傳感器原理及應(yīng)用-第7章 - 磁電式傳感器課件

1、磁電作用 被測非電量電信號測量電路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，被測非電量轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。磁電式傳感器的感測量 磁場、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、霍爾式等。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 磁電感應(yīng)式傳感器：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。有源傳感器：不需要輔助電源，就能把被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號。特點：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.

2、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)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為 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勢原理動生電動勢原理7.1 磁電感應(yīng)式傳感器當(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鐵齒輪；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

3、勢。感應(yīng)電勢變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪上齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。 7.1 磁電感應(yīng)式傳感器當(dāng)測量電路接入磁電傳感器電路時，Rf為測量電路輸入電阻，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 靈敏度誤差：工作溫度變化、外界磁場干擾、機(jī)械振動或沖擊，靈敏度會變化。7.1 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，產(chǎn)生一定的交變磁通，疊加在永久磁鐵所產(chǎn)

4、生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化。當(dāng)傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場的運動速度增大時，產(chǎn)生的附加磁場方向與原工作磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用，傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。傳感器電流的磁場效應(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)線圈的運動速度反向時，感應(yīng)電勢、線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn)生的附加磁場方向與工作磁場同向，從而增大了傳感器的靈敏度。因此，線圈運動速度方向不同時，傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值。 傳感器靈敏度越高，線圈中電流越大，這種非線性越嚴(yán)重。 傳感器電流的磁場效應(yīng) 四、磁電感應(yīng)式傳感器測量電路 7.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感

5、應(yīng)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。磁電感應(yīng)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?；魻枺?879年設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體，當(dāng)通電流I時fL = eBv一、霍爾效應(yīng)7.2 霍爾式傳感器UHbldIFFvB當(dāng)電場力與洛侖茲力相等時，達(dá)到動態(tài)平衡，有eEH= eBv霍爾電場的強(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=nevBdv=I/nebdUH=BI/ned取RH = 1/ne則有霍爾元件：基于霍爾效應(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

6、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)端面的中間以點的形式對稱地焊有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1、霍爾元件的構(gòu)造霍爾元件電路圖形符號： 11 激勵電極22 霍爾電極（1）基本連接方式與測量電路二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)與

7、特性7.2 霍爾式傳感器2、霍爾元件的測量電路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，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)在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度變化1時，霍爾電勢變化的百分率。（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。在無磁場時用歐姆表等測量。（3）不平衡（等位）電勢在額定控制電流下，不加磁場時霍爾電極間的空載霍爾電勢。（5）內(nèi)阻

8、溫度系數(shù)霍爾元件在無磁場及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1時，輸入電阻與輸出電阻變化的百分率?；魻栐坏任浑妱觿菀步袀鞲衅鬏敵鲭妷旱牧阄徽`差。三、霍爾元件測量誤差和補(bǔ)償7.2 霍爾式傳感器1、零位誤差及補(bǔ)償方法AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4不等位電動勢與等效電路電橋補(bǔ)償原理：在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻。三、霍爾元件測量誤差和補(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)償對于用溫度系數(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?；魻栞敵鲭S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。實際使用熱敏電阻補(bǔ)償時，熱敏電阻最好與霍爾元件封裝在一起或靠近

9、，溫度變化一致。RRtRLRRt輸入回路補(bǔ)償輸出回路補(bǔ)償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 檢測磁場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，放在被測磁場中，使磁力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性正比的電壓。二、霍爾元件檢測磁場7.3 磁電式傳感器應(yīng)用電位差計mAESNR霍爾磁敏傳感器測磁場原理霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半部磁場方向向下。從a端通入電流I，左和右半部產(chǎn)生霍爾電勢UH1和UH2，方向相反。因此，c、d兩端電勢為UH1-UH2。若霍爾元件在初始位置時UH1=UH2，則輸出為零。改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時，可得輸出電壓，大小正比于位移量。三、霍爾式位移傳感器7.3 磁電式傳感器應(yīng)用五、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器7.3 磁電式傳感