检测与传感第七章

1、检测与传感技术上节内容复习上节内容复习第六章 压电式传感器5. 应用应用a. 不能用于静态测量，适用于动态测量1. 特点特点2. 非线性度非线性度压电式传感器可以等效为电压源或电荷源测量电路需要接入一个高输入阻抗前置放大器（作用）同极性端相连接（并联）不同极性端相连接（串联）b.解决方法：加入预加力（预载）3. 等效电路等效电路4. 测量电路测量电路测压力、加速度、玻璃破碎报警器、切削力测量、海啸预警例：例：某压电式传感器的压电系数为80pF/Pa，如果它的电容量为1nF，试确定传感器在输入压力为1.4Pa时的输出电压。解：当传感器受压力1.4Pa时，所产生的电荷：80/1.4112QpC P

2、aPapC输出电压为：129112 101 100.112UaQ CaV6-2 石英晶体石英晶体x、y、z轴的名称及特点是什么？轴的名称及特点是什么？ 第六章第六章 习题习题答：x轴：经过石英晶体六面体棱线并垂直于光轴的轴为x轴，称为电轴；特点：当沿x轴方向施加作用力F时，在于电轴x垂直的平面上将产生电荷，称为纵向压电效应。y轴：与x轴和z轴同时垂直的轴为y轴，称为机械轴；特点：当沿y轴方向施加作用力F时，将仍在于电轴x垂直的平面上产生电荷，称为横向压电效应。z轴：纵向轴为z轴，称为光轴；特点：当沿z轴方向施加作用力F时，不产生压电效应。 6-6 简述压电式加速度传感器的工作原理。简述压电式加

3、速度传感器的工作原理。 第7章 磁电式传感器（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导体和磁场发生相对运动产生感应电势的；（2）霍尔式传感器霍尔式传感器：霍尔式传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应(霍尔效应)而输出电势的。 1. 工作原理工作原理 磁电式传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。2. 特点特点 3. 分类分类 有源传感器 ；输出功率较大，简化后续测量电路机械能 电能 它们原理并不完全相同，因此各有各的特点和应用范围。7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器本章目录本章目录 磁电感应式传感器

4、磁电感应式传感器可简称为磁电式传感器磁电式传感器：7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 它是一种典型的速度传感器。 它是一种机电能量转换型传感器，不需供电电源，直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出。 它利用电磁感应电磁感应原理将被测量转换成电信号。 根据上述原理, 可以设计成两种磁电传感器结构：u 变磁通式u 恒磁通式B B0 0vB B0 0 wn0磁通发生变化切割磁力线运动deNdt 式中: N线圈匝数; l每匝线圈平均长度; B0 磁感应强度; v相对运动速度 0eNB lv一、一、 磁电感应式传感器工作原理磁电感应式传感器工作原理变磁通式又可分为：开磁路变磁通式，闭磁路变磁

5、通式。（1）变磁通式）变磁通式下图就是变磁通式磁电传感器, 用来测量旋转物体的角速度。 下图为恒磁通式磁电传感器典型结构， 它由永久磁铁、线圈、弹簧、金属骨架等组成。（2）恒磁通式）恒磁通式恒磁通式又可分为：动线圈式，动磁铁式磁铁与线圈的相对运动切割磁力线, 从而产生感应电势为 ：0eB Nlv二、磁电感应式传感器基本特性二、磁电感应式传感器基本特性00ffB lNvEIRRRR 当测量电路接入磁电传感器电路中, 磁电传感器的输出电流为 式中: Rf测量电路输入电阻; R 线圈等效电阻。000fffB lNvRUI RRR则传感器的输出电压：00IfIB lNSvRR00fUfB lNRUSv

