第6章-磁電式傳感器..ppt

第6章磁電式傳感器Magnetoelectricsensors,6.1磁電感應式傳感器,磁電感應式傳感器又稱電動勢式傳感器，是利用電磁感應原理將被測量(如振動、位移、轉速等)轉換成電信號的一種傳感器。它是利用導體和磁場發(fā)生相對運動而在導體兩端輸出感應電動勢的。它是一種機-電能量變換型傳感器，不需要供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應范圍(一般為101000Hz)，所以得到普遍應用。,磁電感應式傳感器是以電磁感應原理為基礎的。由法拉第電磁感應定律可知，N匝線圈在磁場中運動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中所產(chǎn)生的感應電動勢E(V)的大小取決于穿過線圈的磁通的變化率，即,磁通量的變化可以通過很多辦法來實現(xiàn)，如磁鐵與線圈之間作相對運動；磁路中磁阻的變化；恒定磁場中線圈面積的變化等，一般可將磁電感應式傳感器分為恒磁通式和變磁通式兩類。,當傳感器結構參數(shù)確定后，N、B和l均為恒定值，E與dx/dt成正比，根據(jù)感應電動勢E的大小就可以知道被測速度的大小。,由理論推導可得，當振動頻率低于傳感器的固有頻率時，這種傳感器的靈敏度(E/v)是隨振動頻率而變化的；當振動頻率遠大于固有頻率時，傳感器的靈敏度基本上不隨振動頻率而變化，而近似為常數(shù)；當振動頻率更高時，線圈阻抗增大，傳感器靈敏度隨振動頻率增加而下降。不同結構的恒磁通磁電感應式傳感器的頻率響應特性是有差異的，但一般頻響范圍為幾十赫至幾百赫。低的可到10Hz左右，高的可達2kHz左右。,6.1.2變磁通式磁電感應傳感器結構與工作原理,變磁通式磁電感應傳感器一般做成轉速傳感器，產(chǎn)生感應電動勢的頻率作為輸出，而電動勢的頻率取決于磁通變化的頻率。變磁通式轉速傳感器的結構有開磁路和閉磁路兩種。,開磁路式轉速傳感器結構比較簡單，但輸出信號小，另外當被測軸振動比較大時，傳感器輸出波形失真較大。在振動強的場合往往采用閉磁路式轉速傳感器。,被測轉軸帶動橢圓形測量輪5在磁場氣隙中等速轉動，使氣隙平均長度周期性地變化，因而磁路磁阻和磁通也同樣周期性地變化，則在線圈3中產(chǎn)生感應電動勢，其頻率f與測量輪5的轉速n(r/min)成正比，即f=n/30。在這種結構中，也可以用齒輪代替橢圓形測量輪5，軟鐵(極掌)制成內(nèi)齒輪形式，這時輸出信號頻率f同前式。,變磁通式傳感器對環(huán)境條件要求不高，能在-150+90的溫度下工作，不影響測量精度，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為50Hz，上限可達100kHz。,2振動測量,1、8圓形彈簧片；2圓環(huán)形阻尼器；3永久磁鐵；4鋁架；5心軸；6工作線圈；7殼體；9引線,6.1.3磁電感應式傳感器的應用,1轉速測量,3扭矩測量,6.2霍爾式傳感器,霍爾式傳感器是基于霍爾效應而將被測量轉換成電動勢輸出的一種傳感器?；魻柶骷且环N磁傳感器，用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高(可達1MHz)，耐振動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。按照霍爾器件的功能可將它們分為：霍爾線性器件和霍爾開關器件，前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高(可達級)。采用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達-55+150。,6.2.1霍爾傳感器的工作原理,1霍爾效應,半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。,當有圖示方向磁場B作用時,作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軪H可用下式表示：EH=KHIB,霍爾效應演示,當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側偏移，在半導體薄片A、B方向的端面之間建立起霍爾電勢。,A,B,C,D,可以推出，霍爾電動勢UH的大小為：,式中：kH為靈敏度系數(shù)，kH=RH/d，表示在單位磁感應強度和單位控制電流時的霍爾電動勢的大小,與材料的物理特性（霍爾系數(shù)）和幾何尺寸d有關；霍爾系數(shù)RH1/(nq)，由材料物理性質所決定，q為電子電荷量；n為材料中的電子濃度。為磁場和薄片法線夾角。,結論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應強度B成正比，且當B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。