磁敏式傳感器09

會(huì)計(jì)學(xué)1磁敏式傳感器09

磁敏式傳感器的定義：對(duì)磁場(chǎng)參量（B、Φ）敏感、通過(guò)磁電作用將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件或裝置。磁電作用：電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)分類(lèi)：磁電感應(yīng)式傳感器霍爾式傳感器第2頁(yè)/共35頁(yè)第1頁(yè)/共35頁(yè)7.1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，是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原理將被測(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。它不需要輔助電源，就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是一種有源傳感器。由于它輸出功率大，且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），所以得到普遍應(yīng)用。

磁電感應(yīng)式傳感器電路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、輸出阻抗小，具有一定的頻率響應(yīng)范圍（一般在10~1000Hz），適用于轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、位移、扭矩等測(cè)量。第3頁(yè)/共35頁(yè)第2頁(yè)/共35頁(yè)7.1.1工作原理根據(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)。對(duì)于一個(gè)N匝線圈，設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為Φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將與Φ的變化速率成正比，即：1.電磁感應(yīng)如果線圈相對(duì)于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)線速度為v或角速度ω，則或第4頁(yè)/共35頁(yè)第3頁(yè)/共35頁(yè)（1）恒磁通式傳感器第5頁(yè)/共35頁(yè)第4頁(yè)/共35頁(yè)

工作原理：磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈（動(dòng)圈式），也可以是磁鐵（動(dòng)鐵式），動(dòng)圈式（圖（a））和動(dòng)鐵式（圖(b)）的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，由于彈簧較軟，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對(duì)較大，當(dāng)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(lái)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)生與運(yùn)動(dòng)速度成正比的感應(yīng)電勢(shì)。第6頁(yè)/共35頁(yè)第5頁(yè)/共35頁(yè)變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖(a)開(kāi)磁路；(b)閉磁路（2）變磁通式磁電傳感器第7頁(yè)/共35頁(yè)第6頁(yè)/共35頁(yè)

開(kāi)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)，其變化頻率等于被測(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(jiǎn)單，但輸出信號(hào)較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。第8頁(yè)/共35頁(yè)第7頁(yè)/共35頁(yè)

閉磁路變磁通式傳感器，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測(cè)轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測(cè)軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。顯然，感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。第9頁(yè)/共35頁(yè)第8頁(yè)/共35頁(yè)

2磁電感應(yīng)式傳感器基本特性當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路時(shí)，磁電傳感器的輸出電流Io為式中：

Rf——測(cè)量電路輸入電阻；

R——線圈等效電阻。傳感器的電流靈敏度為

第10頁(yè)/共35頁(yè)第9頁(yè)/共35頁(yè)而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為

B值大，靈敏度也大，因此要選用B值大的永磁材料；線圈的平均長(zhǎng)度大也有助于提高靈敏度，但這是有條件的，要考慮兩種情況：線圈電阻與指示器電阻匹配問(wèn)題：如圖7.3所示，因傳感器相當(dāng)于一個(gè)電壓源，為使指示器從傳感器獲得最大功率，必須使線圈的電阻等于指示器的電阻。線圈的發(fā)熱問(wèn)題：傳感器線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，接上負(fù)載后，線圈中有電流流過(guò)而發(fā)熱。第11頁(yè)/共35頁(yè)第10頁(yè)/共35頁(yè)測(cè)量誤差

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、受到機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差，其相對(duì)誤差為第12頁(yè)/共35頁(yè)第11頁(yè)/共35頁(yè)1）非線性誤差

