6磁电式传感器PPT课件

1、磁电式传感器机械能机械能电电 量量第2页/共76页第1页/共76页 电感电感式传感器是把被测量转换成电感量式传感器是把被测量转换成电感量( (自感、互感）自感、互感）的变化的变化 磁电磁电式传感器通过检测磁场大小和变化测量被测量式传感器通过检测磁场大小和变化测量被测量. .磁电式传感器机械能机械能电电 量量第3页/共76页第2页/共76页deNdt eBlN 第4页/共76页第3页/共76页结构：磁电式传感器由结构：磁电式传感器由磁钢磁钢、线圈线圈、弹簧弹簧、阻尼器阻尼器和和壳体壳体等等组成，是典型的二阶系统，根据原理有两种磁电感应式组成，是典型的二阶系统，根据原理有两种磁电感应式传感器：传感

2、器：1. 1.恒磁通恒磁通式式: : 恒定磁场，运动部件可以是恒定磁场，运动部件可以是线圈线圈也可以是也可以是磁铁磁铁。2. 2.变磁通变磁通式式: : 线圈、磁铁静止不动，线圈、磁铁静止不动，转动转动物体引起物体引起磁阻磁阻、磁通磁通变化。变化。 恒磁通式恒磁通式（a）开磁路 （b）闭磁路变磁通式变磁通式 第5页/共76页第4页/共76页动钢型动钢型动圈型恒磁通式测振动恒磁通式恒磁通式传感器通常用做机传感器通常用做机械振动测量。械振动测量。振动传感器结构大体分两种振动传感器结构大体分两种: :动圈型动圈型 永久磁铁与壳固定永久磁铁与壳固定动钢型动钢型 线圈与壳体固定线圈与壳体固定第6页/共7

3、6页第5页/共76页 这种惯性式传感器，不需要静止的参考基准，直接安装在这种惯性式传感器，不需要静止的参考基准，直接安装在被测体上，工作时传感器不需要加电压，线圈随被测物体运被测体上，工作时传感器不需要加电压，线圈随被测物体运动，直接将机械能转换为电能输出，是典型的发电型传感器。动，直接将机械能转换为电能输出，是典型的发电型传感器。1-1-弹簧片,2-,2-阻尼环3-3-磁铁,4-,4-铝支架5-5-芯轴,6-,6-线圈7-7-壳体,8-,8-引线v 动圈式振动速度传感器动圈式振动速度传感器磁电式绝对速度计磁电式绝对速度计 11弹簧弹簧 ; 2; 2壳体壳体; 3; 3阻尼环阻尼环; 4; 4

4、磁钢磁钢 ; 5; 5线圈线圈; 6; 6芯轴芯轴; ;固有频率固有频率10 -15Hz10 -15Hz， =0.5-0.7 =0.5-0.7，上限频率，上限频率1k1k。第7页/共76页第6页/共76页 变磁通变磁通式又称为变磁阻式，线圈、磁铁静止不动，式又称为变磁阻式，线圈、磁铁静止不动， 测转速时测转速时, , 转动物体（齿轮的凹凸）引起转动物体（齿轮的凹凸）引起磁阻或磁通磁阻或磁通变化。变化。开磁路闭磁路（a）开磁路 （b）闭磁路第8页/共76页第7页/共76页电压电压灵敏度灵敏度： 0/USV cm s由由 可确定可确定灵敏度为灵敏度为常数常数eNBlvsv SNBl 0/IISA

5、cm sv电流电流灵敏度灵敏度: :ev 可定义出磁电感应式传感器灵敏度 对于结构确定的磁电式传感器，传感器电势输出正比于振动速度对于结构确定的磁电式传感器，传感器电势输出正比于振动速度第9页/共76页第8页/共76页 实际输出特性（灵敏度）是不线性的， 偏离的原因： 当振动速度很小时（当振动速度很小时（a a），惯性力不），惯性力不足以克服传感器活动部件的足以克服传感器活动部件的静摩擦静摩擦力，因此力，因此线圈与磁铁不存在相对运动，因此无输出；线圈与磁铁不存在相对运动，因此无输出； 当当a a超过超过b b时，惯性力克服静摩擦时，惯性力克服静摩擦力，有相对运动，但力，有相对运动，但摩擦阻尼摩

6、擦阻尼使输出特性非使输出特性非线性；线性； 当速度超过当速度超过b b到达到达c c时时惯性惯性太大超过弹太大超过弹性形变范围，输出出现饱和；性形变范围，输出出现饱和； 这种传感器的输出在很小和很大情况下是这种传感器的输出在很小和很大情况下是非线性的，但实际的工作范围较大非线性的，但实际的工作范围较大, ,实用性实用性较强。较强。振动传感器输出特性es 第10页/共76页第9页/共76页 技术参数：灵敏度：灵敏度：202050mV50mVmmmmSec Sec 1 1（根据用户调整）（根据用户调整） 频率响应（可选）：频率响应（可选）：5 5100Hz100Hz，1010500Hz500Hz，

7、10101000Hz 1000Hz 固有频率：约固有频率：约10Hz 10Hz 振幅极限：振幅极限：2mm2mm（峰（峰- -峰值）峰值） 最大加速度：最大加速度：10g 10g S-ZS型磁电式振动速度传感器 S-ZS S-ZS型振动速度传感器与振动监控仪或振动型振动速度传感器与振动监控仪或振动烈度监控仪配接后，可以测量各种位移、速度烈度监控仪配接后，可以测量各种位移、速度等，用来对机械故障进行预测和报警。等，用来对机械故障进行预测和报警。 第11页/共76页第10页/共76页n 信号输出经测量电路转换可获得信号输出经测量电路转换可获得位移位移和和加速度加速度 直接输出直接输出电动势，测量速

