第5章磁电式传感器

1、传感器原理与应用传感器原理与应用第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式转速传感器磁电式转速传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式转速传感器磁电式转速传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式振动速度传感器磁电式振动速度传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器防爆磁电式振动速度传感器防爆磁电式振动速度传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器5. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器磁电式磁电式传感器传感器机机电电5. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈

2、的运动磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关。速度有关。 按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒磁通式恒磁通式和和变磁通式变磁通式。tNedd5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式vNS15432NS12345( (b) )动铁式动铁式( (a) )动圈式动圈式1弹簧；弹簧；2线圈骨架；线圈骨架；3壳体；壳体；4永久磁铁；永久磁铁；5线圈线圈 5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5. .1. .

3、1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式).(15BlNe式中，式中，N为线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为为工作匝数工作匝数。 传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为：).(/25nBlNeS5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式).(3560zfn 1齿轮；齿轮；2线圈；线圈；3软铁；软铁；4永久磁铁永久磁铁N S14325. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式2线圈；线圈；4永永久磁铁；久磁铁；5外齿外齿轮；轮；6

4、内齿轮内齿轮 24565. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5. .1. .2 动态特性动态特性5. .1. .2 动态特性动态特性RfeNS 5. .1. .2 动态特性动态特性).()(1)(45j1jf220RBlNcmBlNH5. .1. .2 动态特性动态特性/0AS( )/n0.11.0101020.11.010过阻尼最佳阻尼中频灵敏度高频下降欠阻尼5. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5. .1. .3 设计要点设计要点5. .1. .3 设计要点设计要点5. .1. .3 设计要点设计要点(5.11)dththLD1D2D35. .1. .3 设计要点设计要点).(

5、)(1253 . 1pdllLthLD1D2D35. .1. .3 设计要点设计要点5. .1. .3 设计要点设计要点5. .1. .3 设计要点设计要点5. .1. .3 设计要点设计要点5. .1. .3 设计要点设计要点).(/135d2tlDBc 5. .1. .3 设计要点设计要点).(145 20mc 可通过改变可通过改变t来调节来调节c的大小，以得到较好的的大小，以得到较好的频响特性。频响特性。 /0AS( )/n0.11.0101020.11.010过阻尼最佳阻尼中频灵敏度高频下降欠阻尼5. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿iiR

6、RBlNRRei)15. 5(iiiRRBLRRBlNiS式中，式中，Ri为测量电路的输入电阻，为测量电路的输入电阻，R为线圈的等为线圈的等效电阻。传感器的电流灵敏度为：效电阻。传感器的电流灵敏度为：式中，式中，LlN为工作气隙中线圈的总长度。为工作气隙中线圈的总长度。5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿)16. 5(ddddiiiRRRLLBBSS)15. 5(iiiRRBLRRBlNiS5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿C/%45. 0)16. 5(ddddiiiRRRLLBBSS5. .1. .4

7、误差及补偿误差及补偿5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿12NS1工作线圈；工作线圈；2补偿线圈补偿线圈5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿12NS1铂钴磁片；铂钴磁片；2磁帽磁帽 5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿5. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5. .1. .5 测量电路测量电路5. .1. .5 测量电路测量电路前置放大微分电路积分电路主放电路显示或记录磁电式传感器量程选择Sw1235. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5. .1. .6 应用举例应用举例5. .1. .6 应

8、用举例应用举例)17. 5(z5. .1. .6 应用举例应用举例3 4 56718121圆形弹簧片；圆形弹簧片；2圆环形阻尼器；圆环形阻尼器；3心轴；心轴；4铝架；铝架；5永久磁铁；永久磁铁；6壳体；壳体；7工作线圈；工作线圈；8引线引线 5. .1. .6 应用举例应用举例用于飞机振动模态分析。用于飞机振动模态分析。5. .1. .6 应用举例应用举例NS差动放大输出5. .1. .6 应用举例应用举例5. .1. .6 应用举例应用举例1234567181支承弹簧；支承弹簧；2壳体；壳体；3磁钢；磁钢；4顶杆；顶杆；5铁心；铁心；6磁极；磁极；7线圈；线圈；8试件试件 5. .1 磁电感

9、应式传感器磁电感应式传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器5. .2 磁栅式传感器磁栅式传感器5. .2 磁栅式传感器磁栅式传感器5. .2 磁栅式传感器磁栅式传感器5. .2 磁栅式传感器磁栅式传感器磁栅式传感器实物图。磁栅式传感器实物图。5. .2 磁栅式传感器磁栅式传感器5. .2. .1 类型和原理类型和原理12NSN SNNSN SN S S1. .磁栅的类型磁栅的类型 基本结构如图所示，基本结构如图所示，基体是用非导磁材料做成基体是用非导磁材料做成的，上面镀一层均匀的磁的，上面镀一层均匀的磁性薄膜，并进行录磁。性薄膜，并进行录磁。1磁性薄膜；磁性薄膜；2磁栅基体磁栅基体5. .

