傳感器第7章 (2)課件

磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器,利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量(振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器第7章磁電式傳感器7.1磁電感應(yīng)式傳感器它不需輔助電源把被測(cè)的機(jī)械量轉(zhuǎn)成電信號(hào),有源傳感器輸出功率大且性能穩(wěn)定,工作帶寬(10～1000Hz),應(yīng)用廣由電磁感應(yīng)定律,w匝線圈在磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí),E＝-wdF/dt7.1.1磁電感應(yīng)式傳感器工作原理兩種磁電傳感器:變磁通式和恒磁通式。1、變磁通式：也稱變磁阻式或變氣隙式圖a為開磁路變磁通式，每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒,磁路磁阻變化一次,磁通也就變化一次,感應(yīng)電勢(shì)變化頻率等于被測(cè)轉(zhuǎn)速與測(cè)量齒輪齒數(shù)的乘積。圖b為閉磁路變磁通式.齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化,引起磁通的變化,線圈產(chǎn)生周期變化的感生電動(dòng)勢(shì)。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,輸出信號(hào)較小,不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速。感應(yīng)電勢(shì)頻率與轉(zhuǎn)速成正比2、恒定磁通式磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定直流磁場(chǎng),磁路中工作氣隙固定不變,因而氣隙中磁通也是恒定不變的。運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈（動(dòng)圈式圖a）,運(yùn)動(dòng)部件可以是磁鐵（動(dòng)鐵式圖b）工作原理是完全相同當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于固有頻率時(shí),運(yùn)動(dòng)部件不隨振動(dòng)體振動(dòng),能量被彈簧吸收,磁鐵與線圈間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)速度,產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為E=-B0lWv典型結(jié)構(gòu)如圖主要原因:傳感器線圈有電流I流過時(shí),產(chǎn)生交變磁通ΦI,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如圖所示。1.非線性誤差傳感器線圈相對(duì)于磁鐵運(yùn)動(dòng)速度大時(shí),產(chǎn)生較大感生電勢(shì)E和電流I產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)與原工作磁場(chǎng)方向相反,減弱工作磁場(chǎng)作用,使得傳感器的靈敏度隨著被測(cè)速度的增大而降低。當(dāng)線圈的運(yùn)動(dòng)速度與圖示方向相反時(shí),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。線圈運(yùn)動(dòng)速度方向不同,傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值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,非線性越嚴(yán)重為補(bǔ)償上述干擾,在傳感器中加入補(bǔ)償線圈,如圖a。適當(dāng)選擇補(bǔ)償線圈參數(shù),使其產(chǎn)生的交變磁通與傳感線圈本身所產(chǎn)生的交變磁通互相抵消,從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。溫度變?誤差式中右邊三項(xiàng)不為零,對(duì)銅線每攝氏度變化量為dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2,對(duì)鋁鎳鈷永磁合金dB/B≈-0.02×10-2,可得近似值:γt≈(-4.5%)/10℃2.溫度誤差補(bǔ)償通常采用熱磁分流器。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。當(dāng)溫度升高時(shí),熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降,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,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)。圖為用集成運(yùn)算放大器組成的積分或微分測(cè)量電路。傳感器1231R223C1R1R4R5C2R3R3SST1T2-+-+U0傳感器1231R223C1R1C2R3SSU0左圖是動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖7.1.4磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用1.動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器工作時(shí),傳感器外殼和永久磁鐵隨物體振動(dòng),芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不振動(dòng)。線圈切割磁力線產(chǎn)生正比于振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),線圈的輸出通過引線輸出到測(cè)量電路，測(cè)量振動(dòng)速度參數(shù),。在測(cè)量電路中接入積分電路,則輸出電勢(shì)與位移成正比;在測(cè)量電路中接入微分電路,則其輸出與加速度成正比。2.磁電式扭矩傳感器左圖是磁電式扭矩傳感器的工作原理圖。霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等測(cè)量。7.2霍爾式傳感器1.霍爾效應(yīng)7.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件-----++++hufefmBE在垂直于B的方向上放置一導(dǎo)電板,通電流I,方向如圖所示。電子受洛侖磁力fm作用，fm大小為：fm=eBv。使金屬導(dǎo)電板前面積累電子,而后面積累正電荷,從而形成了附加內(nèi)電場(chǎng)EH,稱霍爾電場(chǎng),EH=UH/b霍爾電場(chǎng)的出現(xiàn),使定向運(yùn)動(dòng)的電子除受洛侖磁力作用外,還受霍爾電場(chǎng)的作用力,大小為eEH，阻止電荷繼續(xù)積累。當(dāng)電子所受洛侖磁力與霍爾電場(chǎng)力大小相等、方向相反時(shí),eEH=evB,即EH=vB,達(dá)到平衡狀態(tài)。金屬板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n,電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度為v,則激勵(lì)電流I=nevbd,則v=I/bdne得EH=IB/bdneUH=IB/bne,令RH=1/(ne)稱為霍爾常數(shù),KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。