8、度信号；电动势，测量速度信号； 接入接入积分积分电路可测量位移信号；电路可测量位移信号； 接入接入微分微分电路可测量加速度信号。电路可测量加速度信号。esvxvtdvadt 磁电传感器根本上是速度传感器，磁电传感器根本上是速度传感器，磁铁与线圈磁铁与线圈之间相对之间相对运动时，能量全被弹簧吸收，磁路线圈切割磁力线产生于运动时，能量全被弹簧吸收，磁路线圈切割磁力线产生于正比速度的感应电动势，正比速度的感应电动势， 由此输出可直接获得速度信号。由此输出可直接获得速度信号。第12页/共76页第11页/共76页v 速度经积分电路速度经积分电路 可测量位移可测量位移01( )ciu tuu dtRC I

9、 If f C CI Ii i R Ru ui iu u0 0- -+ +xvt 0iutu dtvtxesv0UU/ifiIIuR理想运放理想运放RCRC称积分时间常数称积分时间常数根据根据001( )tfu tI dtC 设电容上初始电压为零，输出电压是输入电压对时间积分设电容上初始电压为零，输出电压是输入电压对时间积分uitu0tiuesv第13页/共76页第12页/共76页v 速度经微分电路速度经微分电路 可测量加速度可测量加速度 0( )iffduu tI RRCdt I If f R Rf fI Ic c C Cu ui iu u0 0- -+ +0UUcfII理想运放理想运放ic

10、duIcdt因为因为esvdvadtiuesv 0idudvutadtdtu0tuit第14页/共76页第13页/共76页1. 1.磁电式扭距传感器磁电式扭距传感器 圆盘齿引起磁通量变化，在线圈中感应出交流电压圆盘齿引起磁通量变化，在线圈中感应出交流电压, ,当当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u u1 1、u u2 2存在相位差，存在相位差，相差相差与与扭距扭距的的扭转角扭转角成正比，传感器可以将成正比，传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。转轴转轴测量电路磁电传感器1 1磁电传

11、感器2 2齿型转盘齿型转盘u u1 1u u2 2u ut信号频率=齿数转数第15页/共76页第14页/共76页2. 2.磁电式转速传感器磁电式转速传感器 使探头对准测速齿轮的中部，调节探头与齿顶的距离为使探头对准测速齿轮的中部，调节探头与齿顶的距离为1mm1mm。 测得的传感器输出信号脉冲的频率就可以计算出测速齿轮的转速。测得的传感器输出信号脉冲的频率就可以计算出测速齿轮的转速。 设齿轮齿数为设齿轮齿数为N N，脉冲频率为，脉冲频率为f f， 转速为：转速为：n = f/N n = f/N 磁电转速传感器的工作方式磁电转速传感器的工作方式 转速的单位是转速的单位是转转/ /分钟分钟，所以，所

12、以要再乘以要再乘以6060，才是转速数据，才是转速数据，即即 n nz z= 60= 60f/Nf/N 在使用在使用6060齿齿的发讯齿轮时，的发讯齿轮时，就可以得到一个简单的转速公就可以得到一个简单的转速公式式 n=fn=f。所以可用频率计测量。所以可用频率计测量转速。这就是在工业中转速测转速。这就是在工业中转速测量中齿轮多为量中齿轮多为6060齿的原因。齿的原因。第16页/共76页第15页/共76页3. 3.机械振动监测机械振动监测 机械振动监视系统是监测飞机在机械振动监视系统是监测飞机在飞行中发动机振动飞行中发动机振动变化趋势的系统。变化趋势的系统。磁电式振动传感器固定在发动机上，直接感

13、受发动机的机械振动，并输磁电式振动传感器固定在发动机上，直接感受发动机的机械振动，并输出正比于振动速度的电压信号。出正比于振动速度的电压信号。 因传感器接收飞机上各种频率的振动信号，必须经滤波电路将其它频因传感器接收飞机上各种频率的振动信号，必须经滤波电路将其它频率信号衰减后，才可能准确测量出发动机的振动速度。当振动量超过规率信号衰减后，才可能准确测量出发动机的振动速度。当振动量超过规定值时，发出报警信号，飞行员可随时采取紧急措施，避免事故发生。定值时，发出报警信号，飞行员可随时采取紧急措施，避免事故发生。传感器滤波放大检波告警电路告警显示器机械振动监视系统原理框图u ut第17页/共76页第

14、16页/共76页4. 4.加速度和速度传感器振动测量加速度和速度传感器振动测量 转子底座的振动可采用加速度传感器和速度传感器两种方式进行测量。转子底座的振动可采用加速度传感器和速度传感器两种方式进行测量。将带有磁座的加速度和速度传感器放置在试验台的底座上，将传感器的输将带有磁座的加速度和速度传感器放置在试验台的底座上，将传感器的输出经变送器接采集通道，输入到计算机中。出经变送器接采集通道，输入到计算机中。加速度和速度传感器振动测量 工程上可采用工程上可采用频谱分析频谱分析识别信号中的周期识别信号中的周期分量，通过测量的振动信号进行频谱分析，分量，通过测量的振动信号进行频谱分析，确定最大幅值的频