6、RR传感器的电流灵敏度为：传感器的输出电压灵敏度为： 由电流和电压的灵敏度公式可知：(a) B值大，灵敏度S也大，因此要选用B值大的永磁材料；(b) 线圈的长度L大也有助于提高灵敏度S，但这是有“度”的。 （因为R也会相应增大） 当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动或冲击时, 其灵敏度将发生变化而产生测量误差。相对误差为RdRldlBdBsdsII1. 灵敏度误差灵敏度误差 磁电式传感器产生磁场误差的主要原因是: 由于传感器线圈内有电流I流过时, 将产生一定的交变磁通I, 此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上, 使磁通发生变化。（1）磁场误差）磁场误差 当传感器线圈向上

7、运动向上运动，由此而产生的附加磁场方向与原工作与原工作磁场方向相反磁场方向相反, 减弱了工作磁场的作用, 线圈运动速度越大，将产生较大的感应电动势和较大的电流，从而使得传感器的灵敏度随着被灵敏度随着被测速度的增大而降低测速度的增大而降低。 当传感器线圈向下运动向下运动，由此而产生的附加磁场方向与原工作与原工作磁场方向相同磁场方向相同, 增加了工作磁场的作用, 从而使得传感器的灵敏度随灵敏度随着被测速度的增大而增大着被测速度的增大而增大。讨论：讨论：Step2：右手螺旋定律右手螺旋定律Step1：右手定律：右手定律0IfB lWSRR 无论线圈的运动方向和速度大小，这两种情况都会对磁场强度造成影

8、响，从而影响传感器的灵敏度。 为补偿上述附加磁场干扰, 可在传感器中加入补偿线圈补偿线圈，适当选择补偿线圈参数,补偿线圈通以反向的电流, 可使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通互相抵消, 从而达到补偿的目的。（2）温度误差）温度误差 对铜线而言每摄氏度变化量为dl/l0.16710- 4, dR/R0.4310-2；dB/B每摄氏度的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金，dB/B-0.0210-2，这样由上式可得近似值如下： Ct10%5 . 4RdRldlBdBsdsII 当温度变化时，式中右边三项都不为零。Rt=R0(1+0t) 电阻丝阻值随温度电阻丝阻值随温度变

9、化的关系：变化的关系： 0-金属丝的电阻温度系数金属丝的电阻温度系数 这一数值较大，所以需要进行温度补偿。补偿通常采用热磁分流器热磁分流器。 热磁分流器由特种的镍铜合金或镍铁合金制成，是具有很大负温度系数的特殊磁性材料。它搭装在磁系统的两极上：l 在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。l 当温度升高时，热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低，从而保持空气隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。 三、三、 磁电感应式传感器的测量电路磁电感应式传感器的测量电路 磁电式传感器直接输出感应电势, 且传感器通常具有较高的灵敏度, 所以一般不需

10、要高增益放大器。 磁电式传感器是速度传感器, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积分或微分电路。svdtdvadt4磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用1. 动圈式振动速度传感器动圈式振动速度传感器 工作时, 传感器与被测物体刚性连接, 当物体振动时, 传感器外壳和永久磁铁随之振动, 而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。 因而, 磁路空气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势, 线圈的输出通过引线输出到测量电路。 该传感器测量的是振动速度参数, 若在测量电路中接入积分电路, 则输出电势与位移成正比; 若在测量电路中接入微分电路, 则其输出与加速度成正比。

11、 2. 磁电式扭矩传感器磁电式扭矩传感器 当扭矩作用在扭转轴上时, 两个磁电传感器输出的感应电压u1和u2存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。 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。 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。 1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应, 但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。 随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。 霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。 7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器1. 霍尔效应霍尔效应 一块长为l、宽为b、厚为d的

12、导电板置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当导电板中有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH。这种现象称为霍尔效应霍尔效应。霍尔式传感器是由霍尔元件所组成。一、一、 霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及霍尔元件 由于导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动，由于磁场B的存在，故电子会受到洛仑磁力的作用，其大小为式中: e电子电荷; v电子运动平均速度; B磁场的磁感应强度。fL=eBv 因此，电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在fL的作用下漂移，结果使金属导电板内侧面积累电子，而外侧面积累正电荷，从而形成附加内电场EH， 称霍尔电场，电场强度为：bUEHH

