静止载流导体, , 当它的电流方当它的电流方向与磁场方向不一致时向与磁场方向不一致时, , 载流导体上平行于电流载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生和磁场方向上的两个面之间产生电动势电动势, , 这种现这种现象称霍尔效应。该电

15、势称霍尔电势。象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。半导体薄片半导体薄片 + + 磁场磁场B + B + 电流电流I IIbBd+- - - - -洛伦兹力洛伦兹力F作作 用用电动势电动势UH2021-12-1223 积聚正电荷的电场又对运动电子产生电场力积聚正电荷的电场又对运动电子产生电场力FE，阻止电子的积聚。当阻止电子的积聚。当FE = FL时，电子积聚达到动态时，电子积聚达到动态平衡，此时，在薄片上垂直于电场和磁场方向的两平衡，此时，在薄片上垂直于电场和磁场方向的两个侧面之间会出现电位差，即霍尔电势个侧面之间会出现电位差，即霍尔电势UH。该现象。该现象则称为霍尔效应，电场强度则称为霍尔效应，

16、电场强度 当电流垂直于外电场方向通过当电流垂直于外电场方向通过N型半导体薄片型半导体薄片时，半导体中的载流子时，半导体中的载流子(电子电子)受到磁场的受到磁场的洛伦兹力洛伦兹力FL作用，使电子向一边偏转，积聚在半导体一侧，作用，使电子向一边偏转，积聚在半导体一侧，而另一侧积聚正电荷，形成了电场。而另一侧积聚正电荷，形成了电场。EH UH/b2021-12-1224FqvB (洛伦兹力洛伦兹力)q电子电荷量电子电荷量v电子速度电子速度B磁感应强度磁感应强度FqEH (电场力电场力)F -电场力电场力EH -静电场强度静电场强度动态平衡时动态平衡时 F=F流过基片的电流称激励电流或控制电流流过基片

17、的电流称激励电流或控制电流: :I=nqvbdnN型半导体载流子浓度型半导体载流子浓度bd与电流方向垂直的截面积与电流方向垂直的截面积I=pqvbdpP型半导体载流子浓度型半导体载流子浓度qEH qvB2021-12-1225HHBIBIURnqdd其中，其中，RH霍尔系数霍尔系数nqRH1pqRH1则则令令dRKHH-灵敏度灵敏度1HHHUKBIKnqd2021-12-1226二、霍尔元件二、霍尔元件（1）当）当B恒定，恒定，UH与与I呈线性关系呈线性关系（2）当）当I恒定，恒定，UH与与B成正比成正比（3）当）当I恒定，元件在均匀梯度磁场中运动时恒定，元件在均匀梯度磁场中运动时直接测量电流

18、直接测量电流能转换成电流的其它物理量能转换成电流的其它物理量测量交、直流磁感应强度测量交、直流磁感应强度可测量微位移，以及压力、加速度、振动等可测量微位移，以及压力、加速度、振动等（4）当）当B励磁电流励磁电流I2时，时，UHKI1I2可做成乘法器、乘方器、开方器、除法器可做成乘法器、乘方器、开方器、除法器HHUK BI2021-12-1227I I1BU UH H+I I0 B运放运放U UH HU Ui iR RL L-+-2iH0UUKIi0iUIKUK2021-12-1228三、霍尔式传感器的组成三、霍尔式传感器的组成1、电路部分：、电路部分：霍尔元件分为霍尔元件分为和和（a）线性应用

19、）线性应用（b）开关应用）开关应用激励激励电极电极霍尔霍尔电极电极2021-12-1229+RP1RP2ABUH为了为了增加增加输出的霍尔电压、功率输出的霍尔电压、功率（a）直流供电时）直流供电时 控制电流端并联控制电流端并联 霍尔元件串联霍尔元件串联UHTI（b）交流供电时）交流供电时 输出通过变压器耦合输出通过变压器耦合2021-12-12302、磁路部分：、磁路部分：待测待测力、压力力、压力在磁场在磁场中运动中运动位移位移x xC CB BX XB=CXB=CXK KH HI IU UH H激磁电流恒定激磁电流恒定速度、加速度速度、加速度 3、霍尔元件基本特性、霍尔元件基本特性 1) 额

20、定额定激励电流和激励电流和最大允许最大允许激励电流激励电流 因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，激因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，激励电流增加，导致霍尔元件自身的温升。励电流增加，导致霍尔元件自身的温升。 IBKUHH2021-12-1231 当霍尔元件自身温升当霍尔元件自身温升1010时所流过的激励电流时所流过的激励电流称为称为额定激励电流额定激励电流。 以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为称为最大允许激励电流最大允许激励电流。 2) 2) 输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极激励电极间的电阻值称为

