传感器课件5、磁电式传感器d

第五章磁电式传感器下一页返回磁电式传感器是利用电磁感应原理将输入运动速度或磁量的变化转换成感应电势输出的传感器。磁电式传感器是一种自源型传感器。也称感应式传感器，电动式传感器(机-电能量变换型传感器)。由于它有较大的输出功率，故不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为10～1000Hz)，适用于振动、转速、扭矩等测量。这种传感器的尺寸和重量都较大。5.1基本原理与结构形式根据法拉第电磁感应定律，w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：dtdwe磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为变磁通式和恒定磁通式，即磁阻式传感器和动圈式传感器。构成测量线速度和角速度的传感器。变磁通式：线圈与磁铁之间没有相对运动，由运动着的被测物体（导磁材料）改变磁路的磁阻，引起磁通量变化从而在线圈中产生感应电势。恒磁通式：恒定的直流磁场，磁场中的工作气隙固定不变，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。线圈与磁铁间存在相对运动，线圈切割磁力线产生与相对速度v成比例的感应电势e。图为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/60。变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150～＋90℃的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。变磁通式磁电传感器tWBe2cosA线圈截面积为A，最大与最小磁感应强度之差为B，W为线圈匝数。感应电势e为：工作原理：当壳体随被测振动体一起振动时，使永久磁铁与线圈产生相对运动，切割磁力线，相对运动速度接近于振动体振动速度。切割磁力线产生感应电势e：相对运动速度的匝数线圈在工作气隙磁场中每匝线圈的平均长度工作气隙磁感应强度其中：vWlBveWvlBeaa00恒定磁通式磁电传感器当传感器结构确定后，电势e只与速度v有关，传感器灵敏度：wBlBlvesa5.5霍尔式传感器能感受磁场的变化，并将其转换为电信号输出。5.5.1霍尔元件及霍尔效应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，在平行于电流和磁场的两个面之间产生电动势(霍尔电势)。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，向后侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab电位差HHHUbUEUH电子在FL的作用下漂移，在两侧累积形成附加内电场EH，称为霍尔电场。霍尔电场使定向运动的电子除了受FL作用外，还受霍尔电场力FE作用，霍尔电场力阻止电荷继续积累。随着电荷积累的增加，霍尔电场力也增大，当FL=FE时，电荷不再积累，达到平衡状态。①电子沿电流反方向定向运动磁场的磁感应强度电子运动平均速度；电子电荷；每个电子受洛伦兹力BveeBvFL②具体分析：传感器因而金属不适合做霍尔越小，越大则，密度大小取决于导体载流子则：，称之为霍尔常数，令电子定向运动平均速度金属导体中电子密度，，激励电流：HHHHHHHHRnnRdIBRUneRdIBnenedIBbnebdIBbEUnebdIBvBEvnnebdIvnevbdI11vBEeBveEHH时电荷积累达到平衡状态薄片形状，越薄越好则则：。，称为霍尔片的灵敏度令霍尔电势HHHHHHHHKdIBKUdRKIBdRdIBRdIBneU1bvBbEUHHIBKdIBRUHHH霍尔传感器原理表达式：为何不用：霍尔元件的长度和宽度可以小到几十微米，厚度可以小到几个微米，故可将霍尔元件和配套电路集成在一块芯片上。各种材料的霍尔常数RHHHRRnenenebdlbdlnebdlREvnebdlvEnevbdElIElIUREUbdlslR1111/,,则有：代入上式，则：将电子迁移率则：相应的电场为另外，设激励电压为电阻霍尔元件激励极之间的N型锗、硅：霍尔系数大、温度性能、线性度好敏度高的霍尔元件型半导体更适合制作灵因而比空穴迁移率高，移率而且半导体中电子的迁半导体霍尔效应最强。大；小，绝缘材料：小；大，金属：，霍尔效应强则NRRHH5.5.2霍尔元件主要特性参数结构：霍尔片、四根引线、壳体；矩形半导体单晶薄片；壳体用非导磁材料封装。两种表示符号(1)乘积灵敏度KH，即单位磁感应强度和单位控制电流情况下得到的开路霍尔电势；(2)额定控制(激励)电流I：使霍尔片温升10℃所施加的控制电流值，受限于散热条件下的允许最高温升值；(3)输入电阻：指激励电极间的电阻值；输出电阻：指霍尔电势输出极之间的电阻值；(4)不等位电势U0与不等位电阻r0：不等位电势又称零位电势。当控制磁感应强度为零(B=0)、激励电流为额定值I、霍尔电极间空载时(RL=∞)，仍存在霍尔电势U0。产生的主要原因是制造工艺不可能保证两霍尔电极完全对称地焊接在等电位面上。一般要求UO1mV。必要时应予以补偿。电阻r0是不等位电势U0与激励电流I之比。不等位电势及不等位电阻都是在直流下测得的。激励电流。不等位电阻；不等位电势；IrUIUr0000(5)寄生直流电势：当控制磁场为零，激励电流用额定交流电流时，霍尔电极间的空载电势为直流电势与交流电势之和。在此情况下，直流电势称为寄生直流电势；交流电势称为交流不等位电势。产生交流不等位电势原因与不等位电势相同；寄生直流电势产生原因是电极与基片间非欧姆接触（接触不良），以及两个霍尔电极焊点大小不同而导致的直流温差电势。(6)霍尔电势温度系数及电阻温度系数：在磁感应强度及控制电流恒定情况下，温度变化1℃时相应霍尔电势、霍尔电阻值变化的百分率，通常在(10-2~10-4)/℃量级，必要时应进行温度补偿。(7)工作温度范围：当元件温度过高或过低时，电子浓度将随之大幅度变大或变小，使元件不能正常工作。锑化铟的正常工作温度范围是0~+40℃，锗为-40~+75℃，硅为－60～＋150℃，砷化镓为－60～＋200℃。不等位电势U0与霍尔电势UH具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势。实用中要消除U0是极其困难的，必须采用补偿的方法。霍尔元件等效电路：电桥电路，因此可用分析电桥平衡的方法来补偿不等位电势。霍尔电极激励电极4个电极分布电阻5.5.3不等位电势和温度误差的补偿1、不等位电势的补偿交流供电电桥平衡：理想情况下，电极A、B处于同一等位面上，r1=r2=r3=r4，U0=0。实际上，A、B两电极不处于同一等位面上，电桥中四个电阻阻值不等，电桥不平衡，U00。补偿方法如图所示：根据A、B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，U0=0。2.温度误差及其补偿霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此其许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源（电流温度系数极小）供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定。但也只能减小输入电阻随温度变化时引起的激励电流I变化的影响。温度补偿方法：大多数霍尔元件的温度系数是正值，霍尔电势随温度升高而增加T倍。如果同时让激励电流Ⅰs相应地减小，并能保持KHⅠs乘积不变，就可以抵消KH随温度增加的影响。或直接使得输出UH减小。霍尔电势温度系数温度变化量；值；时的温度00001TTTKTKTKKHHHH霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数，它随温度变化将引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏系数与温度的关系如下：5.5.4霍尔传感器的应用1.微位移及机械振动测量000HUBx：0000UUBxH：000HUBx：差动结构差动结构(a)动态范围达5mm分辨率0.001mmxfUH(c)灵敏度高测量微位移及振动000HUBx：000HUBx：2.无触点发讯及转速测量转盘的输入轴与被测轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，转盘上等间隔固定m个小磁铁。固定在转盘附近的霍尔传感器可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数n，便可知被测转速。转速分辨率：由m确定