傳感器技術 課件 第6章 磁電式傳感器

第6章

磁電式傳感器6.1磁電感應式傳感器

磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的一種傳感器。原理：磁電感應式傳感器是利用導體和磁場發(fā)生相對運動產生感應電勢的傳感器。是一種機-電能量換型傳感器，不需供電電源，是直接從被測物體吸取機械能量并轉換成電信號輸出。（它還可以作為逆變器使用，稱之為反饋式傳感器、力平衡式傳感器。）特點：電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，有具有一定的頻率響應范圍（10～1000Hz），適用于振動、轉速、扭矩等測量。6.1.1工作原理和結構類型

磁電感應式傳感器是以電磁感應原理為基礎的，根據電磁感應定律，線圈兩端的感應電動勢正比于線圈所包圍的磁鏈對時間的變化率，即N--線圈匝數：Φ--線圈所包圍的磁通量。若線圈相對磁場運動為速度v或角轉度ω時，上式改寫為

e＝-NBlv

或e＝-NBsω在傳感器中，當結構參數確定后．即B、l、N、s均為定值，那么感應電勢e與線圈相對磁場的運動速度（v或ω）成正比。根據上述原理。人們設計了兩種類型的結構：一種是變磁通式；另一種是恒定磁通式。1變磁通式磁電感應式傳感器結構原理圖

圖(a)為開磁路變磁通式傳感器：當被測旋轉體轉動時，線圈中產生感應電勢，其變化頻率等于被測轉速與測量齒輪上齒數的乘積。圖(b)為閉磁路變磁通式傳感器：當被測轉軸轉動時，使氣隙磁阻產生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內產生周期性變化的感應電動勢，感應電勢的頻率與被測轉速成正比。2恒磁通式磁電感應式傳感器結構原理圖

磁路系統(tǒng)產生恒定的直流磁場，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）（圖（a）），也可以是磁鐵（動鐵式）（圖(b)），動圈式和動鐵式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，從而產生與運動速度成正比的感應電勢。

磁電感應式傳感器只適用于測量動態(tài)物理量，因此動態(tài)特性是其主要性能之一。因磁電感應式傳感器內部的結構運動屬機械系統(tǒng)，應用機械阻抗概念分析機械振動系統(tǒng)有很多方便之處?？梢杂煤唵蔚拇鷶捣椒ń獬雒枋鱿到y(tǒng)動態(tài)特性的傳遞函數方程，而不必去解微分方程，但分析的結果則完全一致。6.1.2特性簡要分析

當傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、機械振動或沖擊時，其靈敏度發(fā)生變化而產生測量誤差，相對誤差為實際應用中應考慮非線性誤差、溫度誤差等指標。6.1.3測量電路一、測量電路的方框圖

磁電感應式傳感器直接輸出感應電勢，由于該傳感器通常具有較高的靈敏度，所以一般不需要增益放大器。但磁電感應式傳感器是速度傳感器，如要獲取位移或加速度信號，就需配用積分電路或微分電路。二、積分電路有源積分電路原理圖：無源積分電路原理圖：有源和無源積分電路的對數漸近幅頻特性：一個實用的有源積分電路圖：三、微分電路無源微分電路基本有源微分電路實用有源微分電路有源微分電路的幅頻特性6.1.4磁電感應式傳感器應用舉例一、磁電感應式振動速度傳感器（CD-1型振動速度傳感器）1、8—

圓形彈簧片，2—圓環(huán)形阻尼器，3—永久磁鐵，4—鋁架，5—芯軸，6—線圈，7—殼體，9—引線磁電感應式轉速傳感器1—轉軸，2—轉子，3—永久磁鐵，4—線圈，5—定子二、磁電感應式扭矩傳感器測量扭矩時，兩個相同磁電感應式傳感器的轉軸分別固定在被測軸的兩端，其外殼固定不動。安裝時將一個傳感器的定子齒輪的齒與其轉子齒輪的齒相對；另一個傳感器的定子齒輪的槽與轉子齒輪的齒相對。當被測軸無轉矩時，扭轉角為零，兩傳感器線圈輸出信號相同，相位差為0；轉軸以一定的角速度旋轉時，兩個傳感器輸出相位差發(fā)生變化，不再為0，且隨兩齒輪所在橫截面之間相對轉角的增加而增大。設工作時，軸兩端產生扭轉角β，此時兩個傳感器輸出的感應電動勢將產生附加相位差β0。扭轉角β與感應電動勢相位差β0之間的關系為（n為傳感器定子或轉子的齒數）：可知，傳感器的輸出感應電動勢產生的附加相位差的大小與相對轉角、轉矩成正比。由測量電路將相位差轉換為時間差，就可以測出扭矩。6.2霍爾式傳感器

霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應原理而將被測量，如電流、磁場、位移、壓力等轉換成電動勢輸出的一種傳感器。

當載流導體或半導體處于與電流相垂直的磁場中時，在其兩端將產生電位差，這一現象被稱為霍爾效應。6.2.1霍爾效應和霍爾元件材料

一塊長為l、寬為b、厚為d的半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場（磁場垂直于薄片）中，當有電流I流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢UH。這種現象稱為霍爾效應。一、霍爾效應霍爾效應的輸入輸出特性為：（當磁場與薄片法線有α夾角時）霍爾式傳感器是由霍爾元件所組成，可測微小位移、壓力、機械振動等。二、霍爾元件材料1．鍺(Ge)：N型及P型均可。2．硅(Si)：N型及P型均可。3．砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)：這兩種材料的特性很相似。6.2.2霍爾元件構造及測量電路一、構造霍爾元件由霍爾片、四極引線和殼體組成。二、測量電路

激勵電流由電源E供給，可變電阻RP用來調節(jié)激勵電流I的大小。RL為輸出霍爾電勢UH的負載電阻。通常它是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗?；魻栃⒌臅r間極短（10-12～10-14S），I即可以是直流，也可以是交流。若被測物理量是I、B或者IB乘積的函數，通過測量霍爾電勢UH就可知道被測量的大小。6.2.3霍爾元件的主要技術指標一、額定激勵電流IH

使霍爾元件溫升10℃所施加的控制電流值稱為額定激勵電流。通常用IH表示。當霍爾元件做好之后限制額定電流的主要因素是散熱條件。二、輸入電阻Ri

它是指控制電流極間的電阻值。它規(guī)定要在室溫(20±5℃)的環(huán)境溫度中測取。三、輸出電阻Rs

它是指霍爾電極間的電阻值。規(guī)定中要求在(20±5℃)的條件下測取。四、不等位電勢及零位電阻r0

當霍爾元件通以控制電流IH而不加外磁場時，它的霍爾輸出端之間仍有空載電勢存在，該電勢就稱為不等位電勢（或零位電勢）。產生原因：

1霍爾電極安裝位置不正確；

2半導體材料不均勻或幾何尺寸不對稱；

3因控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布等。

零位電阻r0：其中：U0為不等位電勢（或稱零位電勢）；r0為不等位電阻（或稱零位電阻）零位電勢及零位電阻都是在直流下測得的。五、寄生直流電勢

當不加外磁場，控制電流改用額定交流電流時，霍爾電極間的空載電勢為直流與交流電勢之和。其中的交流霍爾電勢與前述零位電勢相對應，而直流霍爾電勢是個寄生量，稱為寄生直流電勢V。六、熱阻RQ

它表示在霍爾電極開路情況下，在霍爾元件上輸入1mW的電功率時產生的溫升，單位為℃／mW。所以稱它為熱阻是因為這個溫升的大小在一定條件下與電阻有關。6.2.4霍爾元件的補償電路一、不等位電勢的補償二、溫度補償

一般半導體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度變化而變化，為此需要進行溫度補償。1分流電阻法

2電橋補償法測量電路6.2.5霍爾式傳感器的應用舉例1霍爾式位移傳感器2霍爾式壓力傳感器產生梯度磁場的磁路系統(tǒng)

霍耳開關集成傳感器是利用霍耳效應與集成電路技術結合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關的物理量，并以開關信號形式輸出?；舳_關集成傳感器具有使用壽命長、無觸點磨損、無火花干擾、無轉換抖動、工作頻率高、溫度特性好、能適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點。3霍耳開關集成傳感器3020T輸出VoutR=2kΩ+12V123（b）應用電路

（a）外形

霍耳開關集成傳感器的外型及應用電路123由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內工作；開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。

①

霍耳開關集成傳感器的結構及工作原理霍耳開關集成傳感器內部結構框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大BT整形地H②

霍耳開關集成傳感器的應用

霍耳開關集成傳感器的接口電路RLVACVccVccVACVccKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳開關集成傳感器的一般接口電路VACRL其他應用：霍爾轉速表

在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，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隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。SN線性霍爾磁鐵霍爾轉速表原理

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?；魻栟D速傳感器在汽車防抱死裝置(ABS)中的應用帶有微型磁鐵的霍爾傳感器若汽車在剎車時車輪被抱死，將產生危險。用霍爾轉速傳感器來檢測車輪的轉動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。

霍爾式無刷電動機

普通直流電動機使用的電刷和換向器

光驅用的無刷電動機內部結構霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉子和定子之間的相對位置