主要原因：當(dāng)磁電式傳感器在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，傳感器線圈會(huì)有電流流過(guò)，這時(shí)線圈會(huì)產(chǎn)生一定的交變磁通，此交變磁通會(huì)疊加在永久磁鐵產(chǎn)生的傳感器工作磁通上，導(dǎo)致氣隙磁通變化。第13頁(yè)/共35頁(yè)第12頁(yè)/共35頁(yè)這種影響分為兩種情況①當(dāng)傳感器線圈相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)與員工作磁場(chǎng)方向相反時(shí)，附加磁場(chǎng)將減弱工作磁場(chǎng)的作用，從而使傳感器的靈敏度隨檢測(cè)速度的增而降低。即當(dāng)傳感器向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，ΦI與Φ方向相反，減弱了工作磁場(chǎng)的作用，使傳感器靈敏度降低。②當(dāng)傳感器線圈相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)方向相同時(shí)，傳感器靈敏度增高。即當(dāng)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，ΦI與Φ方向同向，增加了工作磁場(chǎng)的作用，靈敏度增大。這兩種情況將導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果中出現(xiàn)非線性項(xiàng)，且速度越大，影響越明顯。其結(jié)果是線圈的運(yùn)動(dòng)方向和速度大小都會(huì)使傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值，使傳感器的基波能量降低，諧波能量增加。結(jié)果：靈敏度越高，線圈中電流越大，非線性影響越嚴(yán)重。補(bǔ)償方法：加入補(bǔ)償線圈?！?4頁(yè)/共35頁(yè)第13頁(yè)/共35頁(yè)2）溫度誤差

溫度誤差補(bǔ)償辦法：在結(jié)構(gòu)允許的情況下，在傳感器的磁鐵下設(shè)置熱磁分路，進(jìn)行溫度補(bǔ)償?！?/p>

在磁電式傳感器的各種干擾中，通常溫度干擾比較嚴(yán)重。永久磁鐵的影響比較小，傳感器線圈影響比較大。線圈是用銅線繞成的，溫度系數(shù)為正，溫度每升高10℃，電阻大約增加4%；指示器電路的電阻Rf的溫度系數(shù)也是正的，它的數(shù)值與線圈電阻R1和附加電阻R2有關(guān)。當(dāng)溫度增加t時(shí)，電流為：第15頁(yè)/共35頁(yè)第14頁(yè)/共35頁(yè)3）動(dòng)態(tài)特性

當(dāng)被測(cè)物振動(dòng)頻率低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的靈敏度是隨振動(dòng)頻率的升高而明顯增加的；當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率時(shí)，傳感器的靈敏度接近為一個(gè)常數(shù)，它基本上不隨頻率變化，即在這一頻率范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓與振動(dòng)速度成正比關(guān)系，這一頻段就是傳感器的理想工作頻段；在振動(dòng)頻率更高（過(guò)大）的情況下，線圈阻抗增加，傳感器靈敏度會(huì)隨著振動(dòng)頻率的增加反而下降。第16頁(yè)/共35頁(yè)第15頁(yè)/共35頁(yè)7.1.2測(cè)量電路

磁電式傳感器只用于測(cè)量動(dòng)態(tài)量，可以直接測(cè)量振動(dòng)物體的線速度或旋轉(zhuǎn)體的角速度，加入積分或者微分電路后，可以測(cè)量位移和加速度?！?7頁(yè)/共35頁(yè)第16頁(yè)/共35頁(yè)7.1.3磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用（1）磁電感應(yīng)式振動(dòng)速度傳感器

第18頁(yè)/共35頁(yè)第17頁(yè)/共35頁(yè)（2）磁電感應(yīng)式扭矩傳感器第19頁(yè)/共35頁(yè)第18頁(yè)/共35頁(yè)（3）電磁流量計(jì)第20頁(yè)/共35頁(yè)第19頁(yè)/共35頁(yè)7.2霍爾式傳感器當(dāng)載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體處于與電流相垂直的磁場(chǎng)中時(shí)，在其兩端將產(chǎn)生電位差，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)被稱(chēng)為霍爾電勢(shì)?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中洛倫茲力作用的結(jié)果?！?.2.1工作原理1.霍爾效應(yīng)第21頁(yè)/共35頁(yè)第20頁(yè)/共35頁(yè)

在場(chǎng)為l、寬為b、厚度為d的長(zhǎng)方形導(dǎo)電板上，兩對(duì)垂直側(cè)面各裝上電極。如果在長(zhǎng)度方向通入控制電流I，在厚度方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)時(shí)，那么導(dǎo)電板上的自由電子在電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)，此時(shí)，每個(gè)電子受到洛倫茲力?L的作用，大小為：電子沿電流反方向坐定向移動(dòng)，又在fL作用下向里漂移，結(jié)果在導(dǎo)電板里底面積累了電子，而外表面積累了正電荷，將形成附加內(nèi)電場(chǎng)EH，稱(chēng)為霍爾電場(chǎng)。在EH的作用下，電子將受到一個(gè)與洛倫茲力方向相反的電場(chǎng)力作用，此力阻止電荷的繼續(xù)積聚，當(dāng)在金屬體內(nèi)電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，電子所受的洛倫茲力與電場(chǎng)力大小相等，即則：第22頁(yè)/共35頁(yè)第21頁(yè)/共35頁(yè)則相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)就稱(chēng)為霍爾電動(dòng)勢(shì)UH，其大小可表示為：或：

