傳感技術(shù)及應用-5-new(磁電式傳感器)課件

1、第五章 磁電式傳感器第七章 磁傳感器 磁是人們所熟悉的一種物理現(xiàn)象，因此磁傳感器具有古老的歷史。最簡單的把磁轉(zhuǎn)換成電的磁傳感器就是線圈，根據(jù)電磁感應定律，在切割磁通的電路里，產(chǎn)生與磁通相變化速率成正比的感應電動勢。 現(xiàn)代的磁傳感器已向固體化發(fā)展，它是利用磁場作用使物質(zhì)的電性能發(fā)生變化的各種物理效應制成的，從而使磁場強度轉(zhuǎn)換為電信號。 磁傳感器的種類較多，制作傳感器的材料有半導體、磁性體、超導體等，不同材料制作的磁傳感器其工作原理和特性也不相同。第五章 磁電式傳感器5-1 磁電感應式傳感器第五章 磁電式傳感器 它是利用導體和磁場發(fā)生相對運動而在導體兩端輸出感應電動勢的，是一種機電能量變換型傳感器

2、，不需要供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應范圍（一般為101000），適用于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。工作原理：法拉第電磁感應定律當N匝線圈在一恒定磁場中作“切割”磁力線運動時，感應電勢為分類：恒定磁通式變磁通式第五章 磁電式傳感器變磁通磁電感應式傳感器第五章 磁電式傳感器磁電式回轉(zhuǎn)檢測器第五章 磁電式傳感器在車輛中的應用測速第五章 磁電式傳感器車輛在運行過程中，前后輪速度傳感器通過磁電感應將車輪速度轉(zhuǎn)化成電壓信號，然后經(jīng)過線路將該電壓信號傳輸?shù)诫娮涌刂破鳎‥CU）中，電子控制器根據(jù)預先設(shè)置的程序隨時對各車輪傳感器的輸入信號進行監(jiān)測，從

3、而判斷是否有必要進入到ABS制動狀態(tài)。5-2 霍爾傳感器 霍爾傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應原理而將被測量，如電流、磁場、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。 一、霍爾效應 霍爾效應是導電材料中的電流與磁場相互作用而產(chǎn)生電動勢的物理效應。 置于磁場中的靜止載流體中，若電流方向與磁場方向不相同，則在載流體的垂直于電流與磁場方向所組成的兩個側(cè)面將產(chǎn)生電動勢。這一現(xiàn)象為美國物理學家愛德文霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)，稱為霍爾效應，相應的電動勢稱為霍爾電勢。第五章 磁電式傳感器磁場中運動載流子的偏轉(zhuǎn)第五章 磁電式傳感器霍爾元件砷化鈉霍爾器件溫度系數(shù)小，靈敏度高，線性度好，溫漂小，穩(wěn)定性高，體積小第五章

4、 磁電式傳感器4、不等位電勢V0及零位電阻r0 當控制磁感應強度為零，控制電流為額定值IH時，霍爾電極間的空載電勢稱為不等位電勢（或零位電勢）。 第五章 磁電式傳感器不等位電勢也可用不等位電阻表示： 零位電阻 第五章 磁電式傳感器三、霍爾片的電路 1、不等位電勢的補償 由于不等位電勢與不等位電阻是一致的，因此可以用分析其電阻的方法來進行補償。 第五章 磁電式傳感器ABCDIR1R2R3R4 補償原理： 將R1、R2、R3、R4其視為電橋的四個臂，即電橋不平衡，為使其平衡可在阻值較大的臂上并聯(lián)電阻，或在兩個臂上同時并聯(lián)電阻。 圖中A、B為控制電極，C、D為霍爾電極，在極間分布的電阻用R1、R2、

5、R3、R4表示，理想情況是R1R2R3R4，即零位電勢為零（或零位電阻為零）。但實際上存在著零位電勢，則說明此四個電阻不等。第五章 磁電式傳感器第五章 磁電式傳感器（1）采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻 溫度變化引起霍爾元件輸入電阻變化，在穩(wěn)壓源供電時，會使控制電流發(fā)生變化，帶來誤差。 為了減小這種誤差，最好采用恒流源，但霍爾片的靈敏度系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，為進一步提高VH的溫度穩(wěn)定性，對于具有正溫度系數(shù)的霍爾元件，可在其輸入回路中并聯(lián)電阻RP。 （推導過程見黑板）第五章 磁電式傳感器（2）采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻 當霍爾元件采用穩(wěn)壓電源供電，且霍爾輸出開路狀態(tài)工作時，可在輸入回路串入適

