第7章磁電式傳感器

1、第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器第7章 磁電式傳感器 7.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器7.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器-是利用磁電作用將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。主要有兩類：1、磁電式傳感器2、霍爾式傳感器第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器磁電式傳感器磁電式傳感器-是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。7.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器 它不需要激勵電源它不需要激勵電源（永磁鐵產(chǎn)生磁場

2、）， 就能把被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種有源有源傳感器傳感器。 由于它輸出功率大，且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（101000 Hz），所以得到普遍應(yīng)用。第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器7.1.1 磁電感應(yīng)式傳感器工作原理磁電感應(yīng)式傳感器工作原理 (7-1)式中: B穩(wěn)恒均勻磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；l導(dǎo)體有效長度；v導(dǎo)體相對磁場的運(yùn)動速度。 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向切割磁力線時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢感應(yīng)電勢為 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器同樣，當(dāng)一個W匝線圈相對靜止地處于隨時間變化的磁場中時，設(shè)穿過線圈的磁通為，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢

3、e與磁通變化率d/dt有如下關(guān)系： 根據(jù)以上原理，人們設(shè)計出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式變磁通式和恒磁通式。(7-2) 符號表示磁鐵運(yùn)動的方向與產(chǎn)生的感應(yīng)電動符號表示磁鐵運(yùn)動的方向與產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的方向。勢的方向。第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器 圖7-1（a）為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動， 測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨被測體一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個齒， 齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次， 線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪上齒數(shù)的乘積( n為齒數(shù)，w為轉(zhuǎn)速）。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高

4、轉(zhuǎn)速的場合。 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器 圖7-1(b)為閉磁路變磁通式傳感器，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。 當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時，外齒輪不動，內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動，內(nèi)、外齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動勢。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器圖7-2為恒磁通式傳感器典型結(jié)構(gòu)圖 磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。 其運(yùn)動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式）。提高

5、靈敏度圖7-2 恒定磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖（a） 動圈式； (b) 動鐵式 非線性補(bǔ)償?shù)?章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器 動圈式（圖7-2（a）和動鐵式（圖7-2(b)）的工作原理是完全相同的。 當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運(yùn)動部件質(zhì)量相對較大， 當(dāng)振動頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時，運(yùn)動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動， 近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運(yùn)動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運(yùn)動切割磁力線， 從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢為 (7-3) 式中：B0工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度； l每匝線圈平均長度； W線圈在工作氣隙磁場中的

6、匝數(shù)； v相對運(yùn)動速度。 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器7.1.3 磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路 圖7-5 磁電式傳感器測量電路方框圖 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器7.1.4 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用 1. 動圈式振動速度傳感器動圈式振動速度傳感器 圖7-6 是動圈式振動速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是，鋼制圓形外殼，里面用鋁支架將圓柱形永久磁鐵與外殼固定成一體，永久磁鐵中間有一小孔，穿過小孔的芯軸兩端架起線圈和阻尼環(huán)，芯軸兩端通過圓形膜片支撐架空且與外殼相連。工作時，傳感器與被測物體剛性連接，當(dāng)物體振動時， 傳感器外殼

7、和永久磁鐵隨之振動，而架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動。因而，磁路空氣隙中的線圈切割磁力線而產(chǎn)生正比于振動速度的感應(yīng)電動勢，線圈的輸出通過引線輸出到測量電路。第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器 該傳感器測量的是振動速度參數(shù)，若在測量電路中接入積該傳感器測量的是振動速度參數(shù)，若在測量電路中接入積分電路，則輸出電勢與位移成正比；若在測量電路中接入微分分電路，則輸出電勢與位移成正比；若在測量電路中接入微分電路，則其輸出與加速度成正比。電路，則其輸出與加速度成正比。強(qiáng)磁力吸附！型號水平：JSDP3JSDP28垂直：JSDV4JSDV10第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器 2. 磁

8、電式扭矩傳感器磁電式扭矩傳感器 圖7-7是磁電式扭矩傳感器的工作原理圖。在驅(qū)動源和負(fù)載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤。它們旁邊裝有相應(yīng)的兩個磁電傳感器。磁電傳感器的結(jié)構(gòu)見圖7-8所示。傳感器的檢測元件部分由永久磁鐵、感應(yīng)線圈和鐵芯組成。永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線與齒形圓盤交鏈。當(dāng)齒形圓盤旋轉(zhuǎn)時，圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變化，于是磁通量也發(fā)生變化，在線圈中感應(yīng)出交流電壓， 其頻率在數(shù)值上等于圓盤上齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)的乘積。 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器測量儀表21齒形圓盤扭轉(zhuǎn)軸磁電傳感器磁電傳感器u1u2uu1u2t圖7-7 磁電式扭矩傳感器工作原理圖第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器圖7

9、-8 磁電式傳感器結(jié)構(gòu)圖 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器 當(dāng)扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時，兩個磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2存在相位差相位差。 這個相位差與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比。 這樣，傳感器就可以把扭矩引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號。 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器話筒的工作原理是，聲波迫使金屬線圈在磁鐵產(chǎn)生的磁場中振動產(chǎn)生感應(yīng)電流 3.動圈式話筒動圈式話筒第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器4.第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器7.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器7.2.1 霍爾效應(yīng)及霍爾元件霍爾效應(yīng)及霍爾元件 1. 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)（1879年美國物理學(xué)家霍爾在金

