传感器ch6、ch10 磁电式传感器及其应用

1、第6章 磁电式传感器及其应用1第第6章章 磁电式传感器及其应用磁电式传感器及其应用磁电式传感器通过磁电作用将被测量转换在电信号一般分为两种： 磁电感应式磁电感应式 霍尔效应式霍尔效应式第6章 磁电式传感器及其应用26.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器磁电感应式传感器是利用电磁感应原理电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。特点：特点：不需要供电电源，电路简单；不需要供电电源，电路简单；输出功率大输出功率大，性能稳定，性能稳定, 带宽（带宽（101000 Hz）；）；动态测量动态测量 双向转换特性双向转换特性力力(矩矩)发生器发生器电磁激振器电磁激振器 第6章

2、磁电式传感器及其应用3一、一、 磁电感应式传感器结构及磁电感应式传感器结构及工作原理工作原理根据电磁感应定律, 当N匝线圈在恒定磁场内运动时, 设穿过线圈的磁通为, 则线圈内的感应电势E与磁通变化率d/dt有如下关系: E-N 根据这一原理, 可以设计成两种磁电传感器结构: dtd变磁通式：磁阻式传感器变磁通式：磁阻式传感器恒磁通式恒磁通式：动圈式传感器。动圈式传感器。第6章 磁电式传感器及其应用4 1、磁阻式传感器（磁阻式传感器（变磁通式变磁通式）：）：又变气隙式传感器，又变气隙式传感器，常常用来测量旋转物体的角速度用来测量旋转物体的角速度。特点：环境适应能力强，能在特点：环境适应能力强，能

3、在-150+90的温度下工的温度下工 作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。分类分类:开路变磁通式传感器和闭合磁路变磁通式传感器开路变磁通式传感器和闭合磁路变磁通式传感器。第6章 磁电式传感器及其应用5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动, 测量齿轮安装在测量齿轮安装在被测旋转体上被测旋转体上, 随之随之一起转动一起转动 线圈、磁铁静止，转盘刻有轮齿； 改变磁路空气隙； 磁阻变化导致线圈中磁通量变化 产生感应电动势：周期性变化 非接触转速传感器转速传感器： N ：齿数 n ：转速(转/分钟) f ：脉冲频率(Hz)60fn

4、rpmN第6章 磁电式传感器及其应用6开磁路变磁通式传感器及输出信号：开磁路变磁通式传感器及输出信号：第6章 磁电式传感器及其应用7闭磁路变磁通式闭磁路变磁通式：原理：原理： 转轴连接到被测转轴, 外齿轮不动, 内齿轮随被测轴转动, 内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化内、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生电动势，感应电势的频率感应电势的频率与被测转速被测转速成正比。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60fnrpmN第6章 磁电式传感器及其应用8闭磁路变磁通式传感器及输出信号：闭磁路变

5、磁通式传感器及输出信号： 第6章 磁电式传感器及其应用9组成：组成：由永久磁铁、线圈、弹簧、骨架等组成。磁磁路系统产生恒定的直流磁场路系统产生恒定的直流磁场, 磁路中的工作气隙固磁路中的工作气隙固定不变定不变, 因而气隙中磁通也是恒定不变的。因而气隙中磁通也是恒定不变的。2、动圈式磁电感应传感器（、动圈式磁电感应传感器（恒磁通式恒磁通式）:动钢式动钢式（运动部件是磁铁）：动圈式动圈式（运动部件是线圈）：第6章 磁电式传感器及其应用10动钢式动钢式（运动部件是磁铁运动部件是磁铁）：外壳用磁性材料制成，它既是磁路的一部分，又起着磁屏蔽作用。永久磁铁的磁力线从其一端穿过磁钢套筒、线圈骨架和螺管线圈，

