傳感器原理及應(yīng)用第7章

1、傳感器原理及應(yīng)用 Principles and Applications of Sensors主講：楊喜峰第七章作 業(yè)第二版教材126-127頁： 練習(xí)題：7-5，7-6，7-9 第三版教材124頁： 練習(xí)題：7-5，7-6，7-9 磁電作用 被測(cè)非電量電信號(hào)測(cè)量電路U、I 第七章 磁電式傳感器 磁電式傳感器的定義 通過磁電作用，被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。磁電式傳感器的感測(cè)量 磁場(chǎng)、速度、位移、加速度、壓力、電流等。磁電式傳感器的種類 根據(jù)工作原理：感應(yīng)式、霍爾式和磁敏式等。7.1 磁電感應(yīng)式傳感器7.2 霍爾式傳感器7.3 磁敏式傳感器7.4 磁電式傳感器應(yīng)用 第七章 磁電式傳感器 磁

2、電感應(yīng)式傳感器：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)的一種傳感器。有源傳感器：不需要輔助電源，就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)。特點(diǎn)：輸出功率大，性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（101000 Hz）。一、磁電感應(yīng)式傳感器概述7.1 磁電感應(yīng)式傳感器根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場(chǎng)中，沿垂直磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為 B穩(wěn)恒均勻磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；l導(dǎo)體有效長度；v導(dǎo)體相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度。 二、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理1、恒磁通式工作原理變磁通式恒磁通式分類感生電動(dòng)勢(shì)原理動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)原理7.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，磁路中的工作氣

3、隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。 二、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理1、恒磁通式工作原理彈簧較軟，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對(duì)較大。當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件慣性很大，來不及隨振動(dòng)體一起振動(dòng)，近乎靜止不動(dòng)，振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收。永久磁鐵與線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體振動(dòng)速度，磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。7.1 磁電感應(yīng)式傳感器當(dāng)一個(gè)W匝線圈相對(duì)靜止地處于隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)E與磁通變化率d/dt關(guān)系為二、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理2、變磁通式工作原理1永久磁鐵； 2軟磁鐵；3感應(yīng)線圈；

4、4鐵齒輪；開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，隨被測(cè)體一起轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(shì)。感應(yīng)電勢(shì)變化頻率等于被測(cè)轉(zhuǎn)速與測(cè)量齒輪上齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號(hào)較小，不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。 7.1 磁電感應(yīng)式傳感器當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路時(shí)，Rf為測(cè)量電路輸入電阻，R為線圈等效電阻，則磁電傳感器的輸出電流和電壓為 三、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性1、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靈敏度為 靈敏度相對(duì)誤差為 靈敏度誤差：工作溫度變化、外界磁場(chǎng)干擾、機(jī)械振動(dòng)或沖擊，靈敏度會(huì)變化。7.

5、1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因：電流磁場(chǎng)效應(yīng)。三、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性2、磁電傳感器的非線性誤差傳感器線圈內(nèi)流過電流時(shí)，產(chǎn)生一定的交變磁通，疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化。當(dāng)傳感器線圈相對(duì)于永久磁鐵磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度增大時(shí)，產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)方向與原工作磁場(chǎng)方向相反，減弱了工作磁場(chǎng)的作用，傳感器的靈敏度隨著被測(cè)速度的增大而降低。傳感器電流的磁場(chǎng)效應(yīng) 7.1 磁電感應(yīng)式傳感器三、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性2、磁電傳感器的非線性誤差當(dāng)線圈的運(yùn)動(dòng)速度反向時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)、線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)方向與工作磁場(chǎng)同向，從而增大了傳感器的靈敏度。因此，線圈

