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2.檢測技術(shù)與檢測元件第8節(jié)磁電式檢測元件1基本要求掌握磁電感應(yīng)式檢測元件的基本工作原理、類型掌握霍爾式檢測元件的基本工作原理會分析磁電感應(yīng)式檢測元件、霍爾式檢測元件的應(yīng)用2磁電式傳感器機械能電量根據(jù)電磁感應(yīng)定律,導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動時,在導(dǎo)體兩端有感應(yīng)電動勢輸出;磁電感應(yīng)式檢測元件就是利用電磁感應(yīng)定律,實現(xiàn)將運動速度、位移等物理量轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電動勢輸出。2.8.1磁電感應(yīng)式檢測元件3
-+電磁感應(yīng)定律:對于N匝線圈,當穿過線圈的磁通Φ變化時,線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e的大小與與穿過線圈的磁通Φ變化率有關(guān)。工作原理4根據(jù)工作原理,磁電感應(yīng)式檢測元件的主要結(jié)構(gòu)形式分兩種類型恒定磁通式(恒磁阻式)變磁通式(變磁阻式)5工作氣隙中磁通不變,線圈中的感應(yīng)電勢由線圈相對永久磁鐵運動并切割磁力線產(chǎn)生。1.恒磁阻式檢測元件6(1)線速度型——動圈式永久磁鐵線圈彈簧1.恒磁阻式檢測元件71.恒磁阻式檢測元件8輸出線彈簧片線圈芯軸磁鐵阻尼環(huán)殼體SNNS注意蘭色可移動部分!輸出:感應(yīng)電動勢----正比于機械振動。1.恒磁阻式檢測元件9式中:B磁感應(yīng)強度
N線圈匝數(shù)
L每匝線圈有效長度
V運動速度
θ線圈運動方向與磁場方向之間的夾角;θ=9001.恒磁阻式檢測元件10線圈在恒定磁場中作直線運動,并切割磁力線,感生電勢為:B:磁場磁感應(yīng)強度;L:每匝線圈的有效長度;θ:線圈運動方向與磁場方向之間的夾角;v:線圈與磁場之間的相對運動速度。11應(yīng)用-振動監(jiān)測12(1)線速度型——動鐵式13被測物SN殼體線圈永久磁鐵彈簧(1)線速度型——動鐵式14線圈相對磁場作旋轉(zhuǎn)運動,并切割磁力線,感生電勢為:
A:每匝線圈的截面積θ:線圈平面法線方向與磁場方向之間的夾角ω:線圈與磁場之間的相對運動角速度θ=9001-永久磁鐵2-線圈3-運動部分(2)角速度型15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)動來改變磁路的磁阻,引起磁通量變化,從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。2、變磁阻式檢測元件(1)開磁路變磁阻式1一永久磁鐵2一軟磁鐵,3一感應(yīng)線圈4一測量齒輪開磁路式轉(zhuǎn)速檢測元件結(jié)構(gòu)原理162、變磁阻式檢測元件轉(zhuǎn)速齒數(shù)線圈永久磁鐵NS感應(yīng)脈沖計數(shù)器感應(yīng)電勢的變化頻率等于?1718轉(zhuǎn)速測量齒數(shù)z=419當安裝在被測轉(zhuǎn)軸上的齒輪(導(dǎo)磁體)旋轉(zhuǎn)時,其齒依次通過永久磁鐵兩磁極間的間隙,從而在線圈上感應(yīng)出頻率和幅值均與軸轉(zhuǎn)速成比例的交流電壓信號u0。由于感應(yīng)電壓與磁通φ的變化率成比例,即
(W是線圈匝數(shù))
故隨著轉(zhuǎn)速下降輸出電壓幅值減小,當轉(zhuǎn)速低到一定程度時,電壓幅值會減小到無法檢測出來的程度。故這種傳感器不適合于低速測量。2012測量儀表扭矩測量21如圖所示,在轉(zhuǎn)軸上固定兩個齒輪1和2,它們的材質(zhì)、尺寸、齒形和齒數(shù)均相同。永久磁鐵和線圈組成的磁電式檢測頭3和4對著齒頂安裝。當轉(zhuǎn)軸不受扭矩時,兩線圈輸出信號相同,相位差為零。轉(zhuǎn)軸承受扭矩后,相位差不為零,且隨兩齒輪所在橫截面之間相對扭轉(zhuǎn)角的增加而加大,其大小與相對扭轉(zhuǎn)角、扭矩成正比。扭矩測量uwt22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。感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。2、變磁阻式磁電傳感器(2)閉磁路變磁阻式23磁電感應(yīng)式檢測元件相當于一個電源3.磁電感應(yīng)式檢測元件的等效電路24檢測元件的電流靈敏度Si和電壓靈敏度Sv為:25當磁電感應(yīng)式檢測元件工作溫度發(fā)生變化,或受到外磁場干擾,或受到機械振動或沖擊時,其靈敏度都將發(fā)生變化而產(chǎn)生測量誤差,其相對誤差為264.磁電感應(yīng)式檢測元件的誤差分析(1)溫度誤差(2)永久磁鐵的不穩(wěn)定性誤差(3)磁電式傳感器的非線性誤差27磁電式傳感器機械能電量5.磁電感應(yīng)式傳感器的特點有源傳感器具有較大的輸出功率只應(yīng)用于動態(tài)測量,如機械振動測量、轉(zhuǎn)速測量。傳感器尺寸大、重。