則UH=RHIB/d=KHIB霍爾電勢(shì)正比于激勵(lì)電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度,靈敏度與霍爾常數(shù)RH成正比與厚度d成反比?；魻栐Ｖ瞥杀∑螤??；魻柶牧系囊?有較大的霍爾常數(shù)RH,激勵(lì)極間電阻R=ρL/bd,同時(shí)R=UI/I=EL/I=vL/(μnevbd),霍爾常數(shù)等于霍爾片材料電阻率與電子遷移率μ的乘積。則解得RH=μρ要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。金屬載流子遷移率高,電阻率小;而絕緣材料電阻率極高,載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片N型鍺容易加工制造,霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好N型硅的線性度最好,霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對(duì)溫度最敏感,低溫溫度系數(shù)大,室溫霍爾系數(shù)較大砷化銦霍爾系數(shù)較小,溫度系數(shù)也較小,輸出特性線性度好霍爾元件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,由霍爾片、引線和殼體組成,如圖a所示2.霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)引線。1、1′引線加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極?；魻栐んw由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。電路中霍爾元件可用兩種符號(hào)表示，如圖b。b元件自身溫升10℃時(shí)所流過的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流3.霍爾元件基本特性1）額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流元件允許最大溫升對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流稱為最大允許激勵(lì)電流使用中選用盡可能大的激勵(lì)電流,改善霍爾元件的散熱條件,可以使最大允許激勵(lì)電流增加。2）輸入電阻和輸出電阻激勵(lì)電極間的電阻值稱為輸入電阻;霍爾電極輸出相當(dāng)于電壓源，其內(nèi)阻輸出電阻稱為電勢(shì)電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零且環(huán)境溫度在20℃±5℃時(shí)確定的。3）不等位電勢(shì)和不等位電阻當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為I時(shí),元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時(shí)測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)稱不等位電勢(shì)。產(chǎn)生原因:①霍爾電極安裝不對(duì)稱或不在同一等電位面上②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)電流不均勻分布等。不等位電勢(shì)也可用不等位電阻表示r0=U0/IH不等位電勢(shì)是激勵(lì)電流流經(jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓。4）寄生直流電勢(shì)：在外加磁場(chǎng)為零,霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí),霍爾電極輸出的直流電勢(shì),稱寄生直流電勢(shì)。產(chǎn)生原因①電極接觸不良,形成非歐姆接觸,造成整流效果;②兩個(gè)霍爾電極大小不對(duì)稱,則兩個(gè)電極點(diǎn)的熱容不同,散熱狀態(tài)不同形成極向溫差電勢(shì)。寄生直流電勢(shì)一般在1mV以下,影響霍爾片溫漂的原因5）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)：在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下,溫度每變化1℃時(shí),霍爾電勢(shì)變化的百分率稱霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)。它同時(shí)也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)?；魻栐脑S多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí),霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化,從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。5.霍爾元件溫度補(bǔ)償減小霍爾元件溫度誤差,除用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外,用恒流源供電是有效,可以使霍爾電勢(shì)穩(wěn)定。減小輸入電阻隨溫度變化引起的激勵(lì)電流I變化帶來的影響霍爾元件的靈敏系數(shù)KH隨溫度變化引起霍爾電勢(shì)的變化。它與溫度的關(guān)系：KH=KH0（1+αΔT）多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值,它們的霍爾電勢(shì)隨溫度升高而增加（1+αΔT）倍。同時(shí)讓激勵(lì)電流I相應(yīng)地減小,保持KHI乘積不變,就抵消了靈敏系數(shù)KH增加的影響。在圖示電路中,初始溫度為T0,霍爾元件輸入電阻為Ri0,靈敏系數(shù)為KH1,分流電阻為Rp0,得電路中用一個(gè)分流電阻Rp與霍爾元件的激勵(lì)電極相并聯(lián)。左圖是按此設(shè)計(jì)的一個(gè)簡(jiǎn)單、補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償電路。RpUHISIpIH輸入電阻隨溫度升高而增加,旁路分流電阻Rp自動(dòng)地加強(qiáng)分流,減少了霍爾元件激勵(lì)電流I,從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。?dāng)溫度升至T時(shí),電路中各參數(shù)變?yōu)镽i=Ri0(1+δΔT),Rp=Rp0(1+βΔT)則UH0=UH,KH0IH0B=KHIHB,溫度升高ΔT,補(bǔ)償電路須滿足溫升前、后霍爾電勢(shì)不變,當(dāng)霍爾元件選定后,它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)δ及霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)α是確定值。則:KH0IH0=KHIH略去αβ(ΔT)2得:計(jì)算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)β值。為了滿足R0及β兩個(gè)條件,分流電阻可取溫度系數(shù)不同的