6、并经过壳体回到磁钢的另一端，构成一个完整的闭合磁路闭合磁路。当传感器感受振动时，线圈与永久磁铁之间有当传感器感受振动时，线圈与永久磁铁之间有相对运动，线圈切割磁力线，传感器就输出正比于振动速度相对运动，线圈切割磁力线，传感器就输出正比于振动速度的电压信号。的电压信号。 SN永久磁铁线圈弹簧阻尼器 电磁阻尼：金属骨架在磁场中运动产生 空气阻尼：壳体第6章 磁电式传感器及其应用11动圈式动圈式（运动部件是线圈运动部件是线圈）：金金属属骨骨架架 永久磁铁：永久磁铁：永久磁铁与骨架形成恒定磁场；永久磁铁与骨架形成恒定磁场； 线圈线圈(线圈-弹簧构成振动系统) 切割磁力线产生感应电动势切割磁力线产生感应

7、电动势 辅助元件辅助元件 壳体、支承、阻尼器、接线装置等壳体、支承、阻尼器、接线装置等第6章 磁电式传感器及其应用12dxENBLdt 金金属属骨骨架架可用于测量线速度或角速度可用于测量线速度或角速度,也可用来测量位移或加速度也可用来测量位移或加速度 输出感应电动势正比于相对振动速度B工作气隙磁感应强度; L每匝线圈平均长度; N线圈在工作气隙磁场中的匝数; 第6章 磁电式传感器及其应用13二、磁电式传感器的动态特性二、磁电式传感器的动态特性 一个二阶系统：等效机械系统等效机械系统mckx0 xmx0-振动体的绝对位移；振动体的绝对位移；xm-质量块的绝对位移质量块的绝对位移第6章 磁电式传感

8、器及其应用140022kxdtdxckxdtdxcdtxdmmmm运动方程：运动方程：mckx0 xm第6章 磁电式传感器及其应用15当物体作简谐振动时，其复频响应函数为当物体作简谐振动时，其复频响应函数为 20202000)/(2)/(1)/()(jjxxxm20220200)/(2)/(1 )/(xxi2020)/(1)/(2arctgmk /0)2/(mkc称为固有频率，称为固有频率，称为阻尼系数称为阻尼系数 第6章 磁电式传感器及其应用16当当0（ 3 0 )时，时，xt/x0=1,xt=x0,m看作静止不动看作静止不动线圈中的感应电势：线圈中的感应电势： e=NBlv第6章 磁电式传

9、感器及其应用17振动速度输出电压vAvBvC工作范围实际特性理想特性速度太小（速度太小（Vc ),惯性太大，超出弹簧弹性范围惯性太大，超出弹簧弹性范围传感器的实际输出特性传感器的实际输出特性 ：第6章 磁电式传感器及其应用18 当安装在被测转轴上的齿轮当安装在被测转轴上的齿轮( (导磁体导磁体) )旋转时，其齿依次通过旋转时，其齿依次通过永久磁铁两磁极间的间隙，使永久磁铁两磁极间的间隙，使磁路的磁阻和磁通发生周期性磁路的磁阻和磁通发生周期性变化变化，从而在线圈上感应出频率和幅值均与轴转速成此例的，从而在线圈上感应出频率和幅值均与轴转速成此例的交流电压信号交流电压信号u u0 0。 随着转速下降

10、输出电压幅值减小，当转速低到一定程度随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一定程度时，电压幅值将会减小到无法检测出来的程度。故这种传时，电压幅值将会减小到无法检测出来的程度。故这种传成器成器不适合于低速测量不适合于低速测量。三、磁电式速度传感器的应用三、磁电式速度传感器的应用测转速测转速 测速发电机测速发电机第6章 磁电式传感器及其应用19 传感器的转轴与被测物转轴相连，因而被测物带动传感器的转轴与被测物转轴相连，因而被测物带动传感器转子转动，转轴旋转时，每转一圈将在线圈输出传感器转子转动，转轴旋转时，每转一圈将在线圈输出端产生端产生N N个脉冲，计脉冲数就可求得转速值。个脉冲，计脉冲数就可

