第6章 磁电式传感器

1、6.1 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， 是利用电是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源，成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源， 就能把就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。有源传感器。 由于它输出功率大，由于它输出功率大， 且性能稳定，具有且性能稳定，具有一定的工作带宽（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。 6

2、.1.1 磁电感应式传感器工作原理磁电感应式传感器工作原理 根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，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为沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为 BlvdtdxBtdtde式中式中: B稳恒均匀磁场的磁感应强度；稳恒均匀磁场的磁感应强度；l导体有效长度；导体有效长度；v导体相对磁场的运动速度。导体相对磁场的运动速度。 当一个当一个N匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为中时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电势，则线圈内的感应电势e与磁通变化率与磁

3、通变化率d/dt有如下关系：有如下关系： deNdt 根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。变磁通式又称为磁阻式，构：变磁通式和恒磁通式。变磁通式又称为磁阻式， 图图6-1是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。速度。 图图6-1（a）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 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。每转动一个齿，个齿， 齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化

4、一次，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次， 线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高齿数的乘积。这种传感器结构简单，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。速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。 图图6-1(b)为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内为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、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。 当转轴连接到被测转轴上时

5、，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从转动，内、外齿轮的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的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电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动势。动势。 显然，显然， 感应电势的频率与被测转速成正比。感应电势的频率与被测转速成正比。 磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固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。定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。 其运动部其运动部件可以是线圈（动圈式

6、图件可以是线圈（动圈式图6-2（a），也可以是磁），也可以是磁铁（动铁式图铁（动铁式图6-2（b），动圈式和动铁式的工作原），动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的。理是完全相同的。当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运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，动部件质量相对较大， 当振动频率足够高（远大于传当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，动体一起振动， 近乎静止不动，振动能量几乎全被弹近乎静止不动，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簧

7、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， 从而产生感应电势为从而产生感应电势为 0eB lNv 式中：式中：B0工作气隙磁感应强度；工作气隙磁感应强度； l每匝线圈平均长度；每匝线圈平均长度； N线圈在工作气隙磁场中的匝数；线圈在工作气隙磁场中的匝数； v相对运动速度。相对运动速度。 6.1.5 磁电感应式传感器基本测量电路磁电感应式传感器基本测量电路 当测量电路接入磁电传感器电路时，如图当测量电路接入磁电传感器电路时，如图6-3所示，所示，磁电传感器的输出电流磁电传感器的输出电流I为为 0L0

8、LEBlNvIRRRR传感器的电流灵敏度为传感器的电流灵敏度为 0LIIBlNKvRR 传感器的输出电压：传感器的输出电压：0LLoLBlNvRUIRRR 电压灵敏度：电压灵敏度： 0LoLUUBlNRKvRR由上式知，由上式知，B值大，灵敏度也大，因此要选用值大，灵敏度也大，因此要选用B值值大的永磁材料；线圈的平均长度大也有助于提高大的永磁材料；线圈的平均长度大也有助于提高灵敏度。灵敏度。 磁电式传感器直接输出磁电式传感器直接输出感应电势感应电势, 且传感器通常且传感器通常具有较高的灵敏度具有较高的灵敏度, 所以一般所以一般不需要高增益放大不需要高增益放大器器。但。但磁电式传感器是速度传感器

9、磁电式传感器是速度传感器, 若要获取被若要获取被测位移或加速度信号测位移或加速度信号, 则需要配用则需要配用积分或微分电积分或微分电路路。 56.1.5 磁电感应式传感器基本测量电路磁电感应式传感器基本测量电路 6.2.1霍尔效应和工作原理霍尔效应和工作原理1霍尔效应霍尔效应 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 霍尔效应：霍尔效应： 置于磁场中的导置于磁场中的导体（或半导体），体（或半导体），当有电流流过时，当有电流流过时，在垂直于电流和磁在垂直于电流和磁场的方向会产生电场的方向会产生电动势（霍尔电势），动势（霍尔电势），原因是电荷受到洛原因是电荷受到洛伦兹力的作用。伦兹力的作用。fLfEvEH

