傳感器原理及應用-第7章 - 磁電式傳感器

1、 第七章 磁電式傳感器 7.1 磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器7.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器7.3 磁電式傳感器應用磁電式傳感器應用 第七章 磁電式傳感器 磁電感應式傳感器：磁電感應式傳感器：利用電利用電磁感應原理將被測量（如振動、磁感應原理將被測量（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的位移、轉速等）轉換成電信號的一種傳感器。一種傳感器。有源傳感器：有源傳感器：不需要輔助電不需要輔助電源，就能把被測對象的機械量轉源，就能把被測對象的機械量轉換成易于測量的電信號。換成易于測量的電信號。特點：特點：輸出功率大，性能穩(wěn)輸出功率大，性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（定，具有一定的工作帶寬（101000

2、 Hz）。）。一、磁電感應式傳感器概述一、磁電感應式傳感器概述7.1 磁電感應式傳感器根據(jù)電磁感應定律，當導體根據(jù)電磁感應定律，當導體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導體內產生的感應方向運動時，導體內產生的感應電勢為電勢為 二、磁電感應式傳感器工作原理二、磁電感應式傳感器工作原理BlvdtdxBtdtdE1 1、恒磁通式工作原理、恒磁通式工作原理變磁通式變磁通式恒磁通式恒磁通式分分類類感生電動勢原理感生電動勢原理動生電動勢原理動生電動勢原理7.1 磁電感應式傳感器磁路系統(tǒng)產生恒定的磁場，磁路系統(tǒng)產生恒定的磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因磁路中的工作氣隙固定

3、不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。而氣隙中磁通也是恒定不變的。 二、磁電感應式傳感器工作原理二、磁電感應式傳感器工作原理1 1、恒磁通式工作原理、恒磁通式工作原理彈簧較軟，運動部件質量相彈簧較軟，運動部件質量相對較大。對較大。當殼體隨被測振動體一起振當殼體隨被測振動體一起振動頻率足夠高（遠大于傳感器固動頻率足夠高（遠大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎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靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收。簧吸收。永久磁鐵與線圈之間的相永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速對運動速

4、度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產生感應電勢。磁力線，從而產生感應電勢。7.1 磁電感應式傳感器當一個當一個W匝線圈相對靜止地處匝線圈相對靜止地處于隨時間變化的磁場中時，設穿過于隨時間變化的磁場中時，設穿過線圈的磁通為線圈的磁通為，則線圈內的感應電，則線圈內的感應電勢勢E與磁通變化率與磁通變化率d/dt關系為關系為二、磁電感應式傳感器工作原理二、磁電感應式傳感器工作原理dtdWE2 2、變磁通式工作原理、變磁通式工作原理1永久磁鐵；永久磁鐵； 2軟磁鐵；軟磁鐵；3感應線圈；感應線圈； 4鐵齒輪；鐵齒輪；開磁路變磁通式：開磁路變磁通式：線圈

5、、磁鐵線圈、磁鐵靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋轉體上，隨被測體一起轉動。每轉轉體上，隨被測體一起轉動。每轉動一個齒，齒的凹凸引起磁路磁阻動一個齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產生感應電勢。圈中產生感應電勢。感應電勢變化頻率等感應電勢變化頻率等于被測轉速與測量齒輪上齒于被測轉速與測量齒輪上齒數(shù)的乘積。數(shù)的乘積。這種傳感器結構簡單，這種傳感器結構簡單，但輸出信號較小，不宜測量但輸出信號較小，不宜測量高轉速的場合。高轉速的場合。 7.1 磁電感應式傳感器當測量電路接入磁電傳感器電路時，當測量電路接入磁電傳感器電路時

6、，Rf為測量電路輸入電阻，為測量電路輸入電阻，R為線圈等效電阻，為線圈等效電阻，則磁電傳感器的輸出電流和電壓為則磁電傳感器的輸出電流和電壓為 三、磁電感應式傳感器基本特性三、磁電感應式傳感器基本特性ffofoofofoRRlWvRBRIURRlWvBRREI；1 1、磁電傳感器的靈敏度、磁電傳感器的靈敏度傳感器的輸出電流和電壓靈敏度分別傳感器的輸出電流和電壓靈敏度分別靈敏度為靈敏度為 ffooUfooIRRlWRBvUSRRlWBvIS；靈敏度誤差：靈敏度誤差：工作溫度變化、外界磁工作溫度變化、外界磁場干擾、機械振動或沖擊，靈敏度會變化。場干擾、機械振動或沖擊，靈敏度會變化。7.1 磁電感應式