15、率分量，然后找出故障。确定最大幅值的频率分量，然后找出故障。大型空气压缩机传动装置故障诊断案例示意图第18页/共76页第17页/共76页 磁电式振动传感器的特点：磁电式振动传感器的特点： 磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要静止的基准参考，可磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要静止的基准参考，可直接装在被测体上，适合作机械振动测量、转速测量。直接装在被测体上，适合作机械振动测量、转速测量。 传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械能转化为传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械能转化为电能输出。电能输出。 速度传感器的输出电压正比于速度信号速度传感器的输出电压正比于速度

16、信号 ，便于直接放大。，便于直接放大。 输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但传感器尺寸大、重，输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但传感器尺寸大、重，频率响应低，通常在频率响应低，通常在1010100Hz100Hz。输出阻抗低几十几千欧，对后置。输出阻抗低几十几千欧，对后置电路要求低，干扰小。电路要求低，干扰小。v 航空航天发动机等设备的振动实验；航空航天发动机等设备的振动实验；v 兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射；兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射；v 民用，机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。民用，机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。uv第19页/共

17、76页第18页/共76页 霍尔传感器是一种霍尔传感器是一种磁敏元件，主要用于磁磁敏元件，主要用于磁场检测场检测; ; 而与人们相关的磁而与人们相关的磁场范围很宽，一般的磁场范围很宽，一般的磁敏传感器检测的最低磁敏传感器检测的最低磁场只能测到场只能测到1010-6-6高斯。高斯。 磁场强度与磁场源的分布磁场强度与磁场源的分布第20页/共76页第19页/共76页 测磁的方法：测磁的方法： 利用电磁感应作用的传感器（强磁场）利用电磁感应作用的传感器（强磁场） 如：磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器；如：磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器； 利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件测量磁

18、场；利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件测量磁场； 利用超导效应传感器，利用超导效应传感器，SQVID SQVID 约瑟夫元件；约瑟夫元件； 利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。 利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器；利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器；随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化， 微型化和集成化方向发展。微型化和集成化方向发展。第21页/共76页第20页/共76页磁敏传感器磁学量磁学量电信号电信号第22页/共76页第21页/共76页 把一个导体（半导体薄片）两端通把一个导体（半导体薄片）两

19、端通以电流，在垂直方向施加磁感强度的以电流，在垂直方向施加磁感强度的磁场，在导体薄片的另外两侧会产生磁场，在导体薄片的另外两侧会产生一个与控制电流一个与控制电流I I和磁场强度和磁场强度B B的乘积的乘积成比例的电动势成比例的电动势U UH H ，这种现象称，这种现象称霍霍尔效应尔效应。电动势为。电动势为18781878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积随着半导体技术的发展，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集

20、成化。小有利于集成化。HUIB霍尔传感器基于霍尔效应第23页/共76页第22页/共76页 在磁场作用下导体中的自由在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。每个电子受电子做定向运动。每个电子受洛仑兹力洛仑兹力作用作用被推向导体的另被推向导体的另一侧：一侧： LFe BHHUEb式中霍尔电场强度为式中霍尔电场强度为HHFeE 霍尔电场作用于电子的力霍尔电场作用于电子的力第24页/共76页第23页/共76页当两作用力相等时电荷不再向两边积累达到动态平衡：当两作用力相等时电荷不再向两边积累达到动态平衡：HLFFHeEe BIne bd u 通过（半）导体薄片的通过（半）导体薄片的电流电流 I与下列因素

21、有关：与下列因素有关：HUBb霍尔电势：霍尔电势：HHUEb n n 载流子浓度载流子浓度， v v 电子运动速度电子运动速度， b d b d 导体薄片横截面积导体薄片横截面积 ， e e 为电子电荷量。为电子电荷量。第25页/共76页第24页/共76页代入后：代入后：HHHIBIBUBbRK IBnedd 1HRne HHRKd与薄片尺寸有关与薄片尺寸有关与材料有关与材料有关霍尔灵敏霍尔灵敏度度霍尔常数霍尔常数式中：式中：电阻率、电阻率、n n电子浓度、电子浓度、电子迁移率电子迁移率 =/E=/E 单位电场强度作用下载流子运动速度。单位电场强度作用下载流子运动速度。 可见霍尔电势与电流和磁

22、场强度的乘积成正比可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比Ine bd 第26页/共76页第25页/共76页 讨论：讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件; ; 金属材料金属材料因电子浓度因电子浓度n n很高，很高，R RH H很小，很小，U UH H很小很小; ; 绝缘材料绝缘材料电阻率电阻率很大，但电子迁移率很大，但电子迁移率很小，不适用；很小，不适用； 半导体材料半导体材料电阻率电阻率较大，电子迁移率较大，电子迁移率适中，非常适于做霍尔元件；适中，非常适于做霍尔元件； 半导体中半导体中电子电子迁

23、移率一般大于迁移率一般大于空穴空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用的迁移率，所以霍尔元件多采用N N型型 半导体（多电子）半导体（多电子）; ; 由霍尔灵敏度可见，由霍尔灵敏度可见，厚度厚度d d 越小霍尔灵敏度越小霍尔灵敏度K KH H越大，所以霍尔元件通常越大，所以霍尔元件通常 做的较薄，近似做的较薄，近似1 1微米微米( d1m )( d1m )，工作电压很低工作电压很低。HHRKd1HRne HHUK IB第27页/共76页第26页/共76页霍尔元件外形和符号霍尔元件外形和符号 第28页/共76页第27页/共76页 霍尔晶体的外形为矩形薄片霍尔晶体的外形为矩形薄片, ,有四根引线，有四根引

