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第七章磁传感器第一节磁电式传感器的原理与结构第二节电磁血流量计第三节霍尔传感器磁电式传感器磁电感应式传感器,是利用电磁感应原理将被测量转换成电信号的一种传感器。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,是有源传感器输出功率大且性能稳定,具有一定的工作带宽(10~1KHz)7.基本原理根据电磁感应定律,当W匝线圈在均恒磁场中运动时,设穿过线圈的磁通为φ,则线圈的感应电势e为:dtdWe负号表示感应电动势总是反抗磁通量的变化7.基本原理当线圈在磁场中作直线运动时,它所产生的感生电势为:eWBLvWBLvsindxWBLsindt7.基本原理当线圈在磁场中转动时产生的感应电势e为:eWBAWBAsindWBAsindt7.基本原理在线圈结构一定的情况下,这种线圈的感应电势与线圈对磁场的相对运动速度v(或者ω)成正比,可以用于测量速度和角速度由于速度与位移存在积分关系,与加速度存在微分关系,通过在电路中接入积分电路或者微分电路便可以测量运动的位移和加速度7.磁电式传感器的结构与分类恒定磁通式磁电传感器7.磁电式传感器的结构与分类变磁阻式磁电传感器7磁电式传感器的误差和补偿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Io为iiRRLvWBRREI00传感器的电流灵敏度为iIRRLWBvIS0传感器的输出电压为iiiRRLWvRBRIU000传感器的电压灵敏度为iiURRLWRBvUS007磁电式传感器的误差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iUUIIRRdRLdLBdBsdssdsdL/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≈-0.02×10-27.温度误差温度补偿负温度系数热敏电阻与线圈串联热磁分路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。当温度升高时,热磁分流器的磁导率显著下降,经它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低,从而保持空气隙的工作磁通不随温度变化,维持传感器灵敏度为常数7.磁电式传感器的非线性误差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φi叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上。使得传感器的灵敏度受到影响。补偿线圈7.磁电式传感器的非线性误差7.电磁流量计的工作原理7.电磁流量计的工作原理7.电磁血流量计的组成7.电磁血流量计的探头7.电磁血流量计的探头7.电磁血流量计的检测电路直流激励受交流电磁场干扰影响很小直流磁场易使通过测量管道的电解质液体被极化,即电解质在电场中被电解,产生正负离子。在电场力的作用下,负离子跑向正极,正离子跑向负极。将导致正负电极分别被相反极性的离子所包围易受到其他信号的干扰,如心电信号7.电磁血流量计的检测电路交流激励相当于调制,可以有效地去除干扰变压器效应:交变电流引发交变磁场,从而使电极、血液和导线回路内的磁通量发生改变7.电磁血流量计的检测电路7.霍尔式传感器利用霍尔元件(Hallelement)基于霍尔效应原理而将被测量转换为电动势输出的一种传感器霍尔效应金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中,当有电流I流过时,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH,这种现象称为霍尔效应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磁感应强度B为零时的情况cdab磁感应强度B为零时的情况cdab2、霍尔电势洛仑兹力qvBfL电场力bqUqEfHHE/两力平衡时,bqUqvBH/dnqvbdjbInqbdIv/pqbdIv/电流密度j=nqvn—N型半导体中的电子浓度N型半导体P型半导体p—P型半导体中的空穴浓度霍耳电势UH与I、B的乘积成正比,而与d成反比。HHIBURdHR—霍耳系数,由载流材料物理性质决定。ρ—材料电阻率μ—载流子迁移率,μ=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。型)(型)(PqpRNqnRHH11bUvBH/)/(nqbdIvdIBRnedIBUHHRH------霍尔系数(二)霍尔元件的电磁特性①UH–I特性在磁场和环境温度一定时,霍尔输出电势UH与控制电流I之间呈线性关系,如图所示,直线的斜率称为控制电流灵敏度,用k1表示k1=(UH/I)B恒定代入可以得到k1=kHB因此,霍尔元件的灵敏度系数kH越大,其k1也越大。②UH-B特性当控制电流一定时,霍尔元件的开路输出电压随磁感应强度的增加并不是完全成线性关系,只有当B小于0.5T时,UH–B的线性度才比较好。R~B特性指霍尔元件的输入电阻与磁场之间的关系。霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而增加的现象称为磁阻效应磁阻效应的物理本质对某种速度运动的电子,若霍尔电场作用力恰好抵消洛仑磁力,电子沿直线运动,小于此速度的电子将沿霍尔电场方向偏转,而大于此速度的电子将沿洛仑磁力方向偏转。这种偏转将使沿控制电流方向的电流密度减小,也就是由于磁场的存在增加了元件的内阻7霍尔元件的误差与补偿1.零位误差当霍尔元件通以控制电流而不加外磁场时,其输出端仍然存在空载电动势,称为不等位电势7.霍尔元件的误差与补偿不等位电势的补偿使霍尔电极对称补偿电路DR1R2CBAR3R47.霍尔元件的误差与补偿WABDR2R3R4R1CWADCBWDCABWABDR2R3R4R1CWDCABBWBDR2R3R4R1AC2、寄生直流电势当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时,霍尔输出除了交流不等位电势外,还有一直流电势分量,称寄生直流电势。