磁電式傳感器

同學們好！1第七章磁敏式傳感器磁敏傳感器磁場電能測量原理：對磁場參量敏感，通過磁電作用將被測量（振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換為電信號。分類霍爾式－－霍爾效應(yīng)磁電感應(yīng)式－－電磁感應(yīng)2主要內(nèi)容

7.1磁電感應(yīng)式傳感器7.2霍爾式傳感器37.1磁電感應(yīng)式傳感器

磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用電磁感應(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。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，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。

47.1.1工作原理

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當導體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為5恒磁通式傳感器

6工作原理：

磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，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。其運動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式），動圈式（圖（a））和動鐵式（圖

(b)）的工作原理是完全相同的。當殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，當振動頻率足夠高（遠大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。

7變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖(a)開磁路；(b)閉磁路

變磁通式磁電傳感器8圖（a）為開磁路變磁通式：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)電勢，其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，且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。

9圖

(b)為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。當轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時，外齒輪不動，內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動，內(nèi)、外齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(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)電動勢。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。

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7.1.2磁電感應(yīng)式傳感器基本特性

當測量電路接入磁電傳感器電路時，磁電傳感器的輸出電流Io為

式中：Rf——測量電路輸入電阻；

R——線圈等效電阻。

傳感器的電流靈敏度為

11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題如圖7.3所示，因傳感器相當于一個電壓源，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)熱問題傳感器線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，接上負載后，線圈中有電流流過而發(fā)熱。12測量誤差

當傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、受到機械振動或沖擊時，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測量誤差，其相對誤差為13非線性誤差

主要原因：當磁電式傳感器在進行測量時，傳感器線圈會有電流流過，這時線圈會產(chǎn)生一定的交變磁通，此交變磁通會疊加在永久磁鐵產(chǎn)生的傳感器工作磁通上，導致氣隙磁通變化。這種影響分為兩種情況

14溫度誤差

溫度誤差補償辦法：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，進行溫度補償。

15動態(tài)特性

當被測物振動頻率低于傳感器的固有頻率時，傳感器的靈敏度是隨振動頻率的升高而明顯增加的；當振動頻率遠大于傳感器固有頻率時，傳感器的靈敏度接近為一個常數(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；在振動頻率更高（過大）的情況下，線圈阻抗增加，傳感器靈敏度會隨著振動頻率的增加反而下降。167.1.2測量電路177.1.3磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用CD-1型振動速度傳感器1圓形彈簧片2圓環(huán)形阻尼器3永久磁鐵4鋁架（非導磁）5芯軸6線圈7殼體8圓形彈簧片9引線磁電感應(yīng)式振動速度傳感器

18磁電感應(yīng)式扭矩傳感器1920電磁流量計21導電性液體在垂直于磁場的非磁性測量管內(nèi)流動，與流動方向垂直的方向上產(chǎn)生與流量成比例的感應(yīng)電勢液體的體積流量式中,K為儀表常數(shù)，K=4kB/πD

在管道直徑確定，磁感應(yīng)強度不變的條件下，體積流量與電磁感應(yīng)電勢有一一對應(yīng)的線性關(guān)系，而與流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率無關(guān)。22電磁流量計＝流量傳感器＋轉(zhuǎn)換器23§7-2霍爾傳感器一、霍爾效應(yīng)——霍爾元件靈敏度——霍爾電勢1、定義霍爾：1879年半導體24霍爾效應(yīng)演示

當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢?；魻栃?yīng)252、霍爾電勢的產(chǎn)生N型半導體：洛侖茲力電場力動態(tài)平衡P型：令霍爾系數(shù)電流26或或半導體絕緣體金屬材料：鍺、硅、砷化鎵、砷化銦、銻化銦靈敏度低、溫度特性及線性度好靈敏度最高、受溫度影響大輸入1輸入2輸出1輸出2磁性頂端引線襯底霍爾元件濺射工藝制作的銻化銦霍爾元件27二、霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)及特點（1）額定激勵電流IH——霍爾元件溫升10℃時所加的電流焦爾熱散熱——表面散熱系數(shù)（2）不平衡電勢U0不等位電勢、零位電勢——IH、B=0、空載霍爾電勢原因：兩個霍爾電極不在同一等位面上材料不均勻、工藝不良