當(dāng)電子濃度n，電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度為v時(shí)，根據(jù)電流的定義有：即：對(duì)于N型半導(dǎo)體，霍爾電壓為：第23頁(yè)/共35頁(yè)第22頁(yè)/共35頁(yè)對(duì)于N型材料：對(duì)于P型材料：

物理意義：KH表征了一個(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。▲▲電子在電場(chǎng)中的平均遷移速度為：則：第24頁(yè)/共35頁(yè)第23頁(yè)/共35頁(yè)2.霍爾元件（1）霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)

霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，它由霍爾片、4根陰線和殼體三部分組成。a、b的焊點(diǎn)稱(chēng)為激勵(lì)電極；c、d的焊點(diǎn)稱(chēng)為霍爾電極?！?5頁(yè)/共35頁(yè)第24頁(yè)/共35頁(yè)（2）霍爾元件基本特性線性特性與開(kāi)關(guān)特性：線性特性是指霍爾元件的輸出電動(dòng)勢(shì)UH分別和基本參數(shù)I、B成線性關(guān)系（磁通計(jì)中的傳感器使用）。開(kāi)關(guān)特性是指霍爾元件的輸出電動(dòng)勢(shì)UH在一定區(qū)域隨B增加而迅速增加的特性（直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的控制中使用）。不等位電阻：表示未加磁場(chǎng)時(shí)，不等位電動(dòng)勢(shì)與相應(yīng)電流的比值。產(chǎn)生原因：①霍爾電極安裝位置不對(duì)稱(chēng)或不在同一等電位下；②半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或幾何尺寸不均勻；③激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分配。負(fù)載特性溫度特性：霍爾元件的溫度特性包括霍爾電動(dòng)勢(shì)、靈敏度、輸入阻抗和輸出阻抗的溫度特性，它們歸結(jié)為霍爾系數(shù)和電阻率與溫度的關(guān)系。第26頁(yè)/共35頁(yè)第25頁(yè)/共35頁(yè)（3）霍爾元件的零位誤差及補(bǔ)償不等位電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償▲▲

寄生直流電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償：元件在制作安裝時(shí)，盡量做到使電極歐姆接觸，并做到均勻散熱。歐姆接觸：金屬與半導(dǎo)體的接觸，其接觸面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻。1）霍爾元件的零位誤差及補(bǔ)償?shù)?7頁(yè)/共35頁(yè)第26頁(yè)/共35頁(yè)2）霍爾元件的溫度誤差及其補(bǔ)償

一般半導(dǎo)體材料都具有較大的溫度系數(shù)。所以當(dāng)溫度發(fā)生變化是，霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率以及霍爾系數(shù)都會(huì)發(fā)生變化。為了減小溫度誤差，除了使用溫度系數(shù)小的半導(dǎo)體材料（如砷化銦）以外，還可以采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路進(jìn)行補(bǔ)償。第28頁(yè)/共35頁(yè)第27頁(yè)/共35頁(yè)霍爾元件的靈敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系：

如圖所示，當(dāng)霍爾元件的初始溫度為T(mén)0，初始輸入電阻為RI0，靈敏度系數(shù)為KH0，分流電阻為RP0時(shí)：第29頁(yè)/共35頁(yè)第28頁(yè)/共35頁(yè)當(dāng)溫度上升T時(shí)，電路中個(gè)參數(shù)變化為：則有

要使電路滿足在溫度變化前后，霍爾電動(dòng)勢(shì)U0不發(fā)生變化，即則▲▲第30頁(yè)/共35頁(yè)第29頁(yè)/共35頁(yè)7.2.2測(cè)量電路

電源E提供激勵(lì)電流，可變電阻RP用于調(diào)