第5章电动势传感器.

第5章电动势式传感器本章包含三部分内容：5.1磁电感应式传感器5.2霍尔传感器5.3压电式传感器5.1磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。利用磁电作用将被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机－电能量变换型传感器。优点：输出功率大，性能稳定，且不需要工作电源。调理电路简单，性能稳定，输出阻抗小，具有一定频率响应（一般10～1000Hz），灵敏度较高，一般不需要高增益放大器。缺点：传感器的尺寸和重量都较大。应用：适用于振动、转速、扭矩等测量。5.1.1工作原理N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁通量Φ的变化率，即：如:当线圈垂直于磁场方向运动以速度v切割磁力线时，感应电动势为：ｅ=－Ndφ/dt式中：l－每匝线圈的平均长度；B－线圈所在磁场的磁感应强度。ｅ=－NBlv引起dφ/dt变化的因素：①线圈切割磁力线----恒定磁通式（动圈式和动铁式）；②Φ=BS，磁场强度B改变----变磁通式（磁阻式）。磁电感应式动圈式磁阻式线速度型角速度型N变磁通式恒定磁通式动磁式闭磁路开磁路5.1.2磁电感应式传感器的类型下图(b)为闭磁路变磁通式传感器结构示意图，被测转轴带动椭圆形测量齿轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则在线圈中产生感应电动势，其频率f与测量齿轮转速n(r/min)成正比，即f=n/30。图(a)为开磁路变磁通式传感器结构示意图，1、变磁通式磁电传感器测速电机磁电式车速传感器磁阻式传感器图5.3和图5.4分别为动圈式和动磁式的结构原理图。组成：金属骨架1、弹簧2、线圈3、永久磁铁4和导磁壳体5等。特征：这种结构磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路气隙不变，气隙中磁通也不变，运动部件可以是磁铁，也可以是线圈。两者工作原理完全相同。图5.3动圈式NS12345图5.4动铁（磁）式2、恒定磁通式磁电传感器图5.3。当线圈在垂直于磁场方向作直线运动时，若线圈相对磁场的运动速度为v，则所产生的感应电动势：e=－BlＮ０v式中：l——每匝线圈的平均长度；B——线圈所在磁场的磁感应强度；Ｎ０——线圈有效匝数。当传感器结构参数确定后，B、l、N０均为定值，故感应电动势e与线圈相对运动速度v成正比，所以这类传感器的基本形式是速度型传感器，能直接测量线速度。5.1.3特性分析磁电感应式传感器是惯性式拾振器，适用于测量动态物理量，因此动态特性是这种传感器的主要性能。其等效电路如下(L传感器线圈电感、Ｒ线圈电阻)若在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。1、磁电式振动速度传感器CD/BCD-21系列利用线圈在永久磁场中作切割磁力线运动，产生与振动速度成正比的电压信号。经放大，微分或积分运算可测振动速度、加速度或位移。灵敏度高难度、内阻低。在机械振动测试中被广泛采用。为使用方便，配有CZ-3磁座。5.1.4磁电感应式传感器应用型号CD-1CD-2CD-4CD-7-CCD-7-SCD-8-FCD-21-2-CCD-21-2-SBCD-21灵敏度mv/μm600300600600，600020200,280290频率范围Hz10～5002～5002～3000.5～202～50010～100010～1000最大可测位移±1mm±1.5mm±7.5mm±6mm±1mm±1mm最大可测加速度m/s25010010010500(冲击）500(冲击)线性度(%)5555555测量方式绝对相对相对绝对非接触绝对绝对尺寸(mm)φ45×135φ50×170φ65×17070×70×130φ22×55φ35×70φ60×115应用范围稳态稳态稳态低频转速监视用防爆型号及技术参数图5.8为CD-1型振动速度传感器结构图。磁路系统：永久磁铁3用铝架4支撑，与壳体7固定在一起；工作线圈6和环行阻尼器2用心轴5连在一起组成质量块，由弹簧1、8支撑在壳体上。