10、2. .1 类型和原理类型和原理NSNSSNS 长磁栅又分为长磁栅又分为尺型尺型、同轴同轴型型和和带型带型三种。尺型磁栅如图三种。尺型磁栅如图所示。工作时磁头沿磁尺的基所示。工作时磁头沿磁尺的基准面运动，不与磁尺接触，主准面运动，不与磁尺接触，主要用于精度要求较高的场合。要用于精度要求较高的场合。5. .2. .1 类型和原理类型和原理NSSNNSSNSNNS5. .2. .1 类型和原理类型和原理154321磁尺；磁尺；2软垫；软垫；3防尘屏蔽罩；防尘屏蔽罩；4上压板；上压板；5拉紧板拉紧板5. .2. .1 类型和原理类型和原理1231磁盘；磁盘；2屏蔽罩；屏蔽罩；3磁头磁头 5. .2.

11、 .1 类型和原理类型和原理 ( (1) )动态磁头动态磁头 动态磁动态磁头为头为非调制式磁头非调制式磁头，又称，又称速速度响应式磁头度响应式磁头，它只有一组，它只有一组线圈。铁心由铁镍合金片叠线圈。铁心由铁镍合金片叠成，前端夹着铜片，后端磨成，前端夹着铜片，后端磨光靠紧。光靠紧。5. .2. .1 类型和原理类型和原理NSN SNexNSN SNSSW)18. 5(2sinmWx5. .2. .1 类型和原理类型和原理)19. 5(2cosddddddddWxAxNtxxNtNe 由上式可知，相对运动速度为零时无信号由上式可知，相对运动速度为零时无信号输出，因此它输出，因此它不适于测位移不适

12、于测位移。 5. .2. .1 类型和原理类型和原理5. .2. .1 类型和原理类型和原理)20. 5(TQQ02RRRe0u0SPNSN SNNSN SN5. .2. .1 类型和原理类型和原理e0u0SPNSN SNNSN SN5. .2. .1 类型和原理类型和原理).()(2152sin2002taa式中，式中，a0、a2为与磁头结构参数有关的常数。为与磁头结构参数有关的常数。5. .2. .1 类型和原理类型和原理).(2252cosdd0220tktNe漏磁通漏磁通 0的表达式类似于式的表达式类似于式( (5. .18) )，则：，则：).(2352cos2sinm0tWxke

13、可见，静态磁头是利用其磁阻的变化来产生可见，静态磁头是利用其磁阻的变化来产生感应电势的。感应电势的。5. .2. .1 类型和原理类型和原理铜片ABCBDBCBAN2N1放大ABCD5. .2. .1 类型和原理类型和原理02002222335. .2. .1 类型和原理类型和原理SNSNSNSNNABCBDN5. .2. .1 类型和原理类型和原理5. .2. .1 类型和原理类型和原理e0u0SPNSN SNNSN SN5. .2. .1 类型和原理类型和原理N2N15. .2. .1 类型和原理类型和原理5. .2. .1 类型和原理类型和原理5. .2 磁栅式传感器磁栅式传感器5. .

14、2. .2 测量系统测量系统5. .2. .2 测量系统测量系统磁头1整形整形磁头2乘法器乘法器C1C2e1e2e3e6e7e8e9低通滤波e5e4放大放大差动放大5. .2. .2 测量系统测量系统te1te2te3te4e5te6te7te8Ute9tt5. .2. .2 测量系统测量系统te1te2te3te4e5te6te7te8te9tUt5. .2. .2 测量系统测量系统5. .2 磁栅式传感器磁栅式传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器5. .3 霍尔式传感器霍尔式传感器5. .3 霍尔式传感器霍尔式传感器5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件IWLUHB

15、vFEFLd 5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件)28. 5( LeBF IWLUHBvFEFLd 5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件)29. 5( HHEWeUeEFIWLUHBvFEFLd 5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件)30. 5(HWBU设半导体中电子浓度为设半导体中电子浓度为n，由，由Ien Wd得得：)31. 5()/(neWdI代入式代入式( (5. .30) )，得，得：)28. 5(LeBF )29. 5(HEWeUF/)32. 5(HnedIBU5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件)3

16、2. 5(HHHIBKdIBRnedIBU5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件WdenLEWdenELWdenELIELIUWdLR于是有于是有 1/(/(en ) )。5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件)33. 5()/(1HneR由由 1/(/(en ) )得：得：5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件211霍尔电极；霍尔电极；2激励电极激励电极 5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件H5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件)/()/(1H

17、HHWLfIBKWLfIBdRU5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件 用作霍尔式传感器的芯片尺寸大都设计成用作霍尔式传感器的芯片尺寸大都设计成L/ /W接近于接近于2。 另外，虽然减小另外，虽然减小d能使灵敏度增加，但太能使灵敏度增加，但太小会使输入、输出电阻增加。小会使输入、输出电阻增加。5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件5. .3 霍尔式传感器霍尔式传感器5. .3. .2 霍尔元件的基本测量电路霍尔元件的基本测量电路 由上式可知，若被测量由上式可知，若被测量是是I、B或两者乘积的函数，或两者

