鐵道車輛傳感器技術(shù)-磁敏式傳感器

項(xiàng)目一傳感器技術(shù)

任務(wù)6磁敏式傳感器磁電式傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理1.2磁敏式傳感器概述0102霍爾傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理03磁電式傳感器輸出特性04磁敏式傳感器的應(yīng)用05一、磁敏式傳感器概述磁電式傳感器,是利用電磁感應(yīng)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)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào),是有源傳感器。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。

簡(jiǎn)介：

MT系列振動(dòng)速度傳感器是一種固定式測(cè)量振動(dòng)體絕對(duì)振動(dòng)速度的傳感器，適用與振動(dòng)、速度表配接后，可以測(cè)量各種振動(dòng)位移、速度等。由軸承支承的轉(zhuǎn)子，其振動(dòng)會(huì)足夠大地傳到軸承座，安裝在軸承座上或者很靠近軸承外殼上的速度傳感器，由內(nèi)部運(yùn)動(dòng)線圈切割磁力線而輸出電壓信號(hào)輸送給監(jiān)測(cè)儀表，用于對(duì)機(jī)械故障進(jìn)行預(yù)測(cè)和報(bào)警。MT系列振動(dòng)速度傳感器KTR02F-A02F-A磁電式轉(zhuǎn)速傳感器

簡(jiǎn)介：采用變磁通式（也稱為磁阻式）磁電傳感器結(jié)構(gòu)，利用機(jī)車點(diǎn)擊減速齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，對(duì)傳感器內(nèi)部磁路的磁阻產(chǎn)生變化，從而使得線圈兩端產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電壓信號(hào)，通過對(duì)感應(yīng)電壓信號(hào)的分析，計(jì)算出機(jī)車運(yùn)行轉(zhuǎn)速。當(dāng)一個(gè)W匝的線圈相對(duì)靜止地處于隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為Φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e雨磁通變化率dΦ/dt有如下關(guān)系：E=-wdΦ/dt。

二、磁電式傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理

根據(jù)電磁感應(yīng)定律,當(dāng)w匝線圈在恒定磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí),設(shè)穿過線圈的磁通為Φ,則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)E與磁通變化率dΦ/dt有如下關(guān)系:

E＝-w

根據(jù)這一原理,可以設(shè)計(jì)成兩種磁電傳感器結(jié)構(gòu):變磁通式和恒磁通式。

變磁通式磁電傳感器：用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度

左圖為開磁路變磁通式: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,隨之一起轉(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。（一）變磁通結(jié)構(gòu)原理圖左圖為閉磁路變磁通式,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)生周期性變化的感生電動(dòng)勢(shì)。顯然，感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。（一）變磁通結(jié)構(gòu)原理圖介紹：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)部件是線圈（動(dòng)圈式）。原理：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)生感應(yīng)電勢(shì)。（二）恒磁通結(jié)構(gòu)原理圖介紹：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)部件是磁鐵（動(dòng)鐵式）。原理：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)生感應(yīng)電勢(shì)。（二）恒磁通結(jié)構(gòu)原理圖三、磁電式傳感器輸出特性（一）靈敏度當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路中,磁電傳感器的輸出電流Io為

Io=

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SI=而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為：

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、機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí),其靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差。相對(duì)誤差為（二）非線性誤差（線性度）磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是:由于傳感器線圈內(nèi)有電流I流過時(shí),將產(chǎn)生一定的交變磁通ΦI,此交變磁通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。

當(dāng)傳感器線圈相對(duì)于永久磁鐵磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度如圖所示時(shí),由此而產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)方向與原工作磁場(chǎng)方向相反,減弱了工作磁場(chǎng)的作用,從而使得傳感器的靈敏度隨著被測(cè)速度的增大而降低。傳感器電流的磁場(chǎng)效應(yīng)（削弱）

當(dāng)線圈的運(yùn)動(dòng)速度與上圖所示方向相反時(shí),感生電勢(shì)E、線圈感應(yīng)電流反向,所產(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。