10、dIbBn定向运动的电子除受到洛仑兹力定向运动的电子除受到洛仑兹力外，还受到霍尔电场的作用，当外，还受到霍尔电场的作用，当f fL L=f=fE E时，达到平衡，此时时，达到平衡，此时bUeeEFHHEbUeevBHbvBUHnebdIvnevbdIIBkdIBRnedIBUHHHneRH1dRkHH霍尔系数，材料确定后为常数霍尔系数，材料确定后为常数灵敏度系数灵敏度系数LFevB霍尔电压霍尔电压UH为：为： IBKnedIBUHH式中式中 n为为半导体单位体积中的载流子数半导体单位体积中的载流子数 E为为电子电量电子电量 KH为为霍尔元件灵敏度，霍尔元件灵敏度，KH1/ned 对于导体，霍尔

11、系数一般较小，故霍耳元件一般对于导体，霍尔系数一般较小，故霍耳元件一般用半导体制作，且愈小（薄），灵敏度愈高用半导体制作，且愈小（薄），灵敏度愈高 。2材料及结构特点材料及结构特点 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，

12、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。 特点特点小结小结霍尔元件结构霍尔元件结构 （a）霍尔元件结构示意图）霍尔元件结构示意图 （b）图形符号）图形符号 （c）外形）外形 3基本电路基本电路 由于建立霍尔效应所需的时间很短（约由于建立霍尔效应所需的时间很短（约10-12s10-14s之间），因此控制电流为交流时，频率可之间），因此控制电流为交流时，频率可以很高（几千兆赫）。以很高（几千兆赫）。注意注意 4、线性型霍尔传感器的特性、线性型霍尔传感器的特性 输

13、出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图所示，可见，输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图所示，可见，在在B1B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。强度超出此范围时则呈现饱和状态。 B1 B2 B U0 U1 U2 5、开关型霍尔传感器的特性、开关型霍尔传感器的特性 如图所示，其中如图所示，其中BOP为工作点为工作点“开开”的磁感应强度，的磁感应强度，BRP为释放点为释放点“关关”的磁感应强度。的磁感应强度。 当外加的磁感应强度超过动作点当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到

14、动作点出低电平，当磁感应强度降到动作点Bop以下时，以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，时，传感器才由低电平跃变为高电平。传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与与BRP之间之间的滞后使开关动作更为可靠。的滞后使开关动作更为可靠。 BRP BOP BVV+onoff6.2.2 霍尔元件的基本参数与温度误差的补偿霍尔元件的基本参数与温度误差的补偿 1基本参数基本参数（1）输入电阻）输入电阻Ri；（2）输出电阻）输出电阻R0；（3）最大激励电流）最大激励电流IM；（4）灵敏度）灵敏度KH；（5）最大磁感应强度）最大磁感应强度BM；（6）不等位电势

15、；）不等位电势；（7）霍尔电势温度系数）霍尔电势温度系数 2温度误差及其补偿温度误差及其补偿 霍尔元件是由半导体制成的，因半导体对温度很霍尔元件是由半导体制成的，因半导体对温度很敏感，霍尔元件的载流子迁移率、电阻率和霍尔系数敏感，霍尔元件的载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都随温度而变化，因而使霍尔元件的特性参数（如霍都随温度而变化，因而使霍尔元件的特性参数（如霍尔电势和输入、输出电阻等）成为温度的函数，导致尔电势和输入、输出电阻等）成为温度的函数，导致霍尔传感器产生温度误差。霍尔传感器产生温度误差。 （a）输入回路补偿电路）输入回路补偿电路 （b）输出回路补偿电路）输出回路补偿电路 （c）负温度系数热敏电阻的补偿电路）负温度系数热敏电阻的补偿电路原因处理方法6.2.3 集成霍尔元件集成霍尔元件集成霍尔元件可分为