第7章 磁電式傳感器

1、第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器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第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器磁電式傳感器磁電式傳感器: 通過(guò)磁電作用將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成 電信號(hào)的一種傳感器。 主要類(lèi)型主要類(lèi)型: 磁電感應(yīng)式傳感器 霍爾式傳感器第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器7.1磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器又稱(chēng)磁電式傳感器。傳感機(jī)理：利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（如振動(dòng)、位 移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。它不需要輔助 電源，是一種有源傳感器。一、一、 磁電感應(yīng)式傳感器工作原理磁電感

2、應(yīng)式傳感器工作原理線(xiàn)圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)e與磁通變化率d/dt之間關(guān)系: dtdWe 磁電傳感器結(jié)構(gòu): 變磁通式 恒磁通式。 磁阻式第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器1變磁通式傳感器變磁通式傳感器 （磁阻式）（磁阻式） 工作原理：被測(cè)量磁路磁阻變化 磁通變化 產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e f = Z n60 (Hz)第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器 CS-CCT-01 該磁電式轉(zhuǎn)速傳感器常用于發(fā)動(dòng)機(jī)速度測(cè)量，當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)傳感器線(xiàn)圈的磁力線(xiàn)發(fā)生變化，在傳感器線(xiàn)圈中產(chǎn)生周期性的電壓，通過(guò)對(duì)該電壓處理計(jì)數(shù)，測(cè)出齒輪的轉(zhuǎn)速。特點(diǎn)：特點(diǎn)：可檢測(cè)齒輪、曲軸、輪輻、等轉(zhuǎn)動(dòng)且有縫隙的表

3、面輸出信號(hào)強(qiáng)抗干擾性能力強(qiáng) 無(wú)需供電無(wú)需控制裝置提供任何激勵(lì)電路安裝使用方便 可在煙霧、油氣、水氣等惡劣環(huán)境中使用第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器輸出電壓的變化：輸出電壓的變化：輸出電壓隨轉(zhuǎn)速增加而增加，輸出電壓隨氣隙增大而減小，輸出電壓波形取決于齒輪相對(duì) 于敏感頭的尺寸和形狀。主要參數(shù)：主要參數(shù)：檢測(cè)距離（敏感頭和齒輪之間垂直距離范圍）：0.251.02mm工作溫度：-10+125齒直徑：0.51mm直流電阻：20015(25)測(cè)速范圍：7099999轉(zhuǎn)/分輸出電壓：130V正弦波信號(hào)輸出阻抗 200輸出頻率：HZ=齒輪數(shù)量*齒轉(zhuǎn)速/60抗振動(dòng)：20g第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器

4、2恒磁通式磁電傳感器恒磁通式磁電傳感器 組成組成:永久磁鐵、線(xiàn)圈、彈簧、金屬骨架等。 第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器磁鐵與線(xiàn)圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線(xiàn), 從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為 e = - B0 l W v (7 - 3) 式中: B0 工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度; l每匝線(xiàn)圈平均長(zhǎng)度; W線(xiàn)圈在工作氣隙磁場(chǎng)中的匝數(shù); v相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。 二、二、 磁電感應(yīng)式傳感器基本特性磁電感應(yīng)式傳感器基本特性 測(cè)量電路接入磁電傳感器電路中, 磁電傳感器的輸出電流Io為 Io = （7 - 4）式中: R f測(cè)量電路輸入電阻; R 線(xiàn)圈等效電阻。ffRRlWvBRRE0第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器的電流靈

5、敏度為 SI= (7 - 5)傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為 (7 - 6) (7 - 7) 當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場(chǎng)干擾、 機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí), 其靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差。 相對(duì)誤差為 (7 - 8)fRRlWBvI0fffRRlWvRBRIU000ffURRlWRBvUS00RdRLdLBdBsdsII第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器1.非線(xiàn)性誤差非線(xiàn)性誤差2.產(chǎn)生原因： 線(xiàn)圈內(nèi)電流I交變磁通I -I +I附加磁通削弱工作磁通附加磁通增強(qiáng)工作磁通導(dǎo)致非線(xiàn)性誤差補(bǔ)償方法補(bǔ)償方法:傳感器中加入?yún)?shù)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償線(xiàn)圈（如 圖7-2所示） 產(chǎn)生交變磁通2 2 與1相抵消第