其結(jié)果是線圈運(yùn)動(dòng)速度方向不同時(shí),傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值,使傳感器輸出基波能量降低,諧波能量增加。即這種非線性特性同時(shí)伴隨著傳感器輸出的諧波失真。顯然，傳感器靈敏度越高,線圈中電流越大,這種非線性越嚴(yán)重。為補(bǔ)償上述附加磁場(chǎng)干擾,可在傳感器中加入補(bǔ)償線圈,如圖所示。補(bǔ)償線圈通以經(jīng)放大K倍的電流,適當(dāng)選擇補(bǔ)償線圈參數(shù),可使其產(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?。（三）溫度誤差補(bǔ)償補(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。它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分。當(dāng)溫度升高時(shí),熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降,經(jīng)它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,從而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)。四、霍爾式傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng),但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件,由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，半導(dǎo)體薄片上平行于電流和磁場(chǎng)方向的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱霍爾電勢(shì)。半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件。（一）霍爾效應(yīng)導(dǎo)電板中的電流是金屬中自由電子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)。此時(shí),每個(gè)電子受洛侖磁力F的作用，此時(shí)電子除了沿電流反方向作定向運(yùn)動(dòng)外,還在F的作用下向上漂移,結(jié)果使金屬導(dǎo)電板上底面積累電子,而下底面積累正電荷,從而形成了附加內(nèi)電場(chǎng)EH,稱霍爾電場(chǎng)，霍爾電場(chǎng)的出現(xiàn),使定向運(yùn)動(dòng)的電子除了受洛侖磁力作用外,還受到霍爾電場(chǎng)的作用力,其大小為eEH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著上、下底面積累電荷的增加,霍爾電場(chǎng)增加,電子受到的電場(chǎng)力也增加,當(dāng)電子所受洛侖磁力與霍爾電場(chǎng)作用力大小相等、方向相反時(shí),此時(shí)電荷不再向兩底面積累,達(dá)到平衡狀態(tài)。載流子受洛侖茲力霍爾電場(chǎng)強(qiáng)度平衡狀態(tài)電子運(yùn)動(dòng)平均速度因?yàn)榛魻柍?shù)

霍爾電勢(shì)霍爾常數(shù)大小取決于導(dǎo)體的載流子密度（成反比）：金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢(shì)也小，所以金屬材料不宜制作霍爾元件?；魻栯妱?shì)與導(dǎo)體厚度d成反比：為了提高霍爾電勢(shì)值，提高靈敏度，霍爾元件制成薄片形狀。霍爾元件靈敏度（靈敏系數(shù)）半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度）比空穴遷移率高，因此N型半導(dǎo)體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件。目前常用的霍爾元件材料有:鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。N型鍺容易加工制造,其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好,其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對(duì)溫度最敏感,尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大,但在室溫時(shí)其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小,溫度系數(shù)也較小,輸出特性線性度好。（二）霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路

霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單,它由霍爾片、引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)引線。1、1′兩根引線加激勵(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。在電路中霍爾元件可用兩種符號(hào)表示。（三）霍爾元件的主要特性參數(shù)根據(jù)當(dāng)磁場(chǎng)和環(huán)境溫度一定時(shí):

霍爾電勢(shì)與控制電流I成正比當(dāng)控制電流和環(huán)境溫度一定時(shí):

霍爾電勢(shì)與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí):

輸出的霍爾電勢(shì)與I和B的乘積成正比測(cè)量以上電阻時(shí)，應(yīng)在沒有外磁場(chǎng)和室溫變化的條件下進(jìn)行。1.輸入電阻和輸出電阻輸入電阻：激勵(lì)電極間的電阻輸出電阻：霍爾電極之間的電阻2.額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流額定控制電流：當(dāng)霍爾元件有激勵(lì)電流使其本身在空氣中產(chǎn)生10℃溫升時(shí)，對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流值。最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流值。

因霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增加而性增加,所以,使用中希望選用盡可能大的激勵(lì)電流,因而需要知道元件的最大允許激勵(lì)電流,改善霍爾元件的散熱條件,可以使激勵(lì)電流增加。

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),若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,則它的霍爾電勢(shì)應(yīng)該為零,但實(shí)際不為零。這時(shí)測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)稱不等位電勢(shì)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有:

（1）霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位面上;

（2）半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻;

（3）激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。

（4）不等位電勢(shì)就是激勵(lì)電流流經(jīng)不等位電阻所產(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),霍爾電極輸出除了交流不等位電勢(shì)外,還有一直流電勢(shì),稱寄生直流電勢(shì)。其產(chǎn)生的原因有:

（1）激勵(lì)電極與霍爾電極接觸不良,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