24、线， 两端加激励，两端为输出，两端加激励，两端为输出，R RL L为负载电阻为负载电阻 ； 电源电源E E通过通过R R控制激励电流控制激励电流 I I； B B 磁场与元件面垂直（向里）磁场与元件面垂直（向里） 实测中可把实测中可把 I IB B 作输入，作输入， 也可把也可把 I I 或或 B B单独做输入；单独做输入； 通过霍尔电势输出测量结果。通过霍尔电势输出测量结果。 输出输出U UH H与与I I或或B B成正比关系，成正比关系， 或与或与 I IB B 成正比关系。成正比关系。第29页/共76页第28页/共76页 当霍尔元件通以激励电流当霍尔元件通以激励电流I I时，若磁场时，若

25、磁场 B=0B=0，理论上，理论上霍尔电势霍尔电势 U UH H=0, =0, 但实际但实际 U UH H00，这时测得的空载电势称，这时测得的空载电势称不等位电势不等位电势 U U0 0 。 产生的原因：产生的原因：霍尔引出电极安装不对称不在霍尔引出电极安装不对称不在同一等位面上，或激励电极接同一等位面上，或激励电极接触不良。触不良。半导体材料不均匀，几何尺半导体材料不均匀，几何尺寸不均匀，造成电阻率不均寸不均匀，造成电阻率不均匀。匀。HHUK IB(1) (1) 不等位电势不等位电势第30页/共76页第29页/共76页 不等位电势的补偿不等位电势的补偿 分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一

26、个电桥分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥不等位电压相当于桥路初始有不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出，不平衡输出，U U0 000，可在电阻，可在电阻大的桥臂上并联电阻。大的桥臂上并联电阻。不等位电势可表示为不等位电势可表示为 U U0 0 = r = r0 0 I IH H r r0 0为不等位电阻为不等位电阻第31页/共76页第30页/共76页霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温度变化时，载流子浓度当温度变化时，载流子浓度n n、迁移率、迁移率、电阻率、电阻率，霍尔系数霍尔系数R RH H都会变化。都会变化。0001()

27、1HtHHKKttKT (2) (2) 温度误差及补偿温度误差及补偿多数霍尔器件是多数霍尔器件是正温度系数正温度系数，T KT KH H ，可通过减小，可通过减小 I I 保持保持 K KH HI I 不变，抵消温度造成不变，抵消温度造成K KH H增加的影响。增加的影响。灵敏度与温度系数关系灵敏度与温度系数关系 恒流源补偿： 由由 U UH H = K = KH H I B I B 可见，恒流源可见，恒流源 I I 供电可使供电可使U UH H稳定，稳定， 但灵敏度系数但灵敏度系数 K KH H = R = RH H/d = /d /d = /d 也是温度的函数，也是温度的函数， 温度温度T

28、 T变化时，灵敏度变化时，灵敏度K KH H也变化。也变化。第32页/共76页第31页/共76页 具体补偿方法具体补偿方法: :在霍尔元件上并联一分流电阻在霍尔元件上并联一分流电阻R Rp pI IH H R RININ当当T TI IP PU UH H由于恒流源电流由于恒流源电流I I不变，不变，R Rp p自动增加分流，使自动增加分流，使I Ip p增大，增大， I IH H 下降，下降，U UH H下降；补偿电阻下降；补偿电阻R Rp p可选择负温度系数可选择负温度系数. .I IH HR RP PT TI IP PU UH H第33页/共76页第32页/共76页 位移测量位移测量 测转

29、速测转速 测磁场测磁场 计数装置计数装置( (导磁产品导磁产品) )检缺口检缺口 检齿检齿磁磁场场测测量量第34页/共76页第33页/共76页1.1.霍尔传感器位移测量原理霍尔传感器位移测量原理 第35页/共76页第34页/共76页2.2.霍尔压力传感器结构原理霍尔压力传感器结构原理 第36页/共76页第35页/共76页3.3.交直流钳形数字电流表交直流钳形数字电流表 霍尔元件的磁感应强度与导线电流霍尔元件的磁感应强度与导线电流 成正比，成正比，B B I IX X，可求出测量电路的霍尔输出电势，输出电势与导可求出测量电路的霍尔输出电势，输出电势与导线电流成正比。线电流成正比。 H H = K

30、 = KH HC C B = K B = KH HC CK KB BI IX X 霍尔元件灵敏度；霍尔元件灵敏度；C C 控制电流控制电流, , X X为导线电流；为导线电流； K KB B 为比例系数；为比例系数；K KH Hc Kc KB B 为一定值；为一定值； 环形环形磁集束器磁集束器作用是将载流导体中被测电流产生作用是将载流导体中被测电流产生的磁场集中到霍尔元件上，以提高灵敏度。的磁场集中到霍尔元件上，以提高灵敏度。霍尔元件磁集束器导线电流 IX钳口第37页/共76页第36页/共76页1.1.线性霍尔集成电路线性霍尔集成电路( (测位移、测振动测位移、测振动) ) 输出电压在一定范围

