磁电式传感器

第七章磁电式传感器第一节磁电感应式传感器磁电感应式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度转换成线圈中的感应电势输出。特点:（1)工作不需要外加电源，而是直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出，这是一种典型的发电型传感器。（2)传感器输出功率大，简化了配用的二次仪表电路。（3)它的性能稳定，还可以针对使用对象做成不同的结构形式。磁电式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。本章主要介绍磁电感应式传感器和霍尔传感器。一、工作原理:根据电磁感应定律，线圈两端的感应电势e正比于匝链线圈的磁通的变化率，即tWeddΦ—匝链线圈的磁通；W—线圈匝数。★若线圈在恒定磁场中作直线运动并切割磁力线时，则线圈两端产生的感应电势e为sinsinWBlvtxWBleddB—磁场的磁感应强度；x—线圈与磁场相对运动的位移；v—线圈与磁场相对运动的速度；θ—线圈运动方向与磁场方向之间的夹角；W—线圈的有效匝数；l—每匝线圈的平均长度。当θ=90o（线圈垂直切割磁力线）时，有：WBlve★若线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线，感应电势为sinsinWBStWBSedd式中，—旋转运动的相对角速度（）；tddS—每匝线圈的截面积；θ—线圈平面的法线方向与磁场方向间的夹角。●当θ=90o时，可写成:WBSe由上可见：当传感器的结构确定后，B、S、W、均为定值，因此，感应电势e与相对速度（或）成正比。lv根据上述基本原理，磁电式传感器可分为两种基本类型：变磁通式；恒定磁通式。1．变磁通式永久磁铁与线圈均不动，感应电势是由变化的磁通产生的。如图7-1所示的转速传感器。●结构特点：永久磁铁、线圈和外壳均固定不动，齿轮安装在被测旋转体轴上。当齿轮转动时，齿轮与软铁磁轭之间的气隙距离随之变化，从而导致气隙磁阻和穿过气隙的主磁通发生变化。2．恒定磁通式工作气隙中的磁通保持不变，而线圈中的感应电势是由于工作气隙中的线圈相对永久磁铁运动，并切割磁力线产生的，输出感应电势与相对速度成正比。（1）磁电式振动传感器（a)工作原理磁电式振动传感器由永久磁铁（磁钢）、线圈、弹簧、阻尼器和壳体等组成，如图7-2所示。它是一种典型的二阶传感器，可以用一个由集中质量m、集中弹簧K和集中阻尼器C组成的二阶系统来表示，如图7-3所示。(b)典型结构磁电式振动传感器的结构有多种：按活动部件是磁铁还是线圈又可分为动钢型和动圈型磁电式传感器。动钢型磁电式传感器动圈型磁电式传感器第二节霍尔式传感器霍尔式传感器是基于霍尔效应将被测量（如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等）转换成电动势输出的一种传感器。霍尔式传感器特点:★优点:结构简单、体积小、坚固、频率响应宽（从直流到微波）、动态范围（输出电动势的变化）大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化。★缺点：转换率较低、温度影响大、要求转换精度较高时必须进行温度补偿。一、霍尔效应图7-11所示，一块长为、宽为w、厚为d的N型半导体簿片，位于磁感应强度为B的磁场中，B垂直于-w平面。沿通电流I，N型半导体中载流子一电子将受到B产生的洛伦兹力FB的作用。lll霍尔元件的结构及工作原理半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。磁感应强度B为零时的情况cdab磁感应强度B较大时的情况作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：EH=KHIB霍尔效应演示当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab在力FB的作用下，电子向半导体片的一个侧面偏转，在该侧面上形成电子的积累，而在相对的另一侧面上因缺少电子而出现等量的正电荷。在这两个侧面上产生霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。洛伦兹力FB为evBFB—半导体电子运动的速度；—电子的电荷量。ve霍尔电场产生的电场力FH为weUeEFHHH电流密度，n是单位体积中的载流子数。则流经载流体的电流nevjnevwdjwdI将电子速度代入式（7-20），则霍尔电势为newdIvIBKdIBRnedIBUHHHRH—霍尔系数。系数反映霍尔效应的强弱。KH—霍尔器件的灵敏度。它表示霍尔器件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小。由此可见：霍尔器件的灵敏度，不仅与霍尔器件的材料有关，还与尺寸有关。当外界磁场强度B和激励电流I中的一个量为常数而另一个为输入量时，则输出霍尔电势正比于B或I。当B和I均为输入变量时，则输出霍尔电势正比于B和I的乘积。如果磁场方向与半导体簿片法线方向不垂直，其角度为，则霍尔电势为cosHHIBKU★霍尔电场阻止电子继续偏转，当电场力FH与磁场力FB相同时，电子积累就达到动态平衡。此时，两侧面建立的电场称为霍尔电场。evBeEH当电子运动的方向与外磁场强度的方向相互垂直时，则有wvBwEUHH霍尔电势的大小决定于载流体中电子的运动速度，通常称为载流子迁移率。它是指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值，此值与载流体材料有关。(7-20)二、霍尔元件霍尔元件的外形如图7-12所示，它是由霍尔片、4根引线和壳体组成，如图7-12（b）所示。