282.8.2霍爾檢測元件霍爾元件291.霍爾效應(yīng)
1878年美國物理學(xué)家霍爾首先發(fā)現(xiàn)金屬中的霍爾效應(yīng),因為太弱沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)非常明顯,并且體積小有利于集成化?;魻杺鞲衅魇腔诨魻栃?yīng)。30通電的導(dǎo)體(半導(dǎo)體)垂直放在磁場中,導(dǎo)體在垂直于電流I與磁場B方向上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。31在與磁場垂直的半導(dǎo)體薄片上通以電流I,假設(shè)載流子為電子(N型半導(dǎo)體材料),它沿與電流I相反的方向運動,由于洛侖茲力fL的作用,電子將向一側(cè)偏轉(zhuǎn),并使該側(cè)形成電子的積累,而另一側(cè)形成正電荷積累,于是元件的橫向便形成了電場。該電場阻止電子繼續(xù)向側(cè)面偏移,當電子所受到的電場力fE與洛侖茲力fL相等時,電子的積累達到動態(tài)平衡。這時在兩橫端面之間建立的電場稱為霍爾電場EH,相應(yīng)的電勢稱為霍爾電勢UH?;魻栯妱莸漠a(chǎn)生32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(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cd33在磁場作用下導(dǎo)體中的自由電子做定向運動。每個電子受洛侖茲力作用被推向?qū)w的另一側(cè):
霍爾電場作用于電子的力霍爾電場當兩作用力相等時電荷不再向兩邊積累達到動態(tài)平衡:aaa——霍爾電勢34霍爾電勢與電流和磁場強度的關(guān)系:通過(半)導(dǎo)體薄片的電流I與下列因素有關(guān):載流子濃度n,電子運動速度v,導(dǎo)體薄片橫截面積a*d,
e為電子電荷量。代入后:與材料有關(guān)霍爾常數(shù)霍爾電勢與電流和磁場強度的乘積成正比與薄片尺寸有關(guān)霍爾靈敏度式中:ρ—電阻率、n—電子濃度
μ—電子遷移率μ=υ/E
單位電場強度作用下載流子運動速度。ada35磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢
若磁感應(yīng)強度B不垂直于霍爾元件,而是與其法線成某一角度
時,實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強度是其法線方向(與薄片垂直的方向)的分量,即Bcos,這時的霍爾電勢為
UH=KHIBcos
結(jié)論:霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強度B成正比,且當B的方向改變時,霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場,則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。
36討論:
任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢,但不是都可以制造霍爾元件;
絕緣材料ρ很大,μ很小,不適用;金屬材料電子濃度n很高,RH很小,UH很小;
半導(dǎo)體材料電阻率ρ較大,RH大,非常適于做霍爾元件,半導(dǎo)體中電子遷移率一般大于空穴的遷移率,所以霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體(多電子);厚度d越小,霍爾靈敏度KH
越大,所以霍爾元件做的較薄,通常近似1微米(d≈1μm)
。372.霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)與基本測量電路(1)霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單,它是由霍爾片、四根引線和殼體組成的,如圖?;魻栐话憧捎脙煞N符號表示,如圖(b)所示。霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體薄片,引出四根引線:1、1′兩根引線加激勵電壓或電流,稱激勵電極(控制電極);2、2′引線為霍爾輸出引線,稱霍爾電極。38(2)霍爾傳感器基本測量電路霍爾晶體的外形為矩形薄片有四根引線,兩端加激勵,兩端為輸出,RL為負載電阻;電源E通過R控制激勵電流I;磁場B與元件面垂直(向里)實測中可把I*B作輸入,也可把I或B單獨做輸入;通過霍爾電勢輸出測量結(jié)果。