6、當電阻來補償溫度誤差。 （分析過程見黑板）第五章 磁電式傳感器穩(wěn)壓整形VCC輸出地123霍爾元件放大 當有磁場作用在傳感器上時，霍爾元件輸出霍爾電壓VH，該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特整形電路，當放大后的VH電壓大于“開啟”閾值時，施密特整形電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使半導體管導通“開狀態(tài)”；當磁場減弱時，霍爾元件輸出的VH很小，經(jīng)放入器放大后其值也小于施密特整形電路的“關(guān)閉”閾值，施密特整形電路再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，使半導體管截止，這種狀態(tài)為“關(guān)狀態(tài)”。一次磁場強度的變化，就使傳感器完成了一次開關(guān)動作。 工作原理：霍爾開關(guān)傳感器的用途： 霍爾開關(guān)集成傳感器基本用途有：汽車點火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)

7、速、里程測定、機械設(shè)備的限位開關(guān)、按鈕開關(guān)、電流的檢測與控制、位置及角度的檢測，等等。 第五章 磁電式傳感器 3020T輸出UoutR=2k+12V123（b）應用電路 （a）外型 霍耳開關(guān)集成傳感器的外型及應用電路123第五章 磁電式傳感器幾種接口電路形式第五章 磁電式傳感器幾種不同尺寸外形的霍爾開關(guān)第五章 磁電式傳感器五、霍爾線性集成傳感器 霍爾線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場呈線性比例關(guān)系。 穩(wěn)壓VCC輸出地123霍爾元件放大單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)第五章 磁電式傳感器霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性(1) 磁感應強度B/T5.64.63.62.61.6-0.3-0.2-0.100.1

8、0.20.3輸出電壓U/VSL3501T傳感器的輸出特性曲線第五章 磁電式傳感器六、霍爾傳感器的應用 霍爾元件可以測量磁物理量及電量、還可以通 過轉(zhuǎn)換測量其它非電量。 由于霍爾元件的輸出量是比例于兩個輸入量的 乘積，因此可以方便而準確地實現(xiàn)乘法運算， 可構(gòu)成各種非線性運算部件。 霍爾元件工作從直流到數(shù)百千赫茲的頻率范圍 內(nèi)。 霍爾元件在工程技術(shù)上的應用相當廣泛，具體產(chǎn)品有高斯計、霍爾羅盤、大電流計、功率計、位移傳感器、乘法器、調(diào)制器等。第五章 磁電式傳感器1、轉(zhuǎn)速測量 NS霍爾元件（轉(zhuǎn)角）VH02NS霍爾元件（轉(zhuǎn)角）VH0永磁體裝在軸端的轉(zhuǎn)速測量方法永磁體裝在軸側(cè)的轉(zhuǎn)速測量方法第五章 磁電式傳

9、感器第五章 磁電式傳感器工作原理及用途：被測體上貼一磁鋼，非接觸式測量，高可靠，適用于低轉(zhuǎn)速，體積小、安裝方便，對環(huán)境無要求，適合各種惡劣環(huán)境、污濁環(huán)境、功耗低，適宜長期工作?；魻柺睫D(zhuǎn)速計2、利用霍爾線性集成傳感器進行磁法覆蓋 層厚度測量 磁法覆蓋厚度測量是指對鐵磁性物質(zhì)表面非磁性涂層的厚度測量。 例如對鋼鐵表面的鍍膜、油漆、塑料、搪瓷等覆蓋層的厚度等便可使用磁法厚度測量的方法。第五章 磁電式傳感器U型鐵心永磁體鐵磁基體磁回路SL3501M覆蓋層 測量時將U形鐵芯的兩極放到被測物體表面上，這時永磁體產(chǎn)生的磁通便通過U形鐵芯和被測物體構(gòu)成磁回路。當被測物體表面覆蓋層厚度不同時，磁回路的磁阻和磁通

10、量將會發(fā)生變化，磁回路中的霍爾集成傳感器將會檢測出磁場強度的不同，從而使霍爾集成傳感器產(chǎn)生的輸出電壓隨覆蓋層厚度的不同而變化，完成覆蓋層非電量到電量的轉(zhuǎn)換。 將U型硅鋼片鐵芯中間斷開，然后將SL3501M霍爾線性集成傳感器和一片釹鐵硼永磁體夾在中間，用502膠粘牢。第五章 磁電式傳感器 霍爾集成傳感器內(nèi)部雖然設(shè)有差分放大器，但其輸出的電壓仍然滿足不了使用電路的要求，為此，將信號加一級放大，便可得到足夠大的信號幅度。5VIC1IC25VUOUT第五章 磁電式傳感器3、霍爾元件在電流測量上的應用 用霍爾元件測量電流，都是通過霍爾元件檢測通電導線周圍的磁場來實現(xiàn)的。第五章 磁電式傳感器 在現(xiàn)代工程技