11、求得转速值。定子或转子端面的齿数被测物转速；-N-N601nnf 第6章 磁电式传感器及其应用20第6章 磁电式传感器及其应用21图示为磁电式扭矩传感器原理图：三、磁电式速度传感器的应用三、磁电式速度传感器的应用测扭矩测扭矩 传感器由永久磁场、感应线圈和铁芯组成。 永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时, 圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化化, 于是磁通量也发生变化于是磁通量也发生变化, 在线圈在线圈中感应出交流电压中感应出交流电压, 其频率等于圆其频率等于圆盘上齿数与转数乘积盘上齿数与转数乘积。驱动源驱动源负载负载两个磁电传感器输出感应电压两个磁电传感器输出

12、感应电压u1和和u2的相位差与扭转轴的扭转角成正的相位差与扭转轴的扭转角成正比。比。 这样传感器就可以把扭矩引起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的扭转角转换成相位差的电信号第6章 磁电式传感器及其应用226.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 霍尔传感器是基于霍尔传感器是基于霍尔效应霍尔效应的一种传感器。的一种传感器。特点：结构简单、体积小、寿命长、线性好、频带宽特点：结构简单、体积小、寿命长、线性好、频带宽应用：应用：测量磁感应强度、大电流、微气隙中的磁场；测量磁感应强度、大电流、微气隙中的磁场；磁读头、磁罗盘、无刷电机；磁读头、磁罗盘、无刷电机；无触点信号检测；无触点信号检

13、测；用于制作微波电路中的环行器、隔离器；用于制作微波电路中的环行器、隔离器；经过二次转换或多次转换，可以用于非磁量的检测经过二次转换或多次转换，可以用于非磁量的检测和控制，如测量微位移、转速、加速度、振动、压力、和控制，如测量微位移、转速、加速度、振动、压力、流量、液位等等。流量、液位等等。第6章 磁电式传感器及其应用23一、一、 霍尔传感器原理霍尔传感器原理 1. 霍尔效应霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体, 当它的电流方向与磁场方向不一致时, 载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势, 这种现象称霍尔效应霍尔效应。该电势称霍尔电势。 电子受洛伦兹力洛伦兹力fL=qVB运动方向

14、偏转垂直于电流的方向产生电荷积累，形成电场电场电场力电场力fH=qEH =qUH /W的增强，达动态平衡动态平衡 fL=fH 形成稳定的电势：霍尔电势UHxz zyBm|+|fLUHfHIv|BWUHV附加内电场附加内电场EH, 称霍尔电场称霍尔电场通电金属、半导体置于磁场,并通过电流I第6章 磁电式传感器及其应用25若金属导电板单位体积内电子数为n, 电子定向运动平均速度为v, 则激励电流 , 则 neWdVIeneWdIVeBInedUeH1对于对于N型的半导体，定义霍尔系数型的半导体，定义霍尔系数RH和霍尔灵敏度和霍尔灵敏度KH分别为分别为 neRH1nedKH1dBIRUeHHBIKU

15、eHH第6章 磁电式传感器及其应用26可见, 霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度, 霍尔元件常制成薄片形状。 eHHI BURdBIKUeHHRH表征的是材料的霍尔效应的性质，即材料的霍尔效应的表征的是材料的霍尔效应的性质，即材料的霍尔效应的强弱与其电子浓度强弱与其电子浓度n成反比。成反比。KH表征的是整体器件的表征的是整体器件的霍尔效霍尔效应的性质应的性质 若电流恒定，霍尔电压与磁感若电流恒定，霍尔电压与磁感应强度应强度B成正比，成正比，B改变方向，改变方向，霍尔电压也改变符号。因此，霍尔电压也改变符号。因此，霍尔器件可以作

16、为测量磁场大霍尔器件可以作为测量磁场大小和方向的传感器。小和方向的传感器。 可以根据霍尔系数的符号判断它的导电类型可以根据霍尔系数的符号判断它的导电类型第6章 磁电式传感器及其应用272. 霍尔元件材料霍尔元件材料BWUHV霍尔电压与载流体中载流子运霍尔电压与载流体中载流子运动速度有关，亦即与载流体中动速度有关，亦即与载流体中载流子的迁移率载流子的迁移率有关有关 R=U/I=EL/I=vL/(nevWd)LLWdneWdRH= ne1=v/E（为电子迁移率）为电子迁移率）R=L/(Wd)和和都大的材料适合制造霍尔组件都大的材料适合制造霍尔组件(获得较大的霍尔电压获得较大的霍尔电压)。金属导体的