7、傳感器磁電式傳感器產生非線性誤差的主磁電式傳感器產生非線性誤差的主要原因：要原因：電流磁場效應。電流磁場效應。三、磁電感應式傳感器基本特性三、磁電感應式傳感器基本特性2 2、磁電傳感器的非線性誤差、磁電傳感器的非線性誤差傳感器線圈內流過電流時，產生一傳感器線圈內流過電流時，產生一定的交變磁通，疊加在永久磁鐵所產生的定的交變磁通，疊加在永久磁鐵所產生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化。工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化。當傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場當傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場的運動速度增大時，產生的附加磁場方向的運動速度增大時，產生的附加磁場方向與原工作磁場方向相反，減弱了工作磁場與原工作磁場

8、方向相反，減弱了工作磁場的作用，傳感器的靈敏度隨著被測速度的的作用，傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。增大而降低。傳感器電流的磁場效應傳感器電流的磁場效應 7.1 磁電感應式傳感器三、磁電感應式傳感器基本特性三、磁電感應式傳感器基本特性2 2、磁電傳感器的非線性誤差、磁電傳感器的非線性誤差當線圈的運動速度反向時，感應電當線圈的運動速度反向時，感應電勢、線圈感應電流反向，所產生的附加勢、線圈感應電流反向，所產生的附加磁場方向與工作磁場同向，從而增大了磁場方向與工作磁場同向，從而增大了傳感器的靈敏度。傳感器的靈敏度。因此，線圈運動速度方向不同時，因此，線圈運動速度方向不同時，傳感器的靈敏度具

9、有不同的數(shù)值。傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值。 傳感器靈敏度越高，線圈中電流越傳感器靈敏度越高，線圈中電流越大，這種非線性越嚴重。大，這種非線性越嚴重。 傳感器電流的磁場效應傳感器電流的磁場效應 7.1 磁電感應式傳感器三、磁電感應式傳感器基本特性三、磁電感應式傳感器基本特性3 3、磁電傳感器的溫度誤差、磁電傳感器的溫度誤差當溫度變化每攝氏度時，對當溫度變化每攝氏度時，對銅線變化量為銅線變化量為dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-2，dB/B的變化量的變化量決定于永久磁鐵的磁性材料。決定于永久磁鐵的磁性材料。對 鋁 鎳 鈷 永 久 磁 合 金 ，對 鋁 鎳 鈷 永 久 磁 合 金

10、 ，dB/B-0.0210-2，靈敏度隨溫度，靈敏度隨溫度變化誤差為變化誤差為這一數(shù)值是很可觀的，需要這一數(shù)值是很可觀的，需要進行溫度補償。進行溫度補償。Ct10%5.4熱磁分流器補償：熱磁分流器補償：熱磁分流器由具有很大負熱磁分流器由具有很大負溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。在正常工作溫度下已將空在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分掉一小部分。當溫氣隙磁通分掉一小部分。當溫度升高時，熱磁分流器的磁導度升高時，熱磁分流器的磁導率顯著下降，經分流掉的磁通率顯著下降，經分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低，從而保持空氣度下顯著降低，從而保持

11、空氣隙的工作磁通不隨溫度變化，隙的工作磁通不隨溫度變化，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。維持傳感器靈敏度為常數(shù)。 四、磁電感應式傳感器測量電路四、磁電感應式傳感器測量電路 7.1 磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器直接輸出電動勢，且通常具有高的靈敏度，磁電感應式傳感器直接輸出電動勢，且通常具有高的靈敏度，一般不需要高增益放大器。一般不需要高增益放大器。磁電感應式傳感器是速度傳感器，若要獲得被測位移或加速度磁電感應式傳感器是速度傳感器，若要獲得被測位移或加速度信號，則需配用積分電路或微分電路。信號，則需配用積分電路或微分電路。7.1 磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器7.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器7.3

12、磁電式傳感器應用磁電式傳感器應用 第七章 磁電式傳感器 霍爾：霍爾：1879年年設霍爾元件為設霍爾元件為N型半導體，型半導體，當通電流當通電流I時時fL = eBv一、霍爾效應一、霍爾效應7.2 霍爾式傳感器UHbldIFFvB當電場力與洛侖茲力相等時，當電場力與洛侖茲力相等時，達到動態(tài)平衡，有達到動態(tài)平衡，有eEH= eBv霍爾電場的強度為霍爾電場的強度為EH=vB霍爾電壓霍爾電壓UH可表示為可表示為UH = EH b = vBb流過霍爾元件的電流為流過霍爾元件的電流為I=nevbdv=I/nebdUH=BI/ned取取RH = 1/ne則有則有dIBRUHHRH被定義為霍爾元件的霍爾被定義