11、術(shù)中，往往要測量大直流電流，有時直流電流值高達10KA以上。過去，多采用電阻器分流的方法來測量這樣大的電流。這種方法有許多缺點，如分流器結(jié)構(gòu)復雜、笨重、耗電、耗銅等。利用霍爾效應原理測量大電流可以克服上述的一些缺點?；魻栃箅娏饔嫿Y(jié)構(gòu)簡單、成本低、準確度高，在很大程度上與頻率無關(guān)，便于遠距離測量，測量時不需要斷開回路。 （1）導線旁測法 這種方法是一種最簡單的方法，將霍爾元件放在通電導線的附近，給霍爾元件通以恒定電流，用霍爾元件測量被測電流產(chǎn)生的磁場，就可以從元件輸出的霍爾電壓中確定被測電流值。 這種方法雖然結(jié)構(gòu)簡單，但測量精度較差，受外界干擾也大，只適用一些不重要的場合。BICI通電電流V

12、H第五章 磁電式傳感器 當導線中有電流流通時，導線周圍產(chǎn)生磁場，使導磁體鐵芯磁化成暫時性磁鐵，在環(huán)形氣隙中就會形成一個磁場，導體中的電流越大，氣隙處的磁感應強度就越大，霍爾元器件輸出的霍爾電壓VH就越大?？梢酝ㄟ^霍爾電壓檢測到導線中的電流。這種方法可以提高電流測量的精度。導磁鐵心霍爾元器件通電導線I（2）導線貫串磁芯法 如果用鐵磁材料做成磁導體的鐵芯，使被測通電導線貫串它的中央，將霍爾元件或霍爾集成傳感器放在磁導體的氣隙中，這樣，可以通過環(huán)形鐵芯集中磁力線，如下圖所示。第五章 磁電式傳感器測量原理 在實際應用中，為了測量的方便，還可以把導磁鐵芯做成鉗式形狀，或非閉合磁路的形狀，如下圖所示。I霍

13、爾元器件通電導線導磁鐵心霍爾元器件通電導線導磁鐵心I鉗式非閉合磁路式第五章 磁電式傳感器 （3）磁芯繞線法 這種方法如下圖所示。它由標準環(huán)形導磁鐵芯和SL3501M霍爾線性集成傳感器組合而成。SL3501M通電導線導磁鐵心I 被測通電導線繞在導磁鐵芯上，每1安1匝在氣隙處可產(chǎn)生0. 0056T的磁感應強度。若測量范圍是020A時，則導線繞制9匝便可產(chǎn)生約0. 1 T的磁感應強度，SL3501M會有1. 4V的電壓輸出。第五章 磁電式傳感器第五章 磁電式傳感器數(shù)字鉗型表用途：主要用于大電流測量，可用于機械加工車間，工廠，及各種耗電量較大的任何場合。4、霍爾線性位移傳感器霍爾線性位移傳感器第五章

14、磁電式傳感器第五章 磁電式傳感器若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個均勻梯度磁場中移動，它輸出的霍爾電壓VH值只由它在該磁場中的位移量Z來決定。圖中3種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位移傳感器的輸出特性曲線，將它們固定在被測系統(tǒng)上，可構(gòu)成霍爾微位移傳感器。從曲線可見，結(jié)構(gòu)（b）在Z2mm時，VH與Z有良好的線性關(guān)系，且分辨力可達1m，結(jié)構(gòu)（C）的靈敏度高，但工作距離較小。 幾種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)和幾種霍爾位移傳感器的靜態(tài)特性 霍爾線性位移傳感器原理第五章 磁電式傳感器5、霍爾壓力傳感器 霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成，如圖所示。(a)的彈性元件為膜盒，

15、(b)為彈簧片，(c)為波紋管。磁系統(tǒng)最好用能構(gòu)成均勻梯度磁場的復合系統(tǒng)，如圖中的(a)、(b)，也可采用單一磁體，如(c)。加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對位移，改變作用到霍爾元件上的磁場，從而改變它的輸出電壓VH。由事先校準的pf(VH)曲線即可得到被測壓力p的值。 霍爾壓力傳感器的構(gòu)成原理 第五章 磁電式傳感器5-3 磁柵傳感器簡介磁柵是一種用于測量位移的數(shù)字式傳感器。磁柵傳感器由磁尺（或磁盤）、磁頭和檢測電路組成。磁尺類似于一條錄音帶，上面記錄有一定波長的矩形波或正弦波磁信號。磁頭的作用是把磁尺上的信號轉(zhuǎn)換成電信號；此電信號再由檢測電路變換和細分后進行計數(shù)輸出。特點：磁柵價格低于光柵，且錄磁方便、易于安裝，測量范圍