17、载流。金属导体的载流子迁移率很大，但电阻率低子迁移率很大，但电阻率低(或自由电子浓度或自由电子浓度n大大)；绝缘体电阻率很高，但；绝缘体电阻率很高，但载流子迁移率低。因此，金属导体和绝缘体均不能成作霍尔组件材料，只载流子迁移率低。因此，金属导体和绝缘体均不能成作霍尔组件材料，只有半导体可以作为霍尔组件的材料有半导体可以作为霍尔组件的材料 第6章 磁电式传感器及其应用28二二. 霍尔元件的外形和基本结构霍尔元件的外形和基本结构 封装形式：封装形式：霍尔组件的外形和结构如图霍尔组件的外形和结构如图10.2所示，霍尔组件是由霍尔所示，霍尔组件是由霍尔片、四极引线和壳体组成。在霍尔片的长度方向两端面片

18、、四极引线和壳体组成。在霍尔片的长度方向两端面上焊有两根引线上焊有两根引线(图中图中a、b线线)，称为控制电流端引线，通，称为控制电流端引线，通常用红色导线。在薄片的另两侧端面的中间以点的形式常用红色导线。在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有两根霍尔输出端引线对称地焊有两根霍尔输出端引线(图中图中c、d线线)，通常用绿，通常用绿色导线。霍尔组件是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封色导线。霍尔组件是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。装。第6章 磁电式传感器及其应用29三. 霍尔元件基本特性霍尔元件基本特性 1、 额定控制电流额定控制电流霍尔器件将因通电流而发热。使在空气中的霍尔器件产生允许温

19、升允许温升T的控制电流，称为额定控制电流Icm。当IIcm，器件温升将大于允许温升，器件特性将变坏。一般Icm为几毫安到几百毫安，Icm与器件所用材料和器件尺寸有关。 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。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源, 其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在205时确定的。 第6章 磁电式传感器及其应用30 3、 不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为I时, 若元件所处位置磁感应强度为零, 则它的霍尔电势应该为零, 但实际不为零。 这时测得的空载霍尔电势称不等位不等位

20、电势电势。 产生这一现象的原因原因有: 00/cmrUI不等位电势就是激励电流流经不等位电阻不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压所产生的电压 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上; 材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀; 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。 不等位电势也可用不等位电阻表示 U0电流电流电极不对称电极不对称U0电流电流等位面倾斜等位面倾斜第6章 磁电式传感器及其应用31 4、灵敏度、灵敏度KH灵敏度是在单位磁感应强度下，通以单位控制电流所灵敏度是在单位磁感应强度下，通以单位控制电流所产生的开路霍尔电压。产生的开路霍尔电压。 5、 霍尔电势温

21、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在一定磁感应强度和激励电流下, 温度每变化温度每变化1时时, 霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数。它同霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。时也是霍尔系数的温度系数。第6章 磁电式传感器及其应用321. 温度补偿温度补偿四四. 基本误差和补偿基本误差和补偿霍尔组件的测量误差的主要来自于霍尔组件的测量误差的主要来自于温度误差温度误差和和零位误差零位误差 减小温度误差途径：减小温度误差途径：选用霍尔电势温度系数较小的材料；选用霍尔电势温度系数较小的材料；在测量上加上适当的补偿电路。在测量上加上适当的补偿电路。