测试时，用磁性表座固定并夹紧传感器下端。2、磁电式转速传感器图5.9所示，磁路系统----永久磁铁3+定子5+转子2+气隙转子2的齿与定子5的齿相对时，气隙最小，磁阻最小（磁通量最大）转子2的齿与定子5的槽相对时，气隙最大，磁通量最小。磁电感应式扭矩仪工作原理图磁电传感器测量仪表齿形圆盘扭转轴磁电传感器213、磁电感应式扭矩仪由永久磁铁、线圈、弹性元件和齿状盘组成。测量扭矩时，将其转轴固定在被测轴两端，由两个磁电式传感器读出扭转转角后的信号，再作信号分析、处理，可求出扭转角。n与槽相对与齿相对2e'=Acos(ωt+ψ）221e'=Asin(ωt+ψ)111122e=Acosωte=AsinωtMMNSSN检测原理如下：受扭矩M作用，轴产生的变形角φ为：)Gd(D32ML22－则两感应电动势相位差φ0与扭角φ的关系为：Z0式中：Z为齿盘齿数。角度放大了Z倍，只要检测出φ0就能求出扭角φ。图5.11电磁流量传感器的原理示意图4、磁流量传感器利用导体切割磁力线，会在导体中产生电动势的原理来工作的。需注意：所测流体必须为导体。如酸、碱溶液等。5.2霍尔传感器基于霍尔效应，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类传感器。优点：结构简单、坚固、体积小；频率响应宽，动态范围（输出电动势的变化）大；无触点，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。SS500系列表面贴装霍尔效应传感器SS94B1系列线性位置传感器霍尔接近开关半导体磁性传感器各类霍尔传感器产品产品金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。敏感元件也称霍尔元件。图5.12霍尔效应原理图5.2.1霍尔效应霍尔电势的计算：式中：n---N型半导体材料中的电子密度；d---霍尔片的厚度；e---电子的电荷量，e＝1.602×10-19C；RH---霍尔系数，RH＝－1/(ne)，由载流材料物理性质决定；ＫH----霍尔元件的灵敏度系数，与材料的物理性质和几何尺寸有关。ＫＨ＝RH／d。I----控制电流的大小；B----磁感应强度；若磁场与霍尔片法线方向夹角θ≠0，则：）（14.5cosIBKUHH(5.13)BIKdBIRnedBIUHHH5.2.2霍尔元件结构及其特性分析①霍尔元件选材：N型锗---霍尔系数、温度性能、线性度好；P型硅---线性度最好，但带负载能力较差。②霍尔元件结构和外形见附图a：由霍尔片、4根引线和壳体组成。霍尔片大小：4mm×2mm×0.1mm4根引线:2根控制电流端引线（红色导线），要求焊接处欧姆接触----接触面积大、电阻小，呈纯电阻。2根霍尔电势输出引线以点接触对焊（绿色线）。③简化符号见附图2.１.霍尔元件材料和结构附图１外形与结构H附图2霍尔元件符号表示霍尔元件的主要技术参数有：１）灵敏度KH:B=1，I=1时的UH。２）输入、输出电阻：控制电流极间的电阻、霍尔电压极间的电阻。３）额定控制电流：在空气中使霍尔元件产生10℃温升的控制电流。４）不等位电势与不等位电阻(后面详述)５）寄生直流电势：当B=0时，在控制电流作用下的输出电势。６）感应零电势：当I=0时，在交变或脉动磁场中输出的电势。７）霍尔电势温度系数８）电阻温度系数：９）灵敏度温度系数：温度每变化1℃时霍尔元件灵敏度KH的变化率。10)线性度：２、霍尔元件的主要技术参数包括以下三方面：１）控制电流与输出之间的关系（UH–I特性）UH=KHIB，当磁场和环境温度一定，UH–I为线性关系。3、霍尔元件的电磁特性２）霍尔输出与磁场之间的关系（UH–B特性）当控制电流一定时，霍尔元件开路输出与B并不是完全线性关系。３）霍尔元件输入或输出电阻与磁场之间关系（R–B特性）霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而加大—磁阻效应；霍尔元件的磁阻效应使霍尔输出降低，尤其在强磁场时。5.2.3霍尔元件的基本驱动电路霍尔元件的基本驱动电路如图所示，电路比较简单，其中R用来调节控制电流，RL为负载电阻。