13、式中, UH为电位差。 霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛伦兹力作用外，还受到霍尔电场力的作用，其力的大小为eEH，此力阻止电荷继续积累。随着内、外侧面积累电荷的增加，霍尔电场增大，电子受到的霍尔电场力也增大。eEH=eBv 时， 则 EH=vB 此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。 当 若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I=Q/t=nelbd/t=nevbd，即Ivnebd将上式代入 ,得 nebdIBEH将上式代入式 ，得： HIBUnedEH=vB bUEHH 式中令RH=1/ne，称之为霍尔常数霍尔常数，其大小取决于导体载流子密度, 则IBKd

14、IBRUHHH式中, KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度霍尔片的灵敏度。 由上式可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度。 IBKdIBRUHHHKH=RH/d 霍尔片灵敏度与霍尔系数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。 下表常用国产霍尔元件的技术参数。霍尔元件的结构很简单, 它由霍尔片、 引线和壳体组成。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。 霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。 在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图(b)所示。 2. 霍尔元件基

15、本结构霍尔元件基本结构 (1) 额定激励电流和最大允许激励电流 当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为额额定激励电流定激励电流。 以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最最大允许激励电流大允许激励电流。 因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以使用中希望选用尽可能大的激励电流，因而需要知道元件的最大允许激励电流。改善霍尔元件的散热条件，可以使激励电流增加。 3. 霍尔元件基本特性霍尔元件基本特性 (2） 输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻值称为输入电阻输入电阻。 霍尔电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻输出电阻。(3） 不等位电势 当霍尔元件的激励电

16、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为不等位电势不等位电势。 产生这一现象的原因有： 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； 半导体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。 (4） 寄生直流电势 在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一个直流电势，称为寄生直流电势。 其产生的原因有： 激励电极与霍尔电极接触不良， 形成非欧姆接触， 造成整流效果； 两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同， 散热状态不同而形成极间温差电势。 寄生

17、直流电势一般在1mV以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。 (5） 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1时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥， 用分析电桥平衡来补偿不等位电势。 4. 霍尔元件不等位电势补偿霍尔元件不等位电势补偿 几种补偿线路如下图所示。图（a）、 （b）为常见的补偿电路， 图（b）、（c）相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻。 5. 霍尔元件温度补偿霍尔元件温度补偿KH=K

18、H0(1+T) 式中： KH0温度T0时的KH值； T=T-T0温度变化量； 霍尔电势温度系数。 霍尔元件的温度系数一般是正值，因此灵敏系数随温度升高而增加T倍。 由UH=KHIB可知，霍尔元件的灵敏系数KH影响着霍尔电势的稳定性，而霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数，它与温度的关系可写成 ：补偿思路：补偿思路：如果同时让激励电流Is相应地减小，并能保持KH Is 乘积不变，也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。 下图就是按此思路设计的一个既简单补偿效果又较好的补偿电路。电路中Is为恒流源，分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极相并联。当温度升高时，霍尔元件的灵敏系数KH增大；霍尔元件的输入电阻随温度

19、升高而增大，此时，旁路分流电阻Rp自动地增大分流，减小了霍尔元件的激励电流IH。若能保持KH Is 乘积不变，即可达到补偿的目的。 二、二、 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用1. 霍尔式微位移传感器霍尔式微位移传感器图7-15 霍尔式位移传感器的工作原理图(a) 磁场强度相同传感器 (b) 简单的位移传感器；(c) 结构相同的位移传感器 图是几种不同结构的霍尔式转速传感器。转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目多少就可确定传感器测量转速的分辨率。2. 霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器测量演示软铁分流翼片软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC 3. 霍尔计数装置霍尔计数装置 上图是对钢球进行计数的工