6、第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器2、溫度誤差、溫度誤差原因：T變化靈敏度變化測(cè)量誤差 T變化時(shí)，dB/B、 dl/l、 dR/R均不為 0。補(bǔ)償方法： 采用熱磁分流器 T正常時(shí)，分路掉一小部分工作磁通 T時(shí)，分路掉的磁通顯著降低為一負(fù)值工作磁通增加恒定銅線(xiàn):dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-2 dB/B-0.0210-2 t(-4.5%)/10 RdRLdLBdBsdsII由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器 三、磁電式傳感器測(cè)量電路三、磁電式傳感器測(cè)量電路測(cè)量圖如下圖所示：當(dāng)S在“1”時(shí)，經(jīng)過(guò)一微分電路，可測(cè)加速度。當(dāng)S在“2”時(shí)，經(jīng)

7、過(guò)一積分電路，可測(cè)位移。當(dāng)S在“3”時(shí)，傳感器輸出信號(hào)直接送主放大器，可測(cè)速度。第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器四、四、 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(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器DM6200系列振動(dòng)速度傳感器 第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器1HZ地脈動(dòng)測(cè)試傳感器地脈動(dòng)測(cè)試傳感器 EG-1地脈動(dòng)檢波器是把地震信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種動(dòng)圈式速度型傳感器。該檢波器具有靈敏度高，一致性好，結(jié)構(gòu)牢靠，密封防水性好等特點(diǎn)，可用于天然地震檢測(cè)和建筑工程地脈動(dòng)測(cè)試等方面的低頻測(cè)振。 第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器NE6100

8、磁電式轉(zhuǎn)速傳感器 NE360300磁電式速度傳感器 NE360400磁電式速度傳感器 NE360200磁電式速度傳感器 NE360100磁電式速度傳感器 NE3600 系列磁電式速度傳感器 第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器NE6100磁電式轉(zhuǎn)速傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器又稱(chēng)為變磁阻式或變氣隙式傳感器名稱(chēng):NE6100磁電式轉(zhuǎn)速傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器是高性?xún)r(jià)比、用途廣泛的常用轉(zhuǎn)速傳感器。NE360300磁電式速度傳感器名稱(chēng):NE3600系列磁電式速度傳感器兼容EPRO公司PR9266頻率響應(yīng)：NE360300：101000Hz(-3db) 靈敏度：NE360300：30mv/mm/s，峰值3%

9、線(xiàn)性度：2% 橫向靈敏度：4%最大 最大振幅：NE360300：1000um（峰峰值） 工作與儲(chǔ)存溫度：-20+120。NE360400磁電式速度傳感器名稱(chēng):NE3600系列磁電式速度傳感器兼容EPRO公司 PR9268 頻率響應(yīng)：NE360400：41000Hz(-3db)。 靈敏度：NE360400：28.5mv/mm/s，峰值5%。 線(xiàn)性度：2%。 橫向靈敏度：4%最大 最大振幅： NE360400：3000um（峰峰值） 工作與儲(chǔ)存溫度：-20+120。第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器NE360200磁電式速度傳感器名稱(chēng):NE3600系列磁電式速度傳感器兼容BENTLY公司9200

10、速度傳感 頻率響應(yīng)：最小工作頻率到1000Hz（-3db)。 靈敏度：20mv/mm/s(500mV/inch/sec)，峰值5% （在100Hz，速度為25mm/s情況下測(cè)得）。 橫向靈敏度：10%最大。 所帶電纜長(zhǎng)度：在速度傳感器和監(jiān)測(cè)器之間 最大為1000feet（305m。） 工作與儲(chǔ)存溫度范圍： 普通型：-29到120； 高溫型：-29到+200NE360100磁電式速度傳感器名稱(chēng):NE3600系列磁電式速度傳感器頻率響應(yīng)： NE360100/01：101000Hz（-3db） NE360100/02： 51000Hz（-3db) NE360100/03： 51000Hz（-3db）