28（3）輸入電阻Ri

、輸出電阻R0Ri

——控制電流電極間的電阻R0——輸出霍爾電勢電極間的電阻B=0歐姆表（4）霍爾電壓VH

0.10.20.30.4250200150100500

0.10.20.30.4250200150100500（5）霍爾電壓的溫度特性負溫度特性29霍爾元件的主要技術(shù)指標30三、霍爾元件連接方式和輸出電路1、基本測量電路特點：（1）測量磁物理量、電量及其它物理量（2）實現(xiàn)乘法運算，構(gòu)成各種非線性運算部件（3）輸出信號的信噪比大（4）頻率范圍寬：直流~數(shù)百千赫茲（5）體積小、重量輕（6）穩(wěn)定性好、壽命長31四、霍爾元件的測量誤差及補償方法1、零位誤差及補償半導體固有特性半導體制造工藝缺陷零位誤差溫度誤差`A、B非同一等位面：U0=0、電橋不平衡電橋補償原理：在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻32（a）（b）332、溫度誤差及補償電阻率、遷移率、載流子濃度：T霍爾元件內(nèi)阻、霍爾電勢：T34五、霍爾傳感器的應(yīng)用1、霍爾位移傳感器磁場梯度越大，靈`敏度越高`測量范圍：1~2mm352、磁感應(yīng)強度測量儀ASL3501M：霍爾線性集成傳感器RP1：調(diào)整表頭量程RP2：調(diào)零

C1：低通濾波測量上限：0.3T3、直流功率測量儀V364、轉(zhuǎn)速測量圖7-17霍爾轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)輸入軸`霍爾傳感器（a）（b）

37霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵38霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。39霍爾轉(zhuǎn)速計數(shù)原理40霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號?；魻栐盆F41霍爾式接近開關(guān)

當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作。霍爾接近開關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。425、測量電流測量大直流電流（10kA）：電阻器分流霍爾元件測量電流：檢測通電導線周圍的磁場（1）導線旁測法（2）導線貫穿磁芯法簡單、測量精度差、受外界干擾大`環(huán)形鐵芯集中磁力線，提高電流測量精度436、測量表面覆蓋層厚度鐵磁性物質(zhì)非磁性涂層0123

500400300200100447、自動憑票供水裝置控制電路參考書：黃繼昌等編，《傳感器工作原理及應(yīng)用實例》，人民郵電出版社，199845

圖7-19霍爾壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖霍爾元件磁鋼壓力P波登管NSSN8、霍爾式壓力傳感器46霍爾式壓力傳感器由兩部分組成：一部分是彈性敏感元件的波登管用以感受壓力P，并將P轉(zhuǎn)換為彈性元件的位移量x，即x＝KPP，其中系數(shù)KP為常數(shù)。另一部分是霍爾元件和磁系統(tǒng)，磁系統(tǒng)形成一個均勻梯度磁場，如右圖所示，在其工作范圍內(nèi)，B＝KBx，其中斜率KB為常數(shù)；霍爾元件固定在彈性元件上，因此霍爾元件在均勻梯度磁場中的位移也是x。這樣，霍爾電勢UH與被測壓力P之間的關(guān)系就可表示為UH＝KHIB＝KHIKBKPP＝KP式中KHIKBKP＝K—霍爾式壓力傳感器的輸出靈敏度。479、霍爾計數(shù)裝置圖7-20霍爾計數(shù)裝置及電路(a)工作示意圖霍爾開關(guān)傳感器絕緣板磁鐵NS(b)電路圖+12VSL3051ASVT+VCR5RLR4R3`R2計數(shù)器4810、汽車霍爾電子點火器霍爾傳感器隔磁罩磁鋼缺口霍爾傳感器隔磁罩磁鋼缺口當缺口對準霍爾元件時，磁通通過霍爾傳感器形成閉合回路，電路導通，霍爾電路輸出≤0.4V的低電平；當隔磁罩豎邊的凸出部分