6、運(yùn)動(dòng)速度方向不同時(shí)，傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值，使傳感器輸出基波能量降低，諧波能量增加, 即這種非線性特性同時(shí)伴隨著傳感器輸出的諧波失真。 傳感器靈敏度越高，線圈中電流越大，這種非線性越嚴(yán)重。 傳感器電流的磁場(chǎng)效應(yīng) 7.1 磁電感應(yīng)式傳感器三、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性3、磁電傳感器的溫度誤差當(dāng)溫度變化每攝氏度時(shí)，對(duì)銅線變化量為dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-2，dB/B的變化量決定于永久磁鐵的磁性材料。對(duì)鋁鎳鈷永久磁合金，dB/B-0.0210-2，靈敏度隨溫度變化誤差為這一數(shù)值是很可觀的，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。熱磁分流器補(bǔ)償：熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成

7、。在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分掉一小部分。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降，經(jīng)分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低，從而保持空氣隙的工作磁通不隨溫度變化，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。 四、磁電感應(yīng)式傳感器測(cè)量電路 7.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器直接輸出電動(dòng)勢(shì)，且通常具有高的靈敏度，一般不需要高增益放大器。磁電感應(yīng)式傳感器是速度傳感器，若要獲得被測(cè)位移或加速度信號(hào)，則需配用積分電路或微分電路。7.1 磁電感應(yīng)式傳感器7.2 霍爾式傳感器7.3 磁敏式傳感器7.4 磁電式傳感器應(yīng)用 第七章 磁電式傳感器 霍爾：1879年設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體，當(dāng)通電流I時(shí)FL =

8、qvB一、霍爾效應(yīng)7.2 霍爾式傳感器UHbldIFFvB當(dāng)電場(chǎng)力與洛侖茲力相等時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，有qEH=qvB霍爾電場(chǎng)的強(qiáng)度為EH=vB霍爾電壓UH可表示為UH = EH b = vBb流過霍爾元件的電流為I=dQ/dt=bdvnq；v=I/nqbdUH=BI/nqd；若取RH = 1/nq則有RH被定義為霍爾元件的霍爾系數(shù)?；魻栂禂?shù)由半導(dǎo)體材料性質(zhì)決定，反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。一、霍爾效應(yīng)7.2 霍爾式傳感器UHbldIFFvB霍爾電壓為霍爾元件的靈敏度： 一個(gè)霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓的大小。KH即為霍爾元件的靈敏度。霍爾電壓與材料的性質(zhì)有關(guān)；與元件的尺寸有

9、關(guān)?；魻栐夯诨魻栃?yīng)工作的半導(dǎo)體器件?；魻栐牧希憾嗖捎肗型半導(dǎo)體材料?；魻栐M成：霍爾片、四根引線和殼體。二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性7.2 霍爾式傳感器最常用的霍爾元件材料有：鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導(dǎo)體材料?；魻栐臍んw：用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。1、霍爾元件的構(gòu)造霍爾片是一塊半導(dǎo)體單晶薄片(420.1mm3)，長度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，通常用紅色導(dǎo)線，稱為控制電極；在另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)的形式對(duì)稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導(dǎo)線，稱為霍爾電極。二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性7.2 霍爾式傳感器鍺（Ge）：靈敏度低

10、、溫度特性及線性度好。銻化銦（InSb）：靈敏度最高、受溫度影響大。1、霍爾元件的構(gòu)造濺射工藝制作的銻化銦霍爾元件輸出1輸出2輸入1輸入2磁性頂端引線襯底霍爾元件霍爾元件電路圖形符號(hào)： 11 激勵(lì)電極22 霍爾電極（1）基本連接方式與測(cè)量電路二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性7.2 霍爾式傳感器2、霍爾元件的測(cè)量電路W1W2UHUH（2）直流供電輸出方式控制電流端并聯(lián)，輸出電勢(shì)兩倍。（3）交流供電輸出方式控制電流端串聯(lián)，繞阻疊加輸出。WUHRLE（1）額定功耗在環(huán)境溫度25時(shí)，允許通過霍爾元件的電流和電壓的乘積。二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性7.2 霍爾式傳感器3、霍爾元件的技術(shù)參數(shù)（4）霍爾溫度系數(shù)在一定的