11、 靈敏度：20mv/mm/s,峰值 5%（在20Hz，速度為10mm/s情況下測(cè)得）。 幅值線(xiàn)性度：3% 橫向靈敏度比：5% 最大可測(cè)位移：1mm（單峰值）NE3600 系列磁電式速度傳感器名稱(chēng):NE3600系列磁電式速度傳感器NE3600磁電式速度傳感器是慣性式傳感器，它利用磁電感應(yīng)原理把振動(dòng)信號(hào)變換成電壓信號(hào)，該電壓正比于振動(dòng)速度值。 技術(shù)特點(diǎn)： 1）可以兼顧高、中、低頻振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用，符 合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)評(píng)價(jià)的要求。 2）有較低的輸出阻抗和良好的性噪比，與其 它設(shè)備連接方便，對(duì)電纜和接插件無(wú)特殊 要求，安裝簡(jiǎn)單，易于使用。 3）靈活性好，可測(cè)量微小的振動(dòng)（um級(jí)）。 4）有一定的抗

12、橫向振動(dòng)能力（10g峰值）。第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器2. 磁電式扭矩傳感器磁電式扭矩傳感器 第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器7.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器霍爾傳感器:基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。用途:用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方 面的測(cè)量。 第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器一、霍爾效應(yīng)及霍爾元件一、霍爾效應(yīng)及霍爾元件 1. 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)在其兩端通以電流時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)。相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)被稱(chēng)為霍爾電動(dòng)勢(shì)霍爾電動(dòng)勢(shì)半導(dǎo)體薄片被稱(chēng)為霍爾片霍爾片或霍爾元件

13、霍爾元件第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器霍爾效應(yīng)演示霍爾效應(yīng)演示 當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。c cd da ab b第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器電磁力(洛侖磁力)fL大小為 f L = e B v （7 - 9）式中: e電子電荷; v電子運(yùn)動(dòng)平均速度; B磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。霍爾電場(chǎng)EH強(qiáng)度為 EH = （7 - 10）霍爾電場(chǎng)的作用力, f E = e E H e E H = e v B （7 - 11）則

14、 E H = v B （7 - 12）設(shè):金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n, 電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度為v, 則: 激勵(lì)電流 I = n e v b d , 則 v = （7 - 13）bUHbdneI第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器將式（7 -13）代入式（7 - 12）得 E H = （7 -14）將上式代入式（7 - 10）EH = 得 U H = （7 -15） 令R H = 1/ne -霍爾常數(shù), 大小取決于導(dǎo)體載流子密度，則霍爾電勢(shì)可用下式表示: UH = RH （7 - 16）式中：K H 霍爾片的靈敏度，K H = R H / d ； R H 霍爾常數(shù)(霍爾系數(shù))； I控制電流；

15、 B 磁感應(yīng)強(qiáng)度； d霍爾元件厚度。nebdIBnedIBIBKdIBHbUH第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器結(jié)論結(jié)論： 霍爾電勢(shì)正比于激勵(lì)電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，其靈敏度與霍爾系數(shù)RH成正比而與霍爾片的厚度d成反比，為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。 霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積。而半導(dǎo)體材料（尤其是N型半導(dǎo)體材料）的電阻率大，載流子遷移率高，因而可以獲得很大的霍爾系數(shù)，適合制造霍爾元件。 目前常用的霍爾元件材料有：鍺、硅、砷化銦、銻化銦、砷化稼等。dIBRUHH 第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器2. 霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件基本結(jié)構(gòu)第第7章章 磁電式傳感器磁電式