13、為霍爾元件的霍爾系數(shù)。系數(shù)?；魻栂禂?shù)由半導體材料性質霍爾系數(shù)由半導體材料性質決定，反映材料霍爾效應的強弱。決定，反映材料霍爾效應的強弱。一、霍爾效應一、霍爾效應7.2 霍爾式傳感器UHbldIFFvB霍爾電壓為霍爾電壓為霍爾元件的靈敏度：霍爾元件的靈敏度： 一個霍爾元件在單位控制電流一個霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應強度時產生的霍爾電和單位磁感應強度時產生的霍爾電壓的大小。壓的大小。dIBRUHHdRKHHIBKUHH1HRn e1HKn e dKH即為霍爾元件的靈敏度。即為霍爾元件的靈敏度。霍爾電壓與材料的性質有關霍爾電壓與材料的性質有關；與元件的尺寸有關。與元件的尺寸有關?；魻栐夯?/p>

14、爾元件：基于霍爾效應工基于霍爾效應工作的半導體器件。作的半導體器件?；魻栐牧希夯魻栐牧希憾嗖捎枚嗖捎肗型型半導體材料。半導體材料?；魻栐M成：霍爾元件組成：霍爾片、四霍爾片、四根引線和殼體。根引線和殼體。二、霍爾元件的結構與特性二、霍爾元件的結構與特性7.2 霍爾式傳感器最常用的霍爾元件材料有：最常用的霍爾元件材料有：鍺鍺(Ge)、硅、硅(Si)、銻化銦、銻化銦(InSb)、砷、砷化銦化銦(InAs)等半導體材料。等半導體材料?；魻栐臍んw：用非導磁霍爾元件的殼體：用非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。1 1、霍爾元件的構造、霍爾元件的構造霍爾片是一塊半導體單

15、晶薄片霍爾片是一塊半導體單晶薄片(420.1mm3)，長度方向兩端面，長度方向兩端面上焊有上焊有a、b兩根引線，通常用紅色兩根引線，通常用紅色導線，稱為控制電極；在另兩側端導線，稱為控制電極；在另兩側端面的中間以點的形式對稱地焊有面的中間以點的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導線，稱為霍爾電極。導線，稱為霍爾電極。二、霍爾元件的結構與特性二、霍爾元件的結構與特性7.2 霍爾式傳感器1 1、霍爾元件的構造、霍爾元件的構造霍爾元件電路圖形符號：霍爾元件電路圖形符號： 11 激勵電極激勵電極22 霍爾電極霍爾電極（1）基本連接方式與測量電路）基本連接方式與

16、測量電路二、霍爾元件的結構與特性二、霍爾元件的結構與特性7.2 霍爾式傳感器2 2、霍爾元件的、霍爾元件的測量電路測量電路W1W2UHUH（2）直流供電輸出方式）直流供電輸出方式控制電流端并聯(lián)，輸出電勢兩倍?？刂齐娏鞫瞬⒙?lián)，輸出電勢兩倍。（3）交流供電輸出方式）交流供電輸出方式控制電流端串聯(lián)，繞阻疊加輸出?？刂齐娏鞫舜?lián)，繞阻疊加輸出。WUHRLEBIIBUH（1）額定功耗）額定功耗在環(huán)境溫度在環(huán)境溫度25時，允許通過時，允許通過霍爾元件的電流和電壓的乘積?；魻栐碾娏骱碗妷旱某朔e。二、霍爾元件的結構與特性二、霍爾元件的結構與特性7.2 霍爾式傳感器3 3、霍爾元件的技術參數(shù)霍爾元件的技術參

17、數(shù)（4）霍爾溫度系數(shù)）霍爾溫度系數(shù)在一定的磁感應強度和在一定的磁感應強度和控制電流下，溫度變化控制電流下，溫度變化1時，時，霍爾電勢變化的百分率?；魻栯妱葑兓陌俜致?。（2）輸入電阻和輸出電阻）輸入電阻和輸出電阻輸入電阻：控制電流極之間的輸入電阻：控制電流極之間的電阻。電阻。輸出電阻：霍爾元件電極間的輸出電阻：霍爾元件電極間的電阻。電阻。在無磁場時用歐姆表等測量。在無磁場時用歐姆表等測量。（3）不平衡）不平衡（等位）（等位）電勢電勢在額定控制電流下，不加磁場在額定控制電流下，不加磁場時霍爾電極間的空載霍爾電勢。時霍爾電極間的空載霍爾電勢。)1(tUUHoHt （5）內阻溫度系數(shù)）內阻溫度系數(shù)霍