11、磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度變化1時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率。（2）輸入電阻和輸出電阻輸入電阻：控制電流極之間的電阻。輸出電阻：霍爾元件電極間的電阻。在無磁場(chǎng)時(shí)用歐姆表等測(cè)量。（3）不平衡（等位）電勢(shì)在額定控制電流下，不加磁場(chǎng)時(shí)霍爾電極間的空載霍爾電勢(shì)。（5）內(nèi)阻溫度系數(shù)霍爾元件在無磁場(chǎng)及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1時(shí)，輸入電阻與輸出電阻變化的百分率。（6）靈敏度霍爾元件不等位電動(dòng)勢(shì)也叫傳感器輸出電壓的零位誤差。三、霍爾元件測(cè)量誤差和補(bǔ)償7.2 霍爾式傳感器1、零位誤差及補(bǔ)償方法AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4不等位電動(dòng)勢(shì)與等效電路電橋補(bǔ)償原理：在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻。溫度影響電阻

12、率、遷移率、載流子濃度，導(dǎo)致霍爾元件內(nèi)阻、霍爾電勢(shì)隨溫度變化。三、霍爾元件測(cè)量誤差和補(bǔ)償7.2 霍爾式傳感器2、溫度誤差及補(bǔ)償方法基本電路與等效電路（1）輸入回路串聯(lián)電阻補(bǔ)償EIUHRUHtRt(t)RIUHERi(t)（2）輸出回路負(fù)載電阻補(bǔ)償霍爾元件的輸入采用恒流源，使控制電流穩(wěn)定不變。IIRLUH基本電路（3）恒流源補(bǔ)償當(dāng)負(fù)載電阻比霍爾元件輸出電阻大得多時(shí)，輸出電阻變化對(duì)霍爾電壓輸出的影響很小。在這種情況下，可考慮在輸入端采用恒流源補(bǔ)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。三、霍爾元件測(cè)量誤差和補(bǔ)償7.2 霍爾式傳感器2、溫度誤差及補(bǔ)償方法（4）熱敏電阻補(bǔ)償

13、對(duì)于用溫度系數(shù)大的半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件，常采用熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償。霍爾輸出隨溫度升高而下降，只要能使控制電流隨溫度升高而上升，就能補(bǔ)償。RRt輸入回路補(bǔ)償：在輸入回路串入熱敏電阻，當(dāng)溫度上升時(shí)其阻值下降，從而使控制電流上升。三、霍爾元件測(cè)量誤差和補(bǔ)償7.2 霍爾式傳感器2、溫度誤差及補(bǔ)償方法（4）熱敏電阻補(bǔ)償輸出回路補(bǔ)償：在負(fù)載RL上的霍爾電勢(shì)隨溫度上升而下降的量被熱敏電阻阻值減小所補(bǔ)償。實(shí)際使用熱敏電阻補(bǔ)償時(shí)，熱敏電阻最好與霍爾元件封在一起或靠近，溫度變化一致。（5）電橋補(bǔ)償調(diào)節(jié)電位器W1可消除不等位電勢(shì)。電橋由溫度系數(shù)低的電阻構(gòu)成，在某一橋臂電阻上并聯(lián)一熱敏電阻。RLRRtw1w2E1w

14、3R2R3R4R1E2RtUHt（1） 霍爾電壓的溫度穩(wěn)定性好最大優(yōu)點(diǎn)是在恒流工作時(shí)溫度穩(wěn)定性好，溫度變化10，輸出電壓變化不超過 -0 .6。（2） 輸出線性好最大誤差只有2%。完全可以滿足一般的用途。（3）靈敏度低在500高斯左右開始達(dá)到飽和。 （4）不平衡電壓隨溫度變化大在弱磁場(chǎng)中(10高斯以下)不如InSb霍爾傳感器。四、常用霍爾傳感器GaAs和InSb7.2 霍爾式傳感器1、GaAs霍爾傳感器種類THS103ATHS106AGaAsGaAs霍爾電壓50120mV1mA1k高斯65170mV輸入電阻450900450900溫度系數(shù)-0.06%-0.06%價(jià)格4元4元InSb霍爾傳感器與

