車輛檢測技術(shù)-磁電式傳感器

磁電式傳感器簡稱感應(yīng)式傳感器，也稱電動(dòng)式傳感器。磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢的一種傳感器。它是一種機(jī)-電能量變換型傳感器，不需要外部供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍(一般為10～1000Hz)，適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。磁電式傳感器分為磁電感應(yīng)式傳感器和霍爾式傳感器兩類。按工作原理不同，磁電感應(yīng)式傳感器可分為恒定磁通式和變磁通式，即動(dòng)圈式傳感器和磁阻式傳感器。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(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，就能把被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號(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。一工作原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為：

（6-1）式中，B—穩(wěn)恒均勻磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；—導(dǎo)體有效長度；—導(dǎo)體相對磁場的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)一個(gè)W匝線圈相對靜止地處于隨時(shí)間變化的磁場中時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢e與磁通變化率有如下關(guān)系：

（6-2）根據(jù)以上原理，人們設(shè)計(jì)出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。變磁通式又稱為磁阻式，圖6-1是變磁通式磁電傳感器，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。圖6-1變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)1永久磁鐵；2軟磁鐵；3感應(yīng)線圈；4鐵齒輪；5內(nèi)齒輪；6外齒輪圖6-1（a）為開磁路變磁通式；線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨被測體一起轉(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，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(hào)較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。圖6-1（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(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外齒輪的相對轉(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，顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速應(yīng)正比。圖6-2恒定磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖(a)動(dòng)圈式；(b)動(dòng)鐵式圖6-2為恒定磁通式磁電傳感器典型結(jié)構(gòu)圖。它由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。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(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6-2（a）和動(dòng)鐵式圖6-2（b）的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測振動(dòng)體振動(dòng)時(shí)，由于彈簧較軟，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對較大，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，磁鐵與線圈的相對運(yùn)動(dòng)切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢為：

（6-3）式中：B—工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；—每匝線圈平均長度；W—線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù)；—相對運(yùn)動(dòng)速度。二磁電感應(yīng)式傳感器基本特性圖6-3磁電式傳感器測量電路當(dāng)測量電路接人磁電傳感器電路時(shí)，如圖6-3所示，磁電傳感器的輸出電流為：

式中：—測量線路輸人電阻；R—線圈等效電阻。傳感器的電流靈敏度為：

而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為：

（6-7）當(dāng)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(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí),其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測量誤差，其相對誤差為

（6-8）1非線性誤差磁電式傳感器產(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,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，如圖6-4所示。當(dāng)傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場的運(yùn)動(dòng)速度增大時(shí)，將產(chǎn)生較大的感應(yīng)電勢和較大的電流I，由此而產(chǎn)生的附加磁場方向與原工作磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。當(dāng)線圈的運(yùn)動(dòng)速度與圖6-4所示方向相反時(shí)，感應(yīng)電勢、線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn)生的附加磁場方向與工作磁場同向，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，這種非線性失真越嚴(yán)重。圖6-4傳感器電流的磁場效應(yīng)為補(bǔ)償上述附加磁場干擾，可在傳感器中加入補(bǔ)償線圈，如圖6-2（a）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)哪康摹?溫度誤差當(dāng)溫度變化時(shí)，式（6-8）中右邊三項(xiàng)都不為零，對銅線而言每攝氏度變化量為：每攝氏度的變化量決定于永久磁鐵的磁性材料。對鋁鎳鈷永久磁合金，，這樣由式（6-8）可得近似值如下：這一數(shù)值是很可觀的，所以需要進(jìn)行溫度補(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)。

第二節(jié)霍爾式傳感器霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國物理學(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)顯著而得到了應(yīng)用和發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測量。一霍爾效應(yīng)及霍爾元件1霍爾效應(yīng)置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢稱霍爾電勢。如圖6-5所示，在垂直于外磁場B的方向上放置一導(dǎo)電板，導(dǎo)電板通以電流I，方向如圖所示。導(dǎo)電板中的電流使金屬中自由電子在電場作用下做定向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，每個(gè)電子受洛倫茲力的作用，的大小為：

（6-9）—電子運(yùn)動(dòng)平均速度；B—磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。圖6-5霍爾效應(yīng)原理圖的方向在圖6-5中是向內(nèi)的，此時(shí)電子除了沿電流反方向作定向運(yùn)動(dòng)外，還在的作用下漂移，結(jié)果使金屬導(dǎo)電板內(nèi)側(cè)面積累電子，而外側(cè)面積累正電荷，從而形成了附加內(nèi)電場，稱霍爾電場，該電場強(qiáng)度為

（6-10）式中，為電位差?；魻栯妶龅某霈F(xiàn)，使定向運(yùn)動(dòng)的電子除了受洛倫茲力作用外，還受到霍爾電場力的作用，其力的大小為此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著內(nèi)、外側(cè)面積累電荷的增加，霍爾電場增大，電子受到的霍爾電場力也增大，當(dāng)電子所受洛倫磁力與霍爾電場作用力大小相等方向相反，即

（6-11）則：

（6-12）此時(shí)電荷不再向兩側(cè)面積累，達(dá)到平衡狀態(tài)。若金屬導(dǎo)電板單位體積內(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，即：

（6-13）將式（6-13）代入式（6-12）得：

（6-14）將上式代入式（6-10）得

（6-15）式中令，稱之為霍爾常數(shù)，其大小取決于導(dǎo)體載流子密度，則：

（6-16）式中，稱為霍爾片的靈敏度。由式（6-16）可見，霍爾電勢正比于激勵(lì)電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，其靈敏度與霍爾系數(shù)成正比而與霍爾片厚度成反比。為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀?；魻栐?lì)極間電阻同時(shí)（因?yàn)?，為電子遷移率），則：

（6-17）解得：

（6-18）從式（6-18）可知，霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積。若要霍爾效應(yīng)強(qiáng)，則希望有較大的霍爾系數(shù)，因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很?。欢^緣材料電阻率極高，但載流子遷移率極低，故只有半導(dǎo)體材料才適于制造霍爾片。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。其中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。銻化銦對溫度最敏感，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。2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6-6（a）所示?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四根引線：1、1‵兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱激勵(lì)電極（控制電極）；2、2‵引線為霍爾輸出引線，稱霍爾電極?；魻栐臍んw是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。在電路中，霍爾元件一般可用兩種符號(hào)表示，如圖6-6（b）所示。(a)外形結(jié)構(gòu)示意圖；(b)圖形符號(hào)1、1’—激勵(lì)電極；2、2’圖6-6霍爾元件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

當(dāng)霍爾元件自身溫升10時(shí)所流過的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流。以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵(lì)電流稱為最大允許激勵(lì)電流。因霍爾電勢隨激勵(lì)電流增加而線性增加，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。（2）輸人電阻和輸出電阻激勵(lì)電極間的電阻值稱為輸人電阻?；魻栯姌O輸出電勢對電路外部來說相當(dāng)于一個(gè)電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，且環(huán)境溫度在20±5時(shí)所確定的。（3）不等位電勢和不等位電阻當(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，則它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零。這時(shí)測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢，如圖6-7所示。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有：圖6-7

不等位電勢示意圖①霍爾電極安裝位置不對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。不等位電勢也可用不等位電阻表示，即：

（6-19）式中：U—不等位電勢；—不等位電阻；I—激勵(lì)電流。由式（6-19）可以看出，不等位電勢就是激勵(lì)電流流經(jīng)不等位電阻所產(chǎn)生的電壓，如圖6-11所