31、与磁感应强度输出电压在一定范围与磁感应强度B B成线性关系，四端输出成线性关系，四端输出第38页/共76页第37页/共76页2.2.开关型集成器件开关型集成器件( (测转速、开关控制、判断测转速、开关控制、判断N SN S极性极性) ) 输出两种状态输出两种状态H H、L L，高低电平转换的磁场强度，高低电平转换的磁场强度B B不同不同 B B、B B形成形成切换回差切换回差, ,这是位置式作用传感器的特点这是位置式作用传感器的特点, , 作无触点开关时可防止干扰引起的误动作作无触点开关时可防止干扰引起的误动作 。 开关型有开关型有常开常开、常闭常闭型两种型两种霍尔开关元件性能演示霍尔开关元件

32、性能演示第39页/共76页第38页/共76页 TTL COMS LED TTL COMS LED集成霍尔元件及接口电路集成霍尔元件及接口电路3. 3. 应用 第40页/共76页第39页/共76页 霍尔元件作无触点开关霍尔元件作无触点开关第41页/共76页第40页/共76页第42页/共76页第41页/共76页应用第43页/共76页第42页/共76页应用：汽车转速测量?实典型信号的相关分析第44页/共76页第43页/共76页应用：计数电路利用霍尔元件实现的编码计数典型电利用霍尔元件实现的编码计数典型电路。（晶体管、集成电路）。路。（晶体管、集成电路）。 随磁鼓上永久磁体的极性（随磁鼓上永久磁体的极

33、性（N N、S S）变）变化，霍尔元件化，霍尔元件c c、d d端输出电压的极性端输出电压的极性（正、负）也发生变化，通过整形输出，（正、负）也发生变化，通过整形输出，获得近似矩形的脉冲信号。获得近似矩形的脉冲信号。根据磁鼓上永久磁体数量多少，可获根据磁鼓上永久磁体数量多少，可获得磁鼓旋转一周的脉冲数目，从而进行得磁鼓旋转一周的脉冲数目，从而进行与旋转有关的参数测量和控制。与旋转有关的参数测量和控制。第45页/共76页第44页/共76页应用应用 ：天然气点火电路（无触点开关）天然气点火电路（无触点开关）磁钢远离霍尔元件时VT1导通，高压无输出第46页/共76页第45页/共76页第47页/共76

34、页第46页/共76页应用应用 ：霍尔计数装置：霍尔计数装置 传感器可输出峰值传感器可输出峰值20mV20mV脉冲电压脉冲电压NS霍尔元件霍尔元件钢珠钢珠绝缘传送带绝缘传送带磁钢磁钢信号输出信号输出S N计数器LM741SL3051第48页/共76页第47页/共76页应用工位定位： 使用霍尔传感器进行定位，霍尔传感器在检测到磁钢经过传感器探头时，使用霍尔传感器进行定位，霍尔传感器在检测到磁钢经过传感器探头时，磁场的变化会使传感器输出脉冲信号。磁场的变化会使传感器输出脉冲信号。 利用霍尔传感器的这一特性，我们将磁钢安装在自动化生产流水线某几个利用霍尔传感器的这一特性，我们将磁钢安装在自动化生产流水

35、线某几个特定的链板上，这样，当这些安装有磁钢的链板经过传感器探头时，传感器特定的链板上，这样，当这些安装有磁钢的链板经过传感器探头时，传感器就会就会“认出认出”这些链板。这些链板。 第49页/共76页第48页/共76页n 磁敏元件也是基于磁电转换原理磁敏元件也是基于磁电转换原理,60,60年代西门子公司年代西门子公司研制了第一个磁敏元件研制了第一个磁敏元件,68,68年索尼公司研制成磁敏二极管年索尼公司研制成磁敏二极管, ,目前磁敏元件应用广泛。目前磁敏元件应用广泛。磁敏元件磁敏传感器主要有：磁敏传感器主要有：磁敏电阻；磁敏电阻；磁敏二极管；磁敏二极管；磁敏三极管；磁敏三极管；霍尔式磁敏传感器

36、。霍尔式磁敏传感器。第50页/共76页第49页/共76页 磁阻效应：磁阻效应：220(1 0.273)BB第51页/共76页第50页/共76页第52页/共76页第51页/共76页 而霍尔电场作用会抵消洛伦兹力而霍尔电场作用会抵消洛伦兹力, ,磁阻效应被大大减弱磁阻效应被大大减弱, ,但仍但仍然存在。由于霍尔电场强度与导体薄片的宽度然存在。由于霍尔电场强度与导体薄片的宽度b b成反比关系，成反比关系，所以所以磁阻元件的电阻率与几何尺寸有关磁阻元件的电阻率与几何尺寸有关：长方形样品长方形样品 扁条状长形扁条状长形 圆盘样品圆盘样品电阻变化很小电阻变化很小 磁阻变化明显磁阻变化明显 不产生霍尔电场不

37、产生霍尔电场HHUEb第53页/共76页第52页/共76页长方形HHUEb 第54页/共76页第53页/共76页磁敏电阻磁敏电阻与与霍尔元件霍尔元件属同一类属同一类, ,都是磁电转换元件都是磁电转换元件, ,本质本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力不同是磁敏电阻没有判断极性的能力, ,只有与辅助材料只有与辅助材料( (磁铁磁铁) )并用才具有识别磁极的能力并用才具有识别磁极的能力. . 磁敏电阻的输出特性磁敏电阻的输出特性例：例：磁阻图形识别传感器磁阻图形识别传感器BS05A1HFAABS05A1HFAA检检测电路，工作电压测电路，工作电压5V5V，输出，输出0.30.30.8v0.8v，被测