霍尔元件的壳体上是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最常用的霍尔元件材料是锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）和不同比例亚砷酸铟和鳞酸铟组成的In（AsyP1-y）型固熔体（其中y表示百分比）等半导体材料。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片（一般为4mm×2mm×0.1mm），在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线。（其焊接处称为控制电流极（或称激励电极），要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触（无PN结特性）。在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线。（其焊接处称为霍尔电极，要求欧姆接触，且电极宽度与基片长度之比要小于0.1，否则影响输出。）三、霍尔元件的不等位电势和温度误差的补偿1、不等位电势的产生及其补偿不等位电势定义：霍尔元件在额定激励电流作用下，不加外磁场时，霍尔电极间的空载电势Uo，称为不等位电势，它是一个主要的零位误差。产生原因：（1）在制作霍尔元件时，两个霍尔电极不可能保证装在同一等位面上，如图7-13所示；（2）霍尔元件材料的电阻率不均，霍尔片的厚度、宽度不一致，电极与片子的接触不良等也会产生不等位电势。可以把霍尔元件等效为一个电桥，如图7-14所示。霍尔元件的等效电路：补偿方法：当两个霍尔电极在同一等位面上时，四桥臂电阻相等，此时电桥平衡，无不等位电势（）。当霍尔电极不在同一等位面上时，四桥臂电阻不等，电桥处于不平衡状态，输出电压U0不等于零（）。所有能使电桥达到平衡的方法都可用来补偿不等位电势。0oU0oU2、温度误差及补偿霍尔元件与一般半导体元件一样，对温度的变化是很敏感的。这是因为霍尔元件的电阻率、载流子迁移率、浓度等都是温度的函数。因此，在工作温度变化时，它的一些特性参数，如内阻、霍尔电势等都要发生相应的变化，从而使霍尔传感器产生温度误差，必须采用适当电路进行补偿。（1）输入端并联电阻法由，因Ri随温度变化，影响流过Ri的控制电流IC。现采用恒流源供电，使总电流I保持不变。为补偿IC和KH随温度的变化，可在输入端并联一适当的电阻R，如图7-16所示。IBKUHH为达到补偿目的，应使温度为t0和t时的霍尔电势相等，即，这时，R取值应为HtHtUU0/αRαβR0it因R0，这一方法要求α和β有相同的符号，且比值β/α1。式中，β—霍尔元件内阻温度系数；α—霍尔电势温度系数；—温度t0时霍尔元件的输入电阻。0itR（2）采用热敏元件法四、应用1．微位移的测量如果保持霍尔元件的激励电流不变，使其在一个均匀梯度的磁场中移动，则其输出的霍尔电势值，只与它在磁场中的位移量成正比。根据这一原理，即可对微位移进行电测量。霍尔元件置于梯度磁场的中间，两磁铁正中间处作为位移参考原点，。此处磁感应强度B=0，霍尔电势UH=0。当霍尔元件在z轴方向有位移时，即有霍尔电势输出。当两块磁铁越接近时，磁场梯度越大，灵敏度越高。在位移量2mm范围内，UH与x有良好的线性关系。0zz图7-20（b）中是两个直流磁系统共同形成的一个高梯度磁场，磁场梯度可达1T/mm，灵敏度较高，但其可测量的位移量特别小，一般mm。5.0z图（a）是把永磁体粘贴在旋转体上部，图（b）是把永磁体粘贴在旋转体边缘。每个永磁体都形成一个小磁场，当旋转体转动时，则霍尔电势发生突变。图（c）是其输出信号波形。永磁体越多，分辨率越高，但最小脉冲周期不能小于计数周期。2．转速测量霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔元件霍尔元件磁铁霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔元件测量铁心气隙的B值霍尔转速表6022fn在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。SN线性霍尔磁铁霍尔转速表原理当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔霍尔转速表的其他安装方法只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。霍尔元件磁铁霍尔式无触点汽车电子点火装置采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔元件就是以前的点火线圈和分电器替代产品霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。普通直流电动机使用的电刷和换向器霍尔式接近开关磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。霍尔式接近开关用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。n=60f4(r/min)软铁分流翼片开关型霍尔ICT霍尔式接近开关用于转速测量演示霍尔电流传感器将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口作业作业7-1磁电式传感器的基本原理是什么？7-2磁电式传感器的产生非线性的原因是什么？7-3试举三例磁电式传感器的应用。画简图说明其工作原理。7-4今有激磁频率为2.5kHz差动变压器式测振传感器和固有频率为50Hz的电动式测振传感器各一只，欲测频率为400~500Hz振动，应选用哪一只？说明原因。7-5欲设计一只磁电式振动加速度传感器，要求测量50Hz振动频率，最大振动误差不超过5%。若相对阻尼比系数ξ取为0.6，问传感器的固有频率应为多大？7-6什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？7-7影响霍尔元件输出零点的因素有哪些？怎样补偿？