輸出Uo與I或B成正比關(guān)系,或與I*B成正比關(guān)系。39霍爾元件的轉(zhuǎn)換效率較低,實際應(yīng)用中,為了獲得較大的霍爾電壓,可將幾個霍爾元件的輸出串聯(lián)起來。在這種連接方法中,激勵電流極是并聯(lián)的。雖然霍爾元件的串聯(lián)可以增加輸出電壓,但其輸出電阻也將增大。霍爾元件輸出串聯(lián)403.霍爾元件的應(yīng)用霍爾電勢是關(guān)于I、B、
三個變量的函數(shù),即EH=KHIBcos
。利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變,將第三個量作為變量,或者固定其中一個量,其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。41(1)霍爾傳感器用于測量磁場強度
霍爾元件測量鐵心氣隙的B值42(2)霍爾轉(zhuǎn)速表將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。隨著齒輪的轉(zhuǎn)動,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)放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN霍爾元件磁鐵43測量霍爾元件輸出的脈沖頻率就可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。齒輪齒數(shù)(2)霍爾轉(zhuǎn)速表44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,當齒輪的空隙對準霍爾元件時,輸出為低電平。45被測力使波紋膜盒膨脹,帶動杠桿向上移動,從而使霍爾元件在磁路系統(tǒng)中運動,改變了霍爾元件所受的磁場大小及方向,引起霍爾電勢大小和極性的變化。由于波紋膜盒及霍爾元件的靈敏度很高,所以可用于測量微小壓力的變化?;魻柺綁毫鞲衅?/p>
(3)測量壓力46作為壓力敏感元件的彈簧管,其一端固定,另一端安裝霍爾元件。當輸入壓力增加時,彈簧管伸長,使處于恒定磁場中的霍爾元件產(chǎn)生相應(yīng)位移,霍爾元件的輸出即可反映被測壓力的大小。(3)測量壓力47(4)霍爾液位傳感器霍爾器件裝在容器外面,永久磁體支在浮子上,隨著液位變化,作用到霍爾器件上的磁場的磁感應(yīng)強度改變,從而可測得液位。
48霍爾式振動示意圖(5)測振動49(6)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。如保安系統(tǒng),把霍爾開關(guān)集成器件裝在門框里,永久磁鐵裝在門上,當門關(guān)閉時,開關(guān)輸出低電平;當門打開時,磁鐵離開傳感器,開關(guān)輸出高電平,驅(qū)動電鈴,可作為報警設(shè)備。
50(6)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。51霍爾式接近開關(guān)
用于轉(zhuǎn)速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵翼片
開關(guān)型霍爾ICT52霍爾集成器件可分為線性型和開關(guān)型兩大類。
(1)霍爾線性集成器件將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上,輸出電壓為伏級,比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。4.霍爾集成器件53線性型霍爾特性右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當磁場為零時,它的輸出電壓等于零;當感受的磁場為正向(磁鋼的S極對準霍爾器件的正面)時,輸出為正;磁場反向時,輸出為負。線性范圍54OC門施密特觸發(fā)電路雙端輸入、單端輸出運放霍爾元件.Vcc(2)霍爾開關(guān)器件55開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門(集電極開路輸出門)等電路做在同一個芯片上。較典型的開關(guān)型霍爾器件如
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