3、感应零电势霍尔元件在交流或脉动磁场中工作时,即使不加控制电流,霍尔端也会有输出,这个输出就是感应零电势。它是由于霍尔电极的引线布置不合理而造成的。4、自激场零电势当霍尔元件通以控制电流时,此电流也会产生磁场,该磁场称为自激场。7.霍尔元件的误差与补偿温度误差由于霍尔元件一般由半导体材料制成,而半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度都随温度变化,因此其性能参数如输入电阻、输出电阻和霍尔常数等也随着温度而变化,从而导致霍尔电势变化,产生温度误差温度误差补偿恒流源供电,输入回路并联电阻IUHtUHIRPRi(t)Rt(t)RPIUHI温度误差补偿霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数,它随温度的变化引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数和输入电阻与温度的关系可写成001TTkkHHT设初始温度为T0,霍尔元件输入电阻为Ri0,灵敏系数为KH0,分流电阻为Rp,根据分流概念得00iPPHRRIRI001TTRRiiT温度误差补偿当温度升至T时,电路中各参数变为001TTRRiiT)1(0TRRIRRRIRIiPPiTPPHT虽然温度升高ΔT,补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电势不变BIKBIKUUHTHTHHHH0000)(iPRR温度误差补偿恒压源供电,输入回路串联电阻进行补偿EIUHRUHtRo(t)RIUHERi(t)温度误差补偿恒流源供电,利用输出回路的负载进行补偿UHIIRLUHtRi(t)Ro(t)RLIUHI温度误差补偿HtH0OtO0H0LLtLO0LLt,,,O0LO02LO0UU(1t)RR(1t)U(1t)RURR(1t)RdU0dtxxyyx[)],R1t)RR1t)0yyRR霍尔元件的霍尔电势与温度的关系:霍尔元件的输出电阻与温度的关系:此时,负载上的电压为:负载电压随温度变化最小的极值条件为:根据(可得((即,温度误差补偿热敏电阻具有负温度系数,电阻丝具有正温度系数(a)、(b)、(c)中的霍尔元件具有负温度系数(d)中的霍尔元件具有正温度系数温度误差补偿E2w1w2E1w3R2R3R4R1RtUHt调节电位器W1可以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成,在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。当温度变化时,热敏电阻将随温度变化而变化,使电桥的输出电压相应变化,只要仔细调节,即可补偿霍尔电势的变化,使其输出电压与温度基本无关例子:已知某霍尔元件尺寸为长l=10mm,宽b=3.5mm,厚d=1mm。沿l方向通以电流I=1.0mA,在垂直于b×l面方向上加均匀磁场B=0.3T,输出霍尔电势UH=6.55mV。求该霍尔元件的灵敏度系数KH和载流子浓度n是多少?UHbldIFLBH6.55K=21.81.0*0.31HneKd例子:霍尔元件灵敏度SH=40V/(AT),控制电流为3mA,将其置于B=1*10-4~5*10-4T的线性变化磁场中,其输出霍尔电势的范围有多大?IBSUHH(V)102.110110340543minminIBSUHH(V)10610510340543maxmaxIBSUHH解:霍尔电势变化范围在12uV~60uV之间。霍尔元件的测量电路霍尔元件的基本测量电路如图(a)所示。为了获得更大的霍尔输出电势,可以采用几片叠加的连接方式。图(b)为直流供电情况。图(c)为交流供电情况。2020/1/4霍尔传感器集成电路霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上,输出电压为伏级,比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。线性型三端霍尔集成电路1线性型霍尔传感器特性2020/1/4线性型霍尔传感器特性右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时,它的输出电压等于零;当感受的磁场为正向(磁钢的S极对准霍尔器件的正面)时,输出为正;磁场反向时,输出为负。请画出线性范围开关型霍尔传感器集成电路开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门(集电极开路输出门)等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时,OC门由高阻态变为导通状态,输出变为低电平;当外加磁场强度低于释放点时,OC门重新变为高阻态,输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。2020/1/452VccOC门施密特触发电路双端输入单端输出运放霍尔元件.开关型霍尔集成电路的外形及内部电路开关型霍尔传感器集成电路2020/1/453请按以下电路,将下一页中的有关元件连接起来.开关型霍尔集成电路(OC门输出)的接线开关型霍尔传感器集成电路开关型霍尔集成电路与继电器的接线?2020/1/455开关型霍尔集成电路的史密特输出特性回差越大,抗振动干扰能力就越强。当磁铁从远到近地接近霍尔IC,到多少特斯拉时输出翻转?当磁铁从近到远地远离霍尔IC,到多少特斯拉时输出再次翻转?回差为多少特斯拉?相当于多少高斯(Gs)?开关型霍尔传感器集成电路+:正电源(+15V)-:负电源(-15V)M:测量端(Measure)霍尔传感器霍尔转速表SN线性霍尔磁铁霍尔转速计数原理2020/1/459霍尔电流传感器演示铁心线性霍尔ICEH=SHIB当载流导体置于磁场中,其电阻会随磁场而变化,这种现象称为磁阻效应。当温度恒定时,在磁场中,磁阻与磁感应强度B的平方成正比。如果器件只有在电子参与导电的情况下,理论推导出来的磁阻效应方程为:)273.01220BB(第四节磁敏电阻式传感器一、磁敏电阻式传感器电阻率的相对变化22220273.0BKB可以看出,在磁感应强度B一定时,迁移率越高的材料
本文标题:医用传感器-7.
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