传感器与检测技术第05章

1、传感器与检测技术第05章5.1 磁电感应式传感器原理： 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传感器。 它是一种机电能量换型传感器，不需供电电源，是直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出。 它还可以作为逆变器使用，称之为反响式传感器、力平衡式传感器。名称： 磁电感应式传感器也称为电动式传感器，或感应式传感器。特点： 电路简单，性能稳定，输出阻抗小，有具有一定的频率响应范围101000 Hz， ，适用于振动、转速、扭矩等测量。5.1.1 工作原理和构造类型 磁电感应式传感器是以电磁感应原理为根底的，根据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁链对时间的变化

2、率，即W-线圈匝数：-线圈所包围的磁通量。假设线圈相对磁场运动为速度v或角转度时，上式可改写为 e-WBlv 或 e-WBs在传感器中，当构造参数确定后即B、l、W、s均为定值，那么感应电势e与线圈相对磁场的运动速度(v或)成正比。 根据上述原理。人们设计了两种类型的构造：一种是变磁通式；另一种是恒定磁通式。1 变磁通式磁电感应式传感器构造原理图 (a)为开磁路变磁通式传感器：当被测旋转体转动时，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。 (b)为闭磁路变磁通式传感器：当被测转轴转动时，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动

3、势， 感应电势的频率与被测转速成正比。2 恒磁通式磁电感应式传感器构造原理图 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。其运动部件可以是线圈动圈式图a，也可以是磁铁动铁式 图 (b)， 动圈式和动铁式的工作原理是完全一样的。 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， 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，来不及随振动体一起振动， 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， 从而产生与运动速度成正比的感应电势。 磁电感应式传感

4、器只适用于测量动态物理量，因此动态特性是这种传感器的主要性能。 磁电感应式传感器内部的构造运动属机械系统。 应用机械阻抗概念分析机械振动系统有很多方便之处。可以用简单的代数方法解出描述系统动态特性的传递函数方程，而不必去解微分方程，但分析的结果那么完全一致。5.1.2 动态特性分析研究过程： 传感器的机械阻抗实际传感器的输入输出传递矩阵传感器的传递函数。用二阶机械系统表示传感器内部系统原理图一、机械阻抗理想传感器根本框图实际传感器根本框图二、传递矩阵 磁电感应式传感器是一种机电型传感器，它既能作为机械量的测量传感器，又能作为发电机，即它们具有双向可逆的性质，所以对传感器的输入量与输入量的关系进

5、展研究。 传感器的输入端是机械系统，它的输入输出特性之间的传递矩阵包括：传感器机械阻抗的传递矩阵；理想传感器的传递矩阵；传感器电阻抗的传递矩阵。 实际传感器的传递矩阵为：三、传递函数 图5-2的恒定磁通式磁电感应传感器的传递函数为：相应的幅频特性为：结论： 1 当振动体的振动频率低于传感器的固有频率时，传感器的灵敏度随频率而明显变化。 2 当振动体的振动频率远高于传感器的固有频率时，传感器的灵敏度接近为一常数。 3 当频率更高时，由于线圈的阻抗增加，灵敏度也随着频率的增加而下降。5.1.3 测量电路一、测量电路的方框图 磁电感应式传感器直接输出感应电势，由于该传感器通常具有较高的灵敏度，所以一

6、般不需要增益放大器。但磁电感应式传感器是速度传感器，如要获取位移或加速度信号，就需配用积分电路或微分电路。二、积分电路有源积分电路原理图：无源积分电路原理图：有源和无源积分电路的对数渐近幅频特性：一个实用的有源积分电路图：三、微分电路无源微分电路根本有源微分电路实用有源微分电路有源微分电路的幅频特性5.1.4 磁电感应式传感器应用举例一、磁电感应式振动速度传感器 CD-1型振动速度传感器 1、8- 圆形弹簧片，2-圆环形阻尼器，3-永久磁铁，4-铝架，5-芯轴，6-线圈，7-壳体，9-引线二、 磁电感应式转速传感器5.2 霍尔式传感器 霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量，如电

7、流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。 当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差，这一现象被称为霍尔效应。5.2.1 霍尔效应和霍尔元件材料 一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场磁场垂直于薄片中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH。这种现象称为霍尔效应。一、霍尔效应物理现象观察霍尔效应霍尔效应的输入输出特性为：当磁场与薄片法线有夹角时 霍尔式传感器是由霍尔元件所组成，可测微小位移、压力、机械振动等二、霍尔元件材料1锗(Ge)，N型及P型均可。 2硅(Si)N型及P型均可。3砷化铟(InAs)和锑化铟(I

8、nSb)，这两种材料的特性很相似。5.2.2 霍尔元件构造及测量电路一、构造霍尔元件由霍尔片、四极引线和壳体组成。二、测量电路 鼓励电流由电源E供给，可变电阻RP用来调节鼓励电流I的大小。RL为输出霍尔电势UH的负载电阻。通常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。 霍尔效应建立的时间极短10-1210-14S，I即可以是直流，也可以是交流。 假设被测物理量是I、B或者IB乘积的函数，通过测量霍尔电势UH就可知道被测量的大小。5.2.3 霍尔元件的主要技术指标一、额定鼓励电流IH 使霍尔元件温升10所施加的控制电流值称为额定鼓励电流。通常用IH表示。 当霍尔元件做好之后限制额定电流的主要因素

9、是散热条件。二、输入电阻Ri 它是指控制电流极间的电阻值。它规定要在室温(205)的环境温度中测取。三、输出电阻Rs 它是指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在(205)的条件下测取。四、不等位电势及零位电阻r0 当霍尔元件通以控制电流IH而不加外磁场时，它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势就称为不等位电势(或零位电势)。产生原因： 1 霍尔电极安装位置不正确； 2 半导体材料不均匀或几何尺寸不对称； 3 因控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。零位电阻ro:其中 ： UO为不等位电势或称零位电势；ro为不等位电阻或称零位电阻零位电势及零位电阻都是在直流下测得的。五、寄生直流电势 当不加

10、外磁场，控制电流改用额定交流电流时，霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和。其中的交流霍尔电势与前述零位电势相对应，而直流霍尔电势是个寄生量，称为寄生直流电势V。六、热阻RQ 它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输入1mW的电功率时产生的温升，单位为mW。所以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定条件下与电阻有关。5.2.4 霍尔元件的补偿电路一、不等位电势的补偿二、温度补偿 一般半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度变化而变化，为此需要进展温度补偿 。1 分流电阻法 2 电桥补偿法测量电路5.2.5 霍尔式传感器的应用举例1 霍尔式位移传感器2 霍尔式压力传感器 霍耳开关集成传

11、感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。3 霍耳开关集成传感器由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五局部组成。 稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。 1霍耳开关集成传感器的构造及工作原理霍耳开关集成传感器内部结构框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大BT整形地H 3020T输出VoutR=2k+12V123（b）应用电路 （a）外型 霍耳开

12、关集成传感器的外型及应用电路1233霍耳开关集成传感器的应用 1霍耳开关集成传感器的接口电路RLVACVccVccVACVccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳开关集成传感器的一般接口电路VACRL1、霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。SN线性霍尔磁铁霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。霍尔转速传感器在汽车防抱死装置ABS中的应用 假设汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔5、霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及