第6章磁敏式传感器.

第6章磁敏式传感器6.1磁电感应式传感器B16.2霍尔式传感器A6.3磁敏电阻器B36.4磁敏式传感器的应用C424磁敏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。磁敏式传感器种类不同，其原理也不完全相同，因此各有各的特点和应用范围。概述概述概述磁电感应式传感器也称为电动式或感应式传感器。◆磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生电动势的，不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是有源传感器。◆由于它输出功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000Hz），所以得到普遍的应用。6.1磁电感应式传感器6.1.1磁电感应式传感器工作原理◆根据电磁感应定律，当w匝线圈在恒定磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为Φ，则线圈内的感应电势E与磁通变化率dΦ/dt有如下关系：◆根据这一原理，可以设计成两种磁电传感器结构：变磁通式和恒磁通式。(61)dEwdt6.1磁电感应式传感器图6-1（a）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随之一起转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速。6.1磁电感应式传感器1、变磁通式磁电传感器图6-1（a）测量旋转物体角速度图6-1（b）为闭磁路变磁通式，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感生电动势。感应电势的频率与被测转速成正比。6.1磁电感应式传感器图6-1（b）2、恒磁通式磁电传感器6.1.1磁电感应式传感器◆磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动圈式），当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大。当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动。振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势。补偿线圈通以经放大K倍的电流，适当选择补偿线圈参数，可使交变磁通与传感器的交变磁通相互抵消◆其运动部件也可以是磁铁（动铁式），动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的。6.1.1磁电感应式传感器图6-2恒磁通式磁电传感器结构原理图产生感应电势为:式中：B0——工作气隙磁感应强度；L——每匝线圈平均长度；w——线圈在工作气隙磁场中的匝数；v——相对运动速度。0(62)EBLwv6.1磁电感应式传感器6.1.2磁电感应式传感器基本特性◆当测量电路接入磁电传感器电路中，磁电传感器的输出电流I为:（6-3）式中：Rf——测量电路输入电阻；R——线圈等效电阻。◆传感器的电流灵敏度为:00ffBLwvEIRRRR00(64)IfIBLwSvRR6.1磁电感应式传感器◆而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为:◆当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化而产生测量误差。相对误差为◆磁电式传感器在使用时存在误差，主要为非线性误差和温度误差。000(65)fffBLwvRUIRRR00(66)fUfBLwRUSvRR(67)IIdsdBdLdRsBLR6.1磁电感应式传感器图6-3传感器电流的磁场效应1)非线性误差主要原因：由于传感器线圈内有电流I流过时，将产生一定的交变磁通，此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化如图6-3所示。6.1磁电感应式传感器当产生较大感生电势E和较大电流I，由此产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱工作磁场作用，此时灵敏度减小，反之，灵敏度增加。补偿附加磁场干扰，加补偿线圈图6-2aI2）温度误差当温度变化时，式（6-7）中右边三项都不为零，对铜线而言每摄氏度变化量为dL/L≈0.167×10-4，dR/R≈0.43×10-2，dB/B每摄氏度的变化量取决于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，这样由式（6-7）可得近似值：这一数值是很可观的，所以需要进行温度补偿。补偿通常采用热磁分流器——由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。6.1磁电感应式传感器4.5%10tC磁电式传感器直接输出感应电动势，且传感器通常具有较高的灵敏度，不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。图6-4为一般测量电路方框图。图6-4磁电感应式传感器测量电路方框图6.1磁电感应式传感器6.1.3磁电感应式传感器测量电路在磁场中有电磁效应（霍尔效应）而载流半导体输出电动势的一种传感器。◆随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。◆广泛用于电磁测量电流、磁场、压力、加速度、振动等方面的测量。6.2霍尔传感器6.2.1霍尔效应及霍尔元件1）霍尔效应置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时（右手定则），载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应，该电势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。◆图6-5所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一个导电板，导电板通以电流I，方向如图所示。图6-5霍尔效应原理图6.2霍尔传感器6.2霍尔传感器◆导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。