38、物体被测物体3mm3mm，可测磁性齿轮，磁性墨水，可测磁性齿轮，磁性墨水，磁性条形码，磁带，识别有机磁性（自磁性条形码，磁带，识别有机磁性（自动售货机）。动售货机）。 磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用第55页/共76页第54页/共76页 无偏置磁场时无偏置磁场时, ,检测磁场不能判检测磁场不能判别磁性；输出弱磁场时磁阻与磁别磁性；输出弱磁场时磁阻与磁场关系为：场关系为： R =RR =R0 0（1+MB1+MB2 2）R R0 0为零磁场内阻；为零磁场内阻；MM为零磁场系数；为零磁场系数； 外加偏置磁场时磁阻具有极性，外加偏置磁场时磁阻具有极性，相当在检测磁场外加了偏置磁场，相当在检测磁场外加了偏

39、置磁场，工作点移到线性区，磁极性也作工作点移到线性区，磁极性也作为电阻值变化表现出来，这时电为电阻值变化表现出来，这时电阻值的变化为：阻值的变化为： R = RR = RB B（1+MB1+MB）R RB B为加偏置磁场电阻为加偏置磁场电阻偏置磁铁R RM M第56页/共76页第55页/共76页 在自动测量技术中有许多微小磁信号需要检测，如录音机、录像机的磁带，防在自动测量技术中有许多微小磁信号需要检测，如录音机、录像机的磁带，防伪纸币、票据、信用（磁）卡上用的磁性油墨等。伪纸币、票据、信用（磁）卡上用的磁性油墨等。 利用三端差分型磁敏电阻做成磁头检测微弱信号，又称为图形识别器。利用三端差分型

40、磁敏电阻做成磁头检测微弱信号，又称为图形识别器。MS-F-MS-F-0606型磁敏传感器为日本产型磁敏传感器为日本产InSbInSb（锑化铟）图形识别传感器的等效电路与外部结构（锑化铟）图形识别传感器的等效电路与外部结构及传感器的电阻值与磁感应强度关系曲线；及传感器的电阻值与磁感应强度关系曲线；第57页/共76页第56页/共76页由特性曲线图中可见，由特性曲线图中可见，R=0R=0时为时为0.8k0.8k，当磁感应强度，当磁感应强度B B为为0.3T0.3T时，电阻时，电阻R RB B约为约为2.4 k2.4 k，有较好的磁灵敏度。，有较好的磁灵敏度。这种传感器主要用于识别磁性墨水的图形和文字

41、，磁迹信号阅读电路原理示这种传感器主要用于识别磁性墨水的图形和文字，磁迹信号阅读电路原理示意图如图所示。磁图形识别传感器由磁敏元件，放大整形检测电路组成，磁敏意图如图所示。磁图形识别传感器由磁敏元件，放大整形检测电路组成，磁敏电阻工作电压电阻工作电压5V5V，输出，输出0.30.8V0.30.8V，被检测物体的距离，被检测物体的距离3mm3mm。第58页/共76页第57页/共76页第59页/共76页第58页/共76页 由于磁墨的磁场强度较弱，根据磁阻元件特性需要加偏置磁场，使磁敏电阻工作由于磁墨的磁场强度较弱，根据磁阻元件特性需要加偏置磁场，使磁敏电阻工作在线性区域。磁敏电阻应用时一般采用恒压

42、源驱动，分压输出，三端差分型电路有在线性区域。磁敏电阻应用时一般采用恒压源驱动，分压输出，三端差分型电路有较好的温度特性。较好的温度特性。这种磁敏传感器呈纯电阻特性，输出信号的变化按字迹间距变化出现，可测磁性这种磁敏传感器呈纯电阻特性，输出信号的变化按字迹间距变化出现，可测磁性齿轮，磁性墨水，磁性条形码，磁带，可识别有机磁性（自动售货机）等。齿轮，磁性墨水，磁性条形码，磁带，可识别有机磁性（自动售货机）等。 第60页/共76页第59页/共76页 特点：长特点：长“基区基区” PIPI为掺杂区，本征区为掺杂区，本征区I I长度较长构成高阻半导体；长度较长构成高阻半导体； 工作过程：磁敏二极管在长

43、工作过程：磁敏二极管在长“基区基区”的一侧面设置了的一侧面设置了复合区复合区r r，r r面是面是个个粗糙面粗糙面截流子复合速度非常高，截流子复合速度非常高，r r区对面是复合率很小的区对面是复合率很小的光滑面光滑面。 外加正向电压时，空穴、电子同时注入外加正向电压时，空穴、电子同时注入I I区（双二极管）区（双二极管）v 无磁场无磁场 B=0 B=0 时大部分时大部分P P区空穴注入区空穴注入N N区，区，N N区电子注入区电子注入P P区形成电流；区形成电流；v 加正向磁场时，由于洛仑磁力作用，空穴电子偏向加正向磁场时，由于洛仑磁力作用，空穴电子偏向r r区，并在区，并在r r区很快区很快

44、 复合复合 ，I I区载流子减小区载流子减小 ，电流减小，电流减小 ，相当于电阻增加压降增加，相当于电阻增加压降增加 ；v 加反向磁场时，空穴电子偏向加反向磁场时，空穴电子偏向r r区背面，复合减少，区背面，复合减少，I I区载流子增区载流子增 加加 ，相当电阻减小，相当电阻减小 电流增加电流增加 ，压降减小，压降减小 。（1）磁敏二极管（锗管锗管2ACM2ACM，硅管，硅管2DCM2DCM）第61页/共76页第60页/共76页 在正向磁场在正向磁场 作用下电阻大作用下电阻大 ，电流小，电流小 在负向磁场在负向磁场 作用下电阻小作用下电阻小 ，电流大，电流大 在磁场作用下，磁敏二极管灵敏度大大