其中：恒压驱动电路简单，但性能较差，随着磁感应强度增加，线性变坏，仅用于精度要求不太高的场合；恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小。（a）恒流驱动（b）恒压驱动霍尔元件可采用两种方式：恒流驱动或恒压驱动5.2.4霍尔元件的误差分析及补偿由于制造工艺问题以及实际使用时各种影响霍尔元件性能的因素，如元件安装不合理、环境温度变化等，都会影响霍尔元件的转换精度，带来误差。不等位电动势零位误差霍尔元件误差产生的主要原因：寄生直流电动势温度误差感应零电势霍尔元件的零位误差包括不等位电势、寄生直流电势和感应零电势等，其中不等位电势是最主要的零位误差。要降低除了在工艺上采取措施以外，还需采用补偿电路加以补偿。1、霍尔元件的零位误差及其补偿（a）两电极点不在同一等位面上（b）等位面歪斜图5.17霍尔元件不等位电势示意图（1）不等位电势及其补偿不等位电动势：当霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场（B=0）时，霍尔元件输出端之间的空载电动势。不等位电动势产生的原因：见图5.17。•霍尔元件的等效电路：可等效为四臂电桥（下图a）。•零位误差补偿方法：①制造工艺上采取措施，减少误差；②选材更精细；③采用补偿电路（图5.17b）当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场(B=0)时，霍尔输出除了交流不等位电动势外，还有直流电动势分量，称为寄生直流电动势。产生原因：由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而形成整流效应，以及两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同引起温差所产生的。它随时间而变化，导致输出漂移。因此在元件制作和安装时，应尽量使电极欧姆接触，并做到散热均匀，有良好的散热条件。（2）寄生直流电动势2、霍尔元件的温度误差及其补偿①采用恒流源供电和输入回路并联电阻图5.18温度补偿电路）（5.17rαα-βR00α--霍尔元件灵敏度温度系数；β--霍尔元件的电阻温度系数；r0--霍尔元件的初始输入电阻．霍尔元件的r0、α和β均可在产品说明书中查到。通常αβ，所以上式可简化为：rαβR00②合理选取负载电阻RL的阻值UR0LRHUL当霍尔元件接有负载RL时，如右图示，在RL上的电压为：)]Tβ(T[1RR)]Tα(T[1URURRRU0O0L0H0LHttLLL式中：RO0--温度T=T0时，霍尔元件的输出电阻；其他符号含义如前相同。为使负载上的电压不随温度而变化，应使dUL/d(T－T0)＝0，即：）（－5.181)αβ(RRO0L③采用恒压源和输入回路串联电阻当霍尔元件采用稳压电源供电，且霍尔元件输出开路状态下工作时，可在输入回路中串入适当的电阻来补偿温度误差。其分析过程与结果同式（5.17）。It°RtUHt↑，Rt↓IUHt↑，Rt↑电阻丝霍尔元件的输出具有正温度系数t↑，UH↑UHIt°RtRtt°UHRLa)输入回路串接热敏电阻c)输出端串接热敏电阻d)输入端并接热敏电阻图5-11采用热敏元件的温度误差补偿电路b)输入回路并接电阻丝④采用温度补偿元件（如热敏电阻、电阻丝等）图a)、b)、c)为霍尔元件具有负温度系数（温度升高，输出减小）时的补偿电路。图d)为霍尔元件具有正温度系数时的补偿电路。⑤采用桥路补偿电路图中RP用来补偿不等位电势，RX是热敏电阻，在霍尔元件输出端串接温度补偿电桥。若将霍尔元件与放大电路、温度补偿电路等集成在一起制成集成霍尔传感器，则性能优良、使用方便、体积小、成本低，输出功率大和输出电压高，应用比较广泛。桥路输出随温度变化的补偿电压，与霍尔元件输出的电压相加作为传感器的输出。5.2.5霍尔传感器的应用霍尔元件具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽、动态特性好和寿命长等许多优点，因而得到广泛应用。在电磁测量中，用它测量恒定或交变磁感应强度、有功功率、无功功率、相