15、GaAs的特性幾乎相反。（1）不平衡電壓穩(wěn)定性好InSb霍爾傳感器在恒壓工作時(shí)不平衡電壓的穩(wěn)定性很好，噪音也小，可很好地在弱磁場(chǎng)中工作測(cè)量。（2）霍爾電壓的溫度穩(wěn)定性不好在恒流工作時(shí)其溫度系數(shù)最大為-2%/，GaAs的3040倍。為了改善InSb霍爾傳感器的溫度特性，采用恒壓工作，可降低溫度系數(shù)近10倍。四、常用霍爾傳感器GaAs和InSb7.2 霍爾式傳感器2、InSb霍爾傳感器（3）InSb霍爾傳感器的頻率特性不太好在理論上GaAs霍爾傳感器的頻帶在兆赫以上，而實(shí)際上是達(dá)不到的，但無論如何也會(huì)有InSb霍爾傳感器（大約在數(shù)kHz至數(shù)十kHz）數(shù)十倍以上的帶寬。集成霍爾傳感器：利用硅集成電路

16、工藝將霍爾元件和測(cè)量線路集成在一起的霍爾傳感器，取消了傳感器和測(cè)量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器由于減少了焊點(diǎn)，顯著地提高了可靠性，還具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。五、集成霍爾傳感器 7.2 霍爾式傳感器1、開關(guān)型集成霍爾傳感器霍爾開關(guān)電路開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號(hào)。 霍爾開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級(jí)五部分組成。五、集成霍爾傳感器 7.2 霍爾式傳感器2、線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器：霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。輸出電壓與外

17、加磁場(chǎng)成線性比例關(guān)系。 一般由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成。線性霍爾集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場(chǎng)、電流等的測(cè)量或控制。7.1 磁電感應(yīng)式傳感器7.2 霍爾式傳感器7.3磁電式傳感器應(yīng)用 第七章 磁電式傳感器 在驅(qū)動(dòng)源和負(fù)載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤。磁電傳感器的檢測(cè)元件部分由永久磁鐵、感應(yīng)線圈和鐵芯組成。一、磁電式扭矩傳感器7.4 磁電式傳感器應(yīng)用當(dāng)齒形圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變化，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。檢測(cè)磁場(chǎng)是霍爾式傳感器最典型的應(yīng)用之一?；魻柶骷龀筛鞣N形式的探頭，放在被測(cè)磁場(chǎng)中，使

18、磁力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性正比的電壓。二、霍爾元件檢測(cè)磁場(chǎng)7.4 磁電式傳感器應(yīng)用電位差計(jì)mAESNR霍爾磁敏傳感器測(cè)磁場(chǎng)原理A霍爾元件置于磁場(chǎng)中，左半部磁場(chǎng)方向向上，右半部磁場(chǎng)方向向下。從a端通人電流I，左和右半部產(chǎn)生霍爾電勢(shì)UH1和UH2，方向相反。因此，c、d兩端電勢(shì)為UH1-UH2。若霍爾元件在初始位置時(shí)UH1=UH2，則輸出為零。改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對(duì)位置時(shí)，可得輸出電壓，大小正比于位移量。三、霍爾式位移傳感器7.4 磁電式傳感器應(yīng)用加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對(duì)位移，改變作用到霍爾元件上的磁場(chǎng)，從而改變它的輸出電壓UH。由事先校準(zhǔn)的Pf(UH)曲線即可得到被測(cè)壓力的值。 四、霍爾式壓力傳感器7.4 磁電式傳感器應(yīng)用霍爾元件磁鋼壓力P波登管N SS N五、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器7.4 磁電式傳感器應(yīng)用霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)輸入軸輸入軸霍爾式傳感器六、霍爾式計(jì)數(shù)裝置7.4 磁電式傳感器應(yīng)用霍爾開關(guān)傳感器絕緣板磁鐵NS霍爾計(jì)數(shù)裝置及電路+12VSL3051ASVT+VC