22、温度霍尔元件输入阻抗变化控制电流变化误差;温度霍尔元件灵敏度系数变化误差第6章 磁电式传感器及其应用33恒流源供电恒流源供电IUHRIUHIPIH恒流源恒流源+并联电阻并联电阻第6章 磁电式传感器及其应用34 元件灵敏度温度系数(+)，输入电阻温度系数 温度t0时，灵敏度KH0,内阻Ri0 温度 t 时，温度kHUH 温度内阻Ri IHUHHiIRIRRRIUHIPIH恒流源恒流源+并联电阻并联电阻可望可望不变不变001()iRRtt001()HHKKtt00HiIRIRR0HHUU00HHHHK I BKIB第6章 磁电式传感器及其应用35KH0 、IH、 Ri 代入 得到 合理选择并联电阻

23、R， 可以精确补偿温度误差 补偿电阻补偿电阻R的温度稳定性要好的温度稳定性要好RIUHIPIH恒流源恒流源+并联电阻并联电阻)(通常00()iiRRR00HHHHK I BKIB第6章 磁电式传感器及其应用362. 零位误差零位误差补偿（补偿（主要是不等位电势主要是不等位电势 产生产生） 霍尔组件可等效为一个四臂电桥，如图霍尔组件可等效为一个四臂电桥，如图10.6(b) 当两霍尔电极在同一等位面上时，当两霍尔电极在同一等位面上时，r1r2r3r4，则电桥平，则电桥平衡，衡，U00；当两电极不在同一等位面上时当两电极不在同一等位面上时(如如r3r4)，则，则Uo0。第6章 磁电式传感器及其应用3

24、7采用图采用图10.4(c)所示方法进行补偿，外接电阻所示方法进行补偿，外接电阻R值应大于值应大于霍尔组件的内阻，调控霍尔组件的内阻，调控Rp可使可使Uo0。 第6章 磁电式传感器及其应用38五五. 测量电路测量电路1. 霍尔组件的驱动电路霍尔组件的驱动电路 u基本电路基本电路 )/(INBAbHRRREI流经霍尔组件的霍尔电流流经霍尔组件的霍尔电流IH为为 ()/ABbHINHRREI RI外接电阻外接电阻RA+RB计算公式：计算公式： 第6章 磁电式传感器及其应用39u恒压电路恒压电路电路中传感器采用电路中传感器采用SH3210。当电源电。当电源电压为压为1V，磁场为，磁场为1kG时，霍尔

25、传感器时，霍尔传感器的输出电压为的输出电压为20mV55mV。传感器。传感器最大漂移电压为最大漂移电压为1.47mV3.85mV(7)。即使磁场为。即使磁场为0时，漂移电压也不时，漂移电压也不会减小。在低磁场测量时会产生一些会减小。在低磁场测量时会产生一些问题，必须采取相应措施，把漂移电问题，必须采取相应措施，把漂移电压调到压调到0。第6章 磁电式传感器及其应用40u恒流电路恒流电路 霍尔组件采用霍尔组件采用THS103A，控制电流，控制电流为为5mA，磁场为，磁场为lkG时，时，THS103A的的输出电压为输出电压为50mV120mV，最大漂，最大漂移电压为移电压为5mV12mV。恒流工作电

26、。恒流工作电路适用于高精度测量。恒流工作时没路适用于高精度测量。恒流工作时没有输入电阻变化与磁阻效应的影响，有输入电阻变化与磁阻效应的影响，但电路较复杂。但电路较复杂。第6章 磁电式传感器及其应用412. 输出电路输出电路 霍尔组件的输出电压一般为几霍尔组件的输出电压一般为几mV到几百到几百mV，使用时必，使用时必须设置放大器，进行电压放大须设置放大器，进行电压放大 VoutB单运放放大电路单运放放大电路：运放输入阻抗与霍尔组：运放输入阻抗与霍尔组件阻抗相差不大，对于测量精度影响较大件阻抗相差不大，对于测量精度影响较大 第6章 磁电式传感器及其应用42三运放组成的放大电路：提高了输入阻抗三运放组成的放大电路：提高了输入阻抗 第6章 磁电式传感器及其应用43六、六、 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用 1. 霍尔式微位移传感器霍尔式微位移传感器磁场在一定范围内沿