18、乘积的函数，通过测量霍尔电势就可知道通过测量霍尔电势就可知道被测量的大小。被测量的大小。WEIRLUHB)32. 5(HHIBKU5. .3 霍尔式传感器霍尔式传感器5. .3. .3 霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数5. .3. .3 霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数5. .3. .3 霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数5. .3. .3 霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数5. .3 霍尔式传感器霍尔式传感器5. .3. .4 霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿5. .3. .4 霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿

19、霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿5. .3. .4 霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿ISIRIHUHRTHHS5. .3. .4 霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿)34. 5(S0IN000HIRRRITT当温度升高当温度升高D DT时，电路中各电阻变为：时，电路中各电阻变为：)1 (),1 (0ININ0TRRTRRTTDDISIRIHUHRTHHS5. .3. .4 霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿).()()()(355111SIN000HITRTRTRITTDDD为使为使UH在

20、升温前后不变，即在升温前后不变，即UH0UH，应满足：，应满足： ).()(3651H0HHH0H0HBITKBIKBIKD将式将式( (5. .34) )和和( (5. .35) )代入，略去代入，略去( (D DT) )2项得：项得：5. .3. .4 霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿).(3750IN0RRT5. .3. .4 霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿5. .3. .4 霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿out0LL0Hout0LL0H)1 ()1 (RRRUTRRRTUUD

21、D式中，式中，UH0为为D DT0时的霍尔电势，时的霍尔电势，Rout0为为D DT0时的输出电阻，时的输出电阻， 为霍尔电势温度系数，为霍尔电势温度系数， 为内为内阻温度系数。得：阻温度系数。得：0outLRR5. .3. .4 霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿USRiUHRTEH5. .3. .4 霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿R1R2R4R35. .3. .4 霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿R1R2R3R4RWR1R2R3R4RW5. .3 霍尔式传感器霍尔式传感器5. .3.

22、 .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例)32. 5(HHIBKU5. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例 图示图示HJ系列霍尔传感系列霍尔传感器，采用进口霍尔元件制器，采用进口霍尔元件制成，具有反应快、性能稳成，具有反应快、性能稳定、体积小、安装方便、定、体积小、安装方便、寿命长等特点。寿命长等特点。)32. 5(HHIBKU5. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例5. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例5. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例S NxyzN S211220402040 x mm/UH/mV0H5. .3. .5 霍尔元件应用举

23、例霍尔元件应用举例5. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例1霍尔传感器；霍尔传感器；2永久磁铁；永久磁铁；3运动部件运动部件5. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例SNNS1234p5. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例1接头；接头；2基座；基座；3膜盒；膜盒；4心杆；心杆；5杠杆；杠杆；6霍尔元件；霍尔元件；7磁铁磁铁5. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例SN12 3 4SN48120.40.81.20.40.81.24812a ()10 g3/UH/mV0H5. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例NSNS14325. .3.

24、.5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例NS1235. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例12 35. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例5. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例5. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例5. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例5. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例1磁轮鼓；磁轮鼓；2开关型开关型霍尔集成电路；霍尔集成电路；3晶晶体管功率开关；体管功率开关；4点点火线圈；火线圈；5火花塞火花塞5. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例5. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举

25、例5. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例T 67. 1HH)/(IKUB由题意可知，在位移变化由题意可知，在位移变化D Dx 1.5 mm时，要求时，要求磁场变化磁场变化D DB 1.67 T，所以磁场梯度，所以磁场梯度KB至少为：至少为：mmT 11. 1/DDxBKB5. .3 霍尔式传感器霍尔式传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器5. .4 磁敏元件磁敏元件5. .4 磁敏元件磁敏元件5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻II5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻BFLI5. .4. .1 磁敏电阻磁

26、敏电阻FLFEBI5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻IblBIB5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻IB5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻).()/()(/39512blfBkD式中式中，k0.273为比例系数为比例系数；f( (l/ /b) )为形状效应为形状效应系数。系数。5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻I1231电极；电极；2锑化锑化铟；铟；3铟短路条铟短路条5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻锑化镍针状晶体5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻5. .4. .1 磁敏电阻磁

27、敏电阻5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻ERMRUEMR2UMR15. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻测速传感器实物图。磁敏电阻测速传感器实物图。5. .4. .1 磁敏电阻磁敏电阻5. .4 磁敏元件磁敏元件5. .4. .2 磁敏二极管磁敏二极管5. .4. .2 磁敏二极管磁敏二极管P 区I区N区r区HH5. .4. .2 磁敏二极管磁敏二极管H0PNI5. .4. .2 磁敏二极管磁敏二极管HPNI5. .4. .2 磁敏二极管磁敏二极管HPNI 磁敏二极管反向偏置时，流过的电流很小，磁敏二极管反向偏置时，流过的电流很小，几乎与磁场无关。几乎与磁场无关。5. .4. .2 磁敏二极管磁敏二极管5. .4. .2 磁敏二极管磁敏二极管5. .4. .2 磁敏二极管磁敏二极管EUD1D2 所谓负阻现象是指，所谓负阻现象是指，电流增加，两端电压反而电流增加，两端电压反而减小。减小。5. .4. .2 磁敏二极管