10、屬材料中發(fā)現(xiàn)） 置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)。該電勢稱霍爾電勢霍爾電勢。第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器圖7-9 霍爾效應(yīng)原理圖如圖7-9所示，在垂直于外磁場B的方向上放置一導(dǎo)電板，導(dǎo)電板通以電流I，方向如圖所示。導(dǎo)電板上會產(chǎn)生霍爾電勢UH。第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器經(jīng)過理論計算與推倒得出： （7-16） RH為材料的霍爾系數(shù)，KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。 1、霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度；、霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度；由式（7-16）可見

11、2、其靈敏度與霍爾系數(shù)、其靈敏度與霍爾系數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度成正比而與霍爾片厚度d成成反比。反比。所以，為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器大量的實(shí)驗(yàn)證明：目前只有半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料才適于制造霍爾片。常用的霍爾元件材料有：鍺、硅、砷化銦、 銻化銦等半導(dǎo)體材料。其中N型鍺型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、 溫度性能和線性度都較好。N型硅型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、 溫度性能同N型鍺。銻化銦銻化銦對溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時其霍爾系數(shù)較大。砷化銦砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度好。表7-1為常用國產(chǎn)霍爾元

12、件的技術(shù)參數(shù)。 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器表表7-1 常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù) 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，它是由霍爾片、四根引線和殼體組成的， 如圖7-10（a）所示。 霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片， 引出四根引線： 1、 1兩根引線加激勵電壓或電流，稱激勵電極（控制電極）； 2、 2引線為霍爾輸出引線， 稱霍爾電極霍爾電極。2. 霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件的殼體是用非導(dǎo)磁金屬、 陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。 在電路中， 霍爾元件一般可用兩種符號表示， 如圖7-10（b）所示。第7章 磁電式傳感器 第7章

13、磁電式傳感器 3. 霍爾元件基本特性霍爾元件基本特性(介紹略） (1) 額定激勵電流和最大允許激勵電流 當(dāng)霍爾元件自身溫升10時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。 以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而線性增加，所以使用中希望選用盡可能大的激勵電流，因而需要知道元件的最大允許激勵電流。改善霍爾元件的散熱條件，可以使激勵電流增加。 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器 (2） 輸入電阻和輸出電阻 激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻。霍爾電極輸出電勢對電路外部來說相當(dāng)于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。 以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，且環(huán)境溫度在

14、205時所確定的。 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器 (3） 不等位電勢和不等位電阻 當(dāng)霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零， 則它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢，如圖7-11所示。 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有： 霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上； 半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻； 激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器圖7-11 不等位電勢示意圖 ACBID第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器不等位電勢也可用不等位電阻表示， 即 IUr00（7-19）

15、 式中： U0不等位電勢； r0不等位電阻； I激勵電流。 由式（7-19）可以看出，不等位電勢就是激勵電流流經(jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓， 如圖7-11所示。 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器 (4） 寄生直流電勢 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勢外，還有一直流電勢，稱為寄生直流電勢。 其產(chǎn)生的原因有： 激勵電極與霍爾電極接觸不良， 形成非歐姆接觸， 造成整流效果； 兩個霍爾電極大小不對稱，則兩個電極點(diǎn)的熱容不同， 散熱狀態(tài)不同而形成極間溫差電勢。 寄生直流電勢一般在1mV以下，它是影響霍爾片溫漂的原因之一。 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感

16、器 (5） 霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵電流下，溫度每變化1時，霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數(shù)。它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器7.2.2 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用 霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點(diǎn)，它不僅用于磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率及電能參數(shù)的測量， 也在位移測量、轉(zhuǎn)速測量、記數(shù)中得到廣泛應(yīng)用。 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器 1. 霍爾式微位移傳感器霍爾式微位移傳感器下面是三種霍爾式位移傳感器的工作原理圖。 圖7-15（a）是磁場強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對地放置， 霍爾元件處在兩塊磁鐵

17、的中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0， 因此霍爾元件輸出的霍爾電勢UH也等于零，此時位移x=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對位移，霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之改變，這時UH不為零，其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量。這種結(jié)構(gòu)的傳感器， 其動態(tài)范圍可達(dá)5 mm，分辨率為0.001mm。第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器 圖7-15（b）是一種結(jié)構(gòu)簡單的霍爾位移傳感器，是由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器，霍爾電勢UH與霍爾元件所處位置的磁場強(qiáng)度對應(yīng)（注意：在（注意：在霍爾元件處于初始位置霍爾元件處于初始位置x=0時，時， 霍爾電勢霍爾電勢UH不等于零）。不等于零）。第7章

18、 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器 圖7-15（c）是一個由兩個結(jié)構(gòu)相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器，為了獲得較好的線性分布，在磁極端面裝有極靴極靴， 霍爾元件調(diào)整好初始位置時， 可以使霍爾電勢UH=0。 這種傳感器靈敏度很高， 但它所能檢測的位移量較小， 適合于微位移量及振動的測量 。第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器 2. 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 圖7-16是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。 轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目多少就可確定傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。 第7章 磁電式傳感器 第7章磁電式傳感器圖7-16 幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)1243(a)1243(b)12431234(c)(d)NSNSNSNSNSNSNS1輸 入 軸 ；2轉(zhuǎn) 盤 ；3小 磁 鐵 ；4霍 爾 傳 感 器