45、提高。在磁场作用下，磁敏二极管灵敏度大大提高。 输出电压与外加磁场的关系叫磁敏二极管的输出电压与外加磁场的关系叫磁敏二极管的磁磁电特性电特性， 磁敏二极管具有磁敏二极管具有正反磁灵敏度正反磁灵敏度，这是磁阻元件欠缺的。，这是磁阻元件欠缺的。 但正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度，需互补使用，对臂相同、但正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度，需互补使用，对臂相同、 邻臂相反。邻臂相反。UUB BE ED D1 1D D2 2D D3 3D D4 4U U0 0第62页/共76页第61页/共76页以锗管以锗管NPNNPN型为例：型为例： 磁敏三极管也是以长基区为特征，有两个磁敏三极管也是以长基区为特征，有两个P

46、NPN结，结，发射极与基极之间的发射极与基极之间的PN PN 结由长基区二极管构成，有一结由长基区二极管构成，有一个高复合区，集电极电流大小与磁场有关。个高复合区，集电极电流大小与磁场有关。 （2）磁敏三极管第63页/共76页第62页/共76页v加正向磁场加正向磁场 ，载流子偏向高复合区，集电极电流减小；，载流子偏向高复合区，集电极电流减小；v加反向磁场加反向磁场 ，载流子背向高复合区，集电极电流，载流子背向高复合区，集电极电流Ic Ic增加；增加；v当基极电流一定，靠外加磁场可以改变集电极电流，这是与普通三极管不同之当基极电流一定，靠外加磁场可以改变集电极电流，这是与普通三极管不同之处；处；

47、v由于长基区大于扩散长度，所以发射极电流增益由于长基区大于扩散长度，所以发射极电流增益 1 1，但，但集电极电流有很高的集电极电流有很高的磁灵敏度。磁灵敏度。（2）磁敏三极管第64页/共76页第63页/共76页 位移测量位移测量 磁敏二极管组成电桥，磁铁处于磁敏元件磁敏二极管组成电桥，磁铁处于磁敏元件之间，中间位置时输出电压之间，中间位置时输出电压U U0 0=0=0；位移时两磁；位移时两磁敏元件感受的磁场强度不同，敏元件感受的磁场强度不同，R RD1D1RRD3D3，电桥，电桥失衡，输出与位移有关。位移方向相反输出失衡，输出与位移有关。位移方向相反输出极性变化，可判别位移大小和方向。极性变化

48、，可判别位移大小和方向。E ED D1 1D D2 2D D3 3D D4 4U U0 0SN 涡流流量计涡流流量计 液体流动时，涡轮转动，流速与转速成正液体流动时，涡轮转动，流速与转速成正比，磁敏晶体管检测到磁性涡轮周期变化近比，磁敏晶体管检测到磁性涡轮周期变化近似正弦波波形，频率与齿轮的转速成正比。似正弦波波形，频率与齿轮的转速成正比。 频率频率转速转速流量流量磁性齿轮传感器（3）磁敏晶体管的应用第65页/共76页第64页/共76页 HMC HMC系列是美国霍尼威尔（系列是美国霍尼威尔（HoneywellHoneywell) )公司生产的单片集成化磁场传公司生产的单片集成化磁场传感器，简称

49、感器，简称 MRMR（磁敏电阻）（磁敏电阻）传感器。传感器。 该系列有该系列有6 6种型号：其中种型号：其中HMC1001HMC1001、1021D1021D、1021S1021S、1021Z1021Z为为单轴单轴磁场磁场传感器，传感器，HMC1002HMC1002、10221022属于属于双轴双轴磁场传感器磁场传感器。 单轴磁场和双轴磁场传感器配套使用，可以构成单轴磁场和双轴磁场传感器配套使用，可以构成3 3轴（轴（X X、Y Y、Z Z轴轴）磁）磁场传感器，测量立体空间磁场。场传感器，测量立体空间磁场。 这种传感器体积小、灵敏度高、价格低，可用于这种传感器体积小、灵敏度高、价格低，可用于地

50、球磁场地球磁场探测仪、导探测仪、导航系统、磁疗设备以及自动化装置中。航系统、磁疗设备以及自动化装置中。 传感器内部有传感器内部有4 4只半导体磁敏电阻（只半导体磁敏电阻（HMC1001HMC1001典型值为典型值为850850）构成构成MRMR电桥，当受到外部磁场作用时桥臂电阻会发生变化，电桥，当受到外部磁场作用时桥臂电阻会发生变化，使电桥输出一个差分电压信号；使电桥输出一个差分电压信号； 灵敏度：对磁场的敏感程度可达：对磁场的敏感程度可达3nT3nT，测量范围可达，测量范围可达6 61010-4-4T T（地球磁场仅为（地球磁场仅为5 51010-5-5T T）。）。1 12 23 34 4

51、5 56 67 78 8 HMC1001HMC1001（SIP-8SIP-8）封装第66页/共76页第65页/共76页HMCHMC系列磁场传感器工作原理系列磁场传感器工作原理 UBR UBR供电桥压供电桥压+5V+5V，GNDGND公共地；公共地； OUTOUT+ +、OUTOUT- -差分电压输出端；差分电压输出端； OFFSETOFFSET+ +、OFFSETOFFSET- -为内部补偿线圈引线，为内部补偿线圈引线，表示电表示电流极性流极性 ； S/RS/R+ +、S/RS/R- -为置位、复位线圈引出端，为置位、复位线圈引出端， 改变电流的极改变电流的极性可分别实现置位、复位；性可分别实