此时，每个电子受洛仑磁力Fm的作用（左手定则），Fm的大小为：式中：e-电子电荷；v-电子运动平均速度；B-磁场的磁感应强度。mFevB6.2霍尔传感器则◆此时电荷不再向两底面积累，达到平衡状态。(610)HHUEb(611)HeEevB(612)HEvB(613)HUbvB6.2霍尔传感器◆Fm的方向在图6-5中是向里的，此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在Fm的作用由外向里漂移，结果使金属导电板里底面积累电子，而外底面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH，称霍尔电场，该电场强度为:◆若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速度为v，则激励电流I=nvbd（-e），则:将式（6-14）代入式（6-12）得:将上式代入式（6-10）得:614Ivbdne（）615HIBEbdne（）616HIBUned（）6.2霍尔传感器◆式中令RH=-1/（ne），称之为霍尔常数，其大小取决于导体载流子密度，则:式中:KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度，指在单位磁感应强度和单位控制电流作用时所能输出的霍尔电势的大小。◆由式（6-17）可见：霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。HHHIBURKIBd6.2霍尔传感器617（）◆对霍尔片材料的要求，希望有较大的霍尔常数RH，霍尔元件激励极间电阻，同时，其中UI为加在霍尔元件两端的激励电压，EI为霍尔元件激励极间内电场，v为电子移动的平均速度。则：6.2霍尔传感器/()RLbdIIUELvLRIIunevbd(620)LLbdnebd解得:(621)HR6.2霍尔传感器◆从式（6-21）可知，霍尔常数等于霍尔片材料的电子迁移率μ与电阻率的乘积。若要霍尔效应强，即霍尔电势大，则RH值大，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。◆一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低；故只有半导体材料适于制造霍尔片。目前常用材料有：锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中N型锗易加工制造，霍尔系数、温度性能和线性度都较好；N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗相近；锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。书中表6-2为常用国产霍尔元件的技术参数。6.2霍尔传感器此外，霍尔电势的大小还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件的厚度d与KH成反比，因此，霍尔元件的厚度越小，其灵敏度越高。当霍尔元件的宽度b加大，或减小时，载流子在偏转过程中的损失将加大，使UH下降。通常要对式（6-17）加以形状效应修正：6.2霍尔传感器()(623)HHLUKIBfbLb式中，为形状效应系数，其修正值如表6-1所示。()Lfb6.2霍尔传感器Lb()Lfb0.51.01.52.02.53.04.00.3700.6750.8410.9230.9670.9840.996表6-1形状效应系数霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成，如图6-6（a）所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图6-6（b）所示。6.2霍尔传感器图6-6霍尔元件2）霍尔元件基本结构3）霍尔元件基本特性●额定激励电流和最大允许激励电流●输入电阻和输出电阻●不等位电势和不等位电阻6.2霍尔传感器图6-7不等位电阻元件自身温升10℃，所流过的激励电流以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流激励电极间的电阻值霍尔电极输出电势的输出电阻当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零，此时测得的空载霍尔电势称不等位电势。●寄生直流电势在外加磁场为零，霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，为寄生直流电势。●霍尔电势温度系数在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1℃时霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。见书表6-2.原因：霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布不等位电势可用不等位电阻表示：式中：U0为不等位电势，r0为不等位电阻；IH为激励电流00HUrI原因：激励电极与霍尔电极接触不良；两个霍尔电极大小不对称6.2霍尔传感器6.2.2霍尔传感器的基本电路1）简单的恒电压工作电路6.2霍尔传感器图6-8霍尔传感器的恒电压工作电路恒电压工作电路如图6-8所示，是一种非常简单的施加控制电流的方法。恒电压工作电路比较适合于精度要求不是很高的数字方面的应用，例如录像机的电动机位置检测等。6.2霍尔传感器（1）恒电压工作时的输出电压：1V电压驱动，测量0.1T的磁场时，SHS210输出电压21~55mv。（2）输入电阻的影响：恒电压工作时性能变坏的主要原因是存在霍尔效应传感器输入电阻的温度系数及磁阻效应（在磁场作用下电阻值变大的现象）6.2霍尔传感器图6-9霍尔传感器的恒电流工作电路2）简单的恒电流工作电路霍尔效应传感器的恒电流工作电路适于高精度测量，可以充分发挥霍尔效应传感器的性能。在恒电流工作时输出特性不受输入电阻温度系数以及磁阻效应的影响。当然，与恒电压工作电路相比，某些电路会变得复杂，不过这个问题不那么严重。霍尔效应传感器的恒电流工作电路如图6-9所示。6.2霍尔传感器图6-10（a）一个运算放大器构成的差动放大器3）霍尔效应传感器放大电路基本的差动放大电路◆霍尔效应传感器的输出电压通常只有数毫伏至数百毫伏，因而需要有放大电路。霍尔效应传感器是一种4端器件，为了消除非磁场因素引入的同向电压的影响，必须构成差动放大器，如图6-1