21、输入电阻。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源输出电势对外电路来说相当于一个电压源, , 其电源其电源内阻即为输出电阻。内阻即为输出电阻。3) 3) 不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻 当励磁电流为当励磁电流为I,I,元件处于磁感应强度元件处于磁感应强度B=0,UB=0,UH H00霍尔电极不对称或不能保证焊接在霍尔电极不对称或不能保证焊接在同一位面同一位面上，它上，它将形成零位差，它可以用不等位电阻表示。将形成零位差，它可以用不等位电阻表示。2021-12-12324)4)寄生直流电势寄生直流电势 在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时

22、，霍尔电极除了交流不等位电势外，还有一直流电势，尔电极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。称为寄生直流电势。IUr/00U0 不等位电势不等位电势 I 激励电流激励电流 r0 不等位电阻不等位电阻5)5)霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下温度每变化在一定磁感应强度和激励电流下温度每变化11时霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。时霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。2021-12-1233四、测量误差及其补偿办法四、测量误差及其补偿办法 零位误差及其补偿零位误差及其补偿R0ADCBU +UH0IU0=R0I 当当B=0，I02021-1

23、2-1234DBCAI R1R2R3R4R2R1R3R4BCDAI DBCARPR2R1R3R4BCDA电桥补偿办法电桥补偿办法DBCARPR2R1R3R4CBDARP 将霍尔元件看成四臂电桥，不等位电压将霍尔元件看成四臂电桥，不等位电压相当于电桥不满足平衡条件下的不平衡输出相当于电桥不满足平衡条件下的不平衡输出电压，因而可以外接电阻以补偿其桥路的不电压，因而可以外接电阻以补偿其桥路的不平衡输出。平衡输出。2021-12-1235 温度误差及其补偿温度误差及其补偿 霍尔元件由半导体构成，所以其输入、霍尔元件由半导体构成，所以其输入、输出电阻、霍尔常数随温度变化，产生温输出电阻、霍尔常数随温度变

24、化，产生温度误差。度误差。 在一定磁感应强度和激励电流下在一定磁感应强度和激励电流下, , 温度温度每变化每变化 11时，时，称霍称霍尔电势温度系数尔电势温度系数, ,它也是霍尔系数它也是霍尔系数RH的温度的温度系数。系数。IBKUHH2021-12-1236000(1)(1)(1)HHKKTrrTRRT BIKUHHHIrRRIH（i i）恒流源供电，并联电阻）恒流源供电，并联电阻R RRIRIHUH r0 ：输入电阻输入电阻 R : 旁路分流电阻旁路分流电阻：UH温度系数温度系数：r0温度系数温度系数：R0温度系数温度系数TT 0当温度2021-12-1237为使温度改变为使温度改变T后，

25、霍尔电势仍不变后，霍尔电势仍不变只要满足只要满足00Rr （iiii）恒压源供电时，串联电阻）恒压源供电时，串联电阻R RIUHER0000RrrR由等效电源定理知由等效电源定理知000Rrr00HHHHKIBKIB+2021-12-1238（iiiiii）合理选择负载电阻）合理选择负载电阻R RL L的值的值 霍尔元件的输出电阻霍尔元件的输出电阻R0000和霍尔电势与元件温和霍尔电势与元件温度有一定的函数关系，可选择负载电阻度有一定的函数关系，可选择负载电阻R RL L的值使得的值使得输出电压输出电压U UL L不随温度变化。不随温度变化。)1 (0TaUUHH) 1(00aRRLHLLLU

26、RRRU0)1 (000TRR)1 ()1 (000TRRTaURLHL0LTddU令令则则2021-12-1239（iviv）使用桥路补偿电路）使用桥路补偿电路桥路补偿电路桥路补偿电路2021-12-1240五、霍尔传感器应用五、霍尔传感器应用1. 1. 霍尔式微位移传感器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和寿命长的优点, , 在位移测量中得到广泛应用。在位移测量中得到广泛应用。霍尔元件霍尔元件霍尔元件霍尔元件霍尔元件霍尔元件霍尔式位移传感器的工作原理霍尔式位移传感器的工作原理图图2021-12-12412. 2. 霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器 几种不同结构的霍尔式转速传感器几种不同结构的霍