52、现置位、复位； 图中小尖头代表图中小尖头代表MRMR传感器灵敏度的方向传感器灵敏度的方向。 双轴磁场传感器的引脚图中，芯片内部双轴磁场传感器的引脚图中，芯片内部有有A A、B B两组两组MRMR传感器适合测量平面磁场。传感器适合测量平面磁场。1 12 23 34 45 56 67 78 8 HMC1001 SIP-8封装S/R+S/R+OFFSET+OFFSET+S/R-S/R-GNDGNDOUT+OUT+OFFSET-OFFSET-UBRUBROUT-OUT- HMC1022HMC1022SOIC-16SOIC-16封装1 12 23 34 45 56 67 78 8161615151414

53、13131212111110 10 9 9A AB BYX第67页/共76页第66页/共76页 HMC HMC系列磁场传感器工作原理系列磁场传感器工作原理 以以HMCHMC 1001 1001为例为例 HMC1001 HMC1001内部电路框图包括集成工艺制成的内部电路框图包括集成工艺制成的MRMR电桥，两个带绕式线圈，电桥，两个带绕式线圈， 一个一个补偿线圈补偿线圈可等效于可等效于2.52.5的标称电阻的标称电阻; ; 另一个是另一个是置位置位/ /复位线圈复位线圈，等效，等效1.51.5的标称电阻。的标称电阻。HMC1001MR电桥 R RR RR RR RUBRUBROUT+OUT+OU

54、T-OUT-GNDGND OFFSET+OFFSET+OFFSET-OFFSET-S/R+S/R+S/R-S/R-补偿线圈 置位/复位线圈 YX 当线圈上有电流通过时，所当线圈上有电流通过时，所产生的磁场就耦合到产生的磁场就耦合到MRMR电桥电桥上。这两个线圈具有磁场信上。这两个线圈具有磁场信号号调理调理功能。功能。 第68页/共76页第67页/共76页 HMC HMC系列磁场传感器工作原理系列磁场传感器工作原理 以以HMCHMC 1001 1001为例为例 接入电源后，传感器能测量沿水接入电源后，传感器能测量沿水平轴方向的环境磁场或外加磁场；平轴方向的环境磁场或外加磁场； 外部磁场加到传感器

55、时改变磁敏外部磁场加到传感器时改变磁敏电阻的电阻值，产生变化率电阻的电阻值，产生变化率R/RR/R，使使MRMR输出电压随外部磁场信号变输出电压随外部磁场信号变化，配上数字电压表即可测量磁化，配上数字电压表即可测量磁场。场。YX第69页/共76页第68页/共76页补偿线圈补偿线圈可实现下述功能：可实现下述功能：1 1） 无检测磁场时无检测磁场时, ,补偿线圈上有电流通过，就形成补偿线圈上有电流通过，就形成X X轴方向轴方向的磁场（敏感方向），的磁场（敏感方向），利用这个磁场可以利用这个磁场可以抵消环境磁场抵消环境磁场（地磁）的影响。（地磁）的影响。因为补偿电流从因为补偿电流从- -端流向端流向

56、+ +端时补偿线圈产生一个与原磁场方向相反的磁场；端时补偿线圈产生一个与原磁场方向相反的磁场；25mA25mA电流产生磁通电流产生磁通5 51010-5 -5T T 使原磁场减弱，只要合理选择调节补偿电流使原磁场减弱，只要合理选择调节补偿电流I IOFFSETOFFSET值就可以完全抵消环境磁场和铁磁性物质对测量的影响。值就可以完全抵消环境磁场和铁磁性物质对测量的影响。2 2）补偿线圈可作为闭环反馈元件，消除待测磁场的影响；补偿线圈可作为闭环反馈元件，消除待测磁场的影响；3 3）补偿线圈用于）补偿线圈用于MRMR电桥自动校准；电桥自动校准；4 4）当环境温度变化时，）当环境温度变化时，MRMR

57、传感器的灵敏度会变化，利用补偿线圈可检测沿灵敏轴传感器的灵敏度会变化，利用补偿线圈可检测沿灵敏轴方向的灵敏度。方向的灵敏度。第70页/共76页第69页/共76页置位置位/ /复位线圈：复位线圈：该线圈主要作用是在测量磁场时能保持该线圈主要作用是在测量磁场时能保持MRMR传感器的高灵敏度传感器的高灵敏度特性特性当被测弱磁场受到一个强磁场干扰时，当被测弱磁场受到一个强磁场干扰时，MRMR传感器的输出信号有可能被干扰信传感器的输出信号有可能被干扰信号所淹没，造成输出信号丢失。为减小这种影响并使输出信号最大化，需要利号所淹没，造成输出信号丢失。为减小这种影响并使输出信号最大化，需要利用置位用置位/ /复位线圈。复位线圈。1. 1.置位置位/ /复位线圈必须通过几安的脉冲电流，复位线圈必须通过几安的脉冲电流，持续时间持续时间2s 2s ；2. 2.该线圈产生沿该线圈产生沿Y Y轴方向的磁场，这是轴方向的磁场，这是MRMR最最不敏感的方向不敏感的方向；3. 3.利用