,金屬材料中的自由電子濃度n很高，因此RH很小，不宜作霍爾元件?；魻栐嘤幂d流子遷移率大的N型半導體材料制作。另外，霍爾元件越薄(d越小)，kH就越大，所以通?；魻栐驾^薄。薄膜霍爾元件的厚度只有1左右。,2霍爾元件,霍爾片是一塊矩形半導體單晶薄片(一般為4mm2mm0.1mm)，經(jīng)研磨拋光，然后用蒸發(fā)合金法或其他方法制作歐姆接觸電極，最后焊上引線并封裝。而薄膜霍爾元件則是在一片極薄的基片上用蒸發(fā)或外延的方法做成霍爾片，然后再制作歐姆接觸電極，焊上引線最后封裝。一般控制端引線采用紅色引線，而霍爾輸出端引線則采用綠色引線?；魻栐臍んw用非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。,(a)霍爾元件外形(b)電路符號(c)基本應用電路,3霍爾元件的主要特性及材料,1)霍爾元件的主要特性參數(shù)(1)靈敏度kH：表示元件在單位磁感應強度和單位控制電流下所得到的開路霍爾電動勢，單位為V/(AT)。,(2)霍爾輸入電阻Rin：霍爾控制電極間的電阻值。(3)霍爾輸出電阻Rout：霍爾輸出電極間的電阻值。,(4)霍爾元件的電阻溫度系數(shù)：表示在不施加磁場的條件下，環(huán)境溫度每變化1時電阻的相對變化率，單位為%/。,(5)霍爾寄生直流電勢U0：在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極輸出除了交流不等位電動勢外，還有一直流電勢，稱為寄生直流電勢。,(6)霍爾最大允許激勵電流Imax：以霍爾元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。,2)霍爾元件的材料鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)和砷化鎵(GaAs)是常見的制作霍爾元件的幾種半導體材料。表6-2所列為制作霍爾元件的幾種半導體材料主要參數(shù)。,電阻率,電子遷移率,不等位電動勢產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不可能保證將兩個霍爾電極對稱地焊在霍爾片的兩側，致使兩電極點不能完全位于同一等位面上。,6.2.2霍爾元件的誤差及補償,1霍爾元件的零位誤差與補償霍爾元件的零位誤差是指在無外加磁場或無控制電流的情況下，霍爾元件產(chǎn)生輸出電壓并由此而產(chǎn)生的誤差。它主要表現(xiàn)為以下幾種具體形式。,1)不等位電動勢不等位電動勢是零位誤差中最主要的一種，它是當霍爾元件在額定控制電流(元件在空氣中溫升10所對應的電流)作用下，不加外磁場時，霍爾輸出端之間的空載電動勢。,此外,霍爾片電阻率不均勻，或片厚薄不均勻，或控制電流極接觸不良都將使等位面歪斜，如圖所示，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動勢。,2)寄生直流電勢在無磁場的情況下，元件通入交流電流，輸出端除交流不等位電壓以外的直流分量稱為寄生直流電勢。產(chǎn)生寄生直流電勢的原因有兩個方面：(1)由于控制電極焊接處接觸不良而造成一種整流效應，使控制電流因正、反向電流大小不等而具有一定的直流分量。(2)輸出電極焊點熱容量不相等產(chǎn)生溫差電動勢。對于鍺霍爾元件，當交流控制電流為20mA時，輸出電極的寄生直流電壓小于100。,3)感應零電動勢感應零電動勢是在未通電流的情況下，由于脈動或交變磁場的作用，在輸出端產(chǎn)生的電動勢。根據(jù)電磁感應定律，感應電動勢的大小與霍爾元件輸出電極引線構成的感應面積成正比，如圖所示。,4)自激場零電動勢霍爾元件控制電流產(chǎn)生自激場，如圖所示。由于元件的左右兩半場相等，故產(chǎn)生的電動勢方向相反而抵消。實際應用時由于控制電流引線也產(chǎn)生磁場，使元件左右兩半場強不等，因而有霍爾電動勢輸出，這一輸出電動勢即是自激場零電動勢。,在上述的4種零位誤差中，寄生直流電動勢、感應零電動勢以及自激場零電動勢，是由于制作工藝上的原因而造成的誤差，可以通過工藝水平的提高加以解決。而不等位電動勢所造成的零位誤差，則必須通過補償電路給予克服。,在理想情況下R1=R2=R3=R4，即可取得零位電動勢為零(或零位電阻為零)，從而消除不等位電動勢。實際上，若存在零位電動勢，則說明此4個電阻不完全相等，即電橋不平衡。為使其達到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)可調(diào)電阻RP或在兩個臂上同時并聯(lián)電阻RP和R。,霍爾元件結構及等效電路如圖,霍爾元件零位誤差補償電路,2霍爾元件的溫度誤差及補償與一般半導體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的性能參數(shù)如輸入、輸出、電阻、霍爾常數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電動勢變化，產(chǎn)生溫度誤差。