18、爾元件在無磁場及工霍爾元件在無磁場及工作溫度范圍內，溫度每變化作溫度范圍內，溫度每變化1時，輸入電阻與輸出電阻時，輸入電阻與輸出電阻變化的百分率。變化的百分率。)1(tRRioit )1 (0tRRoot霍爾元件不等位電動勢也叫傳霍爾元件不等位電動勢也叫傳感器輸出電壓的零位誤差。感器輸出電壓的零位誤差。三、霍爾元件測量誤差和補償三、霍爾元件測量誤差和補償7.2 霍爾式傳感器1 1、零位誤差零位誤差及補償方法及補償方法AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4不等位電動勢與等效電路不等位電動勢與等效電路電橋補償原理：電橋補償原理：在阻值較大的在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻。橋臂上并聯(lián)電阻。ABCDW

19、ABCDWABCDW1R2R4R3RWABCDI溫度影響電阻率、遷移率、載流子濃度，導致霍爾元件溫度影響電阻率、遷移率、載流子濃度，導致霍爾元件內阻、霍爾電勢隨溫度變化。內阻、霍爾電勢隨溫度變化。三、霍爾元件測量誤差和補償三、霍爾元件測量誤差和補償7.2 霍爾式傳感器2 2、溫度誤差及補償方法溫度誤差及補償方法（1）選用溫度系數(shù)小的元件）選用溫度系數(shù)小的元件（2）采用恒溫措施）采用恒溫措施（3）補償）補償當負載電阻比霍爾元件輸出電阻大得多時，輸出電阻變化當負載電阻比霍爾元件輸出電阻大得多時，輸出電阻變化對霍爾電壓輸出的影響很小。在這種情況下，可考慮在輸入端采對霍爾電壓輸出的影響很小。在這種情況

20、下，可考慮在輸入端采用恒流源補償。輸入電阻隨溫度變化而引起控制電流的變化極小，用恒流源補償。輸入電阻隨溫度變化而引起控制電流的變化極小，減少了輸入端溫度影響。減少了輸入端溫度影響。三、霍爾元件測量誤差和補償三、霍爾元件測量誤差和補償7.2 霍爾式傳感器2 2、溫度誤差及補償方法溫度誤差及補償方法（4）熱敏電阻補償）熱敏電阻補償對于用溫度系數(shù)大的半導體材料制成的霍爾元件，常采用對于用溫度系數(shù)大的半導體材料制成的霍爾元件，常采用熱敏電阻進行補償。熱敏電阻進行補償?；魻栞敵鲭S溫度升高而下降霍爾輸出隨溫度升高而下降，只要能使，只要能使控制電流隨溫度升控制電流隨溫度升高而上升高而上升，就能補償。，就能補

21、償。實際使用熱敏電阻補償時，熱敏電阻最好與霍爾元件封裝實際使用熱敏電阻補償時，熱敏電阻最好與霍爾元件封裝在一起或靠近，溫度變化一致。在一起或靠近，溫度變化一致。輸入回路補償輸入回路補償輸出回路補償輸出回路補償7.1 磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器7.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器7.3 磁電式傳感器應用磁電式傳感器應用 第七章 磁電式傳感器 在驅動源和負載之在驅動源和負載之間的扭轉軸的兩側安裝間的扭轉軸的兩側安裝有齒形圓盤。磁電傳感有齒形圓盤。磁電傳感器的檢測元件部分由永器的檢測元件部分由永久磁鐵、感應線圈和鐵久磁鐵、感應線圈和鐵芯組成。芯組成。一、磁電式扭矩傳感器一、磁電式扭矩傳感器7.3 磁電式傳感器應用當齒形圓盤旋轉時，當齒形圓盤旋轉時，圓盤齒凸凹引起磁路氣圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變化，在線圈中感隙的變化，在線圈中感應出交流電壓，其頻率應出交流電壓，其頻率在數(shù)值上等于圓盤上齒在數(shù)值上等于圓盤上齒數(shù)與轉數(shù)的乘積。數(shù)與轉數(shù)的乘積。檢測磁場是霍爾式傳感器檢測磁場是霍爾式傳感器最典型的應用之一。最典型的應用之一?；魻柶骷龀筛鞣N形式的霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，使磁探頭，放在被測磁場中，使磁力線和器件表面垂直，通電后力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測磁場的