16、傳感器 霍爾元件基本特性霍爾元件基本特性 1） 額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流 2） 輸入電阻R i和輸出電阻R 0 3） 不等位電勢(shì)U 0和不等位電阻r0 4） 寄生直流電勢(shì) 5） 霍爾電勢(shì)溫度系數(shù) 6）靈敏度KH 7）電阻溫度系數(shù) 8）靈敏度系數(shù) 9）霍爾電壓對(duì)磁場(chǎng)的非線(xiàn)性第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器 3. 霍爾元件基本特性霍爾元件基本特性 1） 額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流額定激勵(lì)電流額定激勵(lì)電流:當(dāng)霍爾元件自身溫升10時(shí)所流過(guò)的激勵(lì) 電流。最大允許激勵(lì)電流：最大允許激勵(lì)電流：以元件允許最大溫升為限制所對(duì)應(yīng) 的激勵(lì)電流。 2） 輸入電阻R i和輸出電阻R 0輸入電阻輸入電阻R

17、i： 激勵(lì)電極間的電阻。輸出電阻輸出電阻R 0 ：霍爾電壓極間電阻。(額定控制電流)第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器3） 不等位電勢(shì)U 0和不等位電阻r0不等位電動(dòng)勢(shì)：不等位電動(dòng)勢(shì)：霍爾元件在額定控制電流作用下，不加 外磁場(chǎng)時(shí)，其霍爾電壓電極間的電動(dòng)勢(shì)。產(chǎn)生不等位電勢(shì)的原因原因有: 霍爾電極安裝位置不對(duì)稱(chēng)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(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。 不等位電阻不等位電阻r0：不等位電動(dòng)勢(shì)與額定控制電流之比。 r0 = U0 / I 第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器4） 寄生直流電勢(shì) 在不加外磁場(chǎng)時(shí)，交流控

18、制電流通過(guò)霍爾元件而在霍爾電極間產(chǎn)生的直流電動(dòng)勢(shì)。 產(chǎn)生的原因有: 激勵(lì)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(gè)霍爾電極大小不對(duì)稱(chēng), 則兩個(gè)電極點(diǎn)的熱容不同, 散熱狀態(tài)不同形成極向溫差電勢(shì)。5） 霍爾電勢(shì)溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下, 溫度每變化1時(shí), 霍爾電勢(shì)變化的百分率。它也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。 第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器6）靈敏度KH靈敏度：在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下，通以單位控制電流所產(chǎn) 生的霍爾電壓。7）電阻溫度系數(shù)為溫度每變化1霍爾元件材料的電阻變化的百分率。8）靈敏度系數(shù)為溫度每變化1霍爾元件靈敏度變化率。9）霍爾電壓對(duì)磁場(chǎng)的非線(xiàn)性%100

19、)()()(BUBUBUNHHHL式中：）（、BUBUHH)(分別為在一定磁場(chǎng)B下，實(shí)際測(cè)量的霍爾 電壓和理論值第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器4.霍爾元件不等位電勢(shì)補(bǔ)償霍爾元件的等效電路圖如圖7-12示A、B為霍爾電極C、D為激勵(lì)電極(1)理想情況下，r1=r2=r3=r4電橋平衡，不等位電勢(shì)U0=0；(2)實(shí)際情況下，四個(gè)電阻并不完全相等，電橋不平衡，產(chǎn)生U0輸出；(3)補(bǔ)償辦法：加平衡電阻，并調(diào)節(jié)之，使電橋平衡；第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器7霍爾元件的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍霍爾元件的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍(1)特點(diǎn)特點(diǎn)1) 可測(cè)磁物理量及電量，可通過(guò)轉(zhuǎn)換測(cè)量其他非2) 電量；2) 可方便準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，可構(gòu)成各種非線(xiàn)性運(yùn)算部件； 3) 頻率范圍寬；4) 體積小、重量輕、使用方便；5) 穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)可使用無(wú)限次；6) 測(cè)量方式是非接觸測(cè)量。第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器(2)應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍 保持