,將溫度每變化1時，霍爾元件輸入電阻或輸出電阻的相對變化率Ri/Ro稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)，用表示。,將溫度每變化1時，霍爾電壓的相對變化率UHt/UH0稱為霍爾電壓溫度系數(shù)，用表示。,幾種溫度誤差的補償方法1)采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻,補償基本電路及等效電路如圖,霍爾電壓隨溫度變化的關系式為：,對上式求溫度的導數(shù)得，要使溫度變化時霍爾電壓不變，必須使外接電阻：,2)合理選擇負載電阻RL的阻值霍爾元件的輸出電阻Ro和霍爾電動勢UH都是溫度的函數(shù)(設為正溫度系數(shù))，當霍爾元件接有負載RL時，在RL上的電壓為：,3)采用溫度補償元件(如熱敏電阻、電阻絲)這是一種常用的溫度誤差補償方法。由于熱敏電阻具有負溫度系數(shù)，電阻絲具有正溫度系數(shù)，可采用輸入回路串接熱敏電阻，輸入回路并接電阻絲，或輸出端串接熱敏電阻對具有負溫度系數(shù)的銻化銦材料霍爾元件進行溫度補償?？刹捎幂斎攵瞬⒔訜崦綦娮璺绞綄敵鼍哂姓郎囟认禂?shù)的霍爾元件進行溫度補償。一般來說，溫度補償電路、霍爾元件和放大電路應集成在一起制成集成霍爾傳感器。,1霍爾元件基本電路連接方法霍爾元件有無鐵心型、鐵心型、測試用探針霍爾集成電路等幾種類型，有3腳、4腳、5腳元件等幾種結構形式,如圖是35腳(端子)的霍爾元件的基本電路連接方法。,(a)3腳元件(b)4腳元件(c)5腳元件,兩種霍爾元件定電壓驅動電路,兩種霍爾元件定電流驅動電路,2霍爾集成電路在一個晶片中形成有霍爾元件及放大并控制其輸出電壓的電路，而具有磁場-電氣變換機能的固態(tài)組件稱為霍爾集成電路。,霍爾集成電路的構造如圖。,依輸出信號的性質不同，霍爾集成電路可分為線性型和開關性型兩類。線性型霍爾集成電路可以獲得與磁場強度成正比的輸出電壓。磁場靈敏度雖然可利用電路的放大加以調(diào)節(jié)。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。,開關型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。當外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；當外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關型霍爾器件如UGN3020等。,.,開關型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路,OC門,施密特觸發(fā)電路,雙端輸入、單端輸出運放,霍爾元件,.,Vcc,開關型霍爾集成電路（OC門輸出）的與繼電器的連接,3霍爾傳感器在汽車中的應用,霍爾轉速傳感器,在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。,S,N,霍爾器件,磁鐵,霍爾轉速表原理,當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。,霍爾轉速表的其他安裝方法,只要黑色金屬旋轉體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉速信號。,霍爾元件,磁鐵,4磁場檢測,磁場測量高斯計,5電流測量,霍爾鉗形電流表,測量原理,6旋轉參數(shù)測量,7霍爾機械振動傳感器,1霍爾元件；2平板；3頂桿；4觸點；5外殼；6磁系統(tǒng),8霍爾加速度傳感器,6.3磁柵式傳感器,6.3.1磁柵式傳感器的工作原理和結構磁柵式傳感器主要由磁柵和磁頭組成。磁柵上錄有等間距的磁信號，它是利用磁帶錄音的原理將等節(jié)距的周期變化的電信號(正弦波或矩形波)用錄磁的方法記錄在磁性尺子或圓盤上而制成的。裝有磁柵傳感器的儀器或裝置工作時，磁頭相對于磁柵有一定的相對位置，在這個過程中，磁頭把磁柵上的磁信號讀出來，這樣就把被測位置或位移轉換成電信號。,1磁柵1)磁柵的結構,2)磁柵的類型磁柵分為長磁柵和圓磁柵兩大類，分別用于測量直線位移和角位移。,長磁柵又可分為尺型、帶型和同軸型三種。,磁柵式傳感器實物圖,2磁頭及其工作原理磁頭的作用是讀取磁柵上的記錄信號，按讀取方式不同，磁頭可分為動態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭兩種。,1)動態(tài)磁頭動態(tài)磁頭又稱速度響應磁頭。它由鐵鎳合金材料制成的鐵心和一組線圈組成，如圖。,2)靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭是一種調(diào)制式磁頭，又稱