磁电式传感器

第7章磁电式传感器7.1磁电感应式传感器7.2霍尔式传感器磁电式传感器——通过电磁感应原理将被测量（如振动、转速、扭矩）转换成电势信号。7.1磁电感应式传感器利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势；属于机-电能量变换型传感器优点:不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小一、磁电式传感器的工作原理二、动圈式磁电传感器三、磁阻式磁电传感器四、磁电式传感器的动态特性7.1磁电感应式传感器一、磁电式传感器的工作原理法拉第电磁感应定律：dtdkEk为比例系数，E为感应电势，Φ为磁通。当E的单位为伏特（V），φ的单位为韦伯（Wb），t的单位为秒（s）时，k＝1，这时感应电势为：dtdE7.1磁电感应式传感器如果线圈是N匝，磁场强度是B，每匝线圈的平均长度la，线圈相对磁场运动的速度为υ=dx/dt。则整个线圈中所产生的电动势为：aaNBldtdxNBldtdNE7.1磁电感应式传感器直接应用：测定速度在信号调节电路中接积分电路，或微分电路，磁电式传感器就可以用来测量位移或加速度。7.1磁电感应式传感器线圈相对磁场磁通变化率是由磁场强度、磁路磁阻及线圈的运动速度决定的。类型：恒磁通式和变磁通式（磁阻式）动圈、动铁式二、动圈式磁电传感器1、动圈式磁电传感器原理2、动圈式磁电传感器结构7.1磁电感应式传感器1.动圈式磁电传感器原理图5.1.1动圈式磁电传感器原理图7.1磁电感应式传感器传感器原理如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的，则当线圈与磁场的相对速度为υ时，线圈的感应电动势：sinaNBlEα为运动方向与磁场方向间夹角，当α＝90°，线圈的感应电动势为：aNBlE7.1磁电感应式传感器2.动圈式磁电传感器结构磁电式传感器构成：7.1磁电感应式传感器1、磁路系统由它产生恒定直流磁场。为了减小传感器的体积，一般都采用永久磁铁；2、线圈由它运动切割磁力线产生感应电动势。作为一个完整的磁电式传感器，除了磁路系统和线圈外，还有一些其它元件，如壳体、支承、阻尼器、接线装置等。磁电式振动传感器的结构原理图5.1.2磁电式振动传感器的结构原理图1-弹簧片2-永久磁铁3-阻尼器4-引线5-芯杆6-外壳7-线圈8-弹簧片7.1磁电感应式传感器基本工作原理：•该传感器在使用时，把它与被测物体紧固在一起，当物体振动时，传感器外壳随之振动，此时线圈、阻尼环和芯杆的整体由于惯性而不随之振动，因此它们与壳体产生相对运动，位于磁路气隙间的线圈就切割磁力线，于是线圈就产生正比于振动速度的感应电动势。该电动势与速度成一一对应关系，可直接测量速度，经过积分或微分电路便可测量位移或加速度。7.1磁电感应式传感器三、磁阻式磁电传感器线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，在线圈中产生感应电动势。用来测量转速，线圈中产生感应电动势的频率作为输出，而感应电动势的频率取决于磁通变化的频率。结构：开磁路、闭磁路7.1磁电感应式传感器开磁路磁阻式转速传感器1－永久磁铁2－软铁3－感应线圈4－齿轮结构比较简单，但输出信号较小，当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。7.1磁电感应式传感器4321NS(a)31A7A5656(b)闭磁路磁阻式转速传感器图5.1.4闭磁路磁阻式转速传感器7.1磁电感应式传感器1--转轴2--内齿轮3a、3b--外齿轮4--线圈5--永久磁铁内、外齿轮的齿数相同，当转轴联结到被测轴上与被测图5.1.4闭磁路磁组式转速传感器轴一起转动时，内外齿轮的相对运动使磁路气隙发生变化，因而磁阻发生变化并使贯穿于线圈的磁通量变化，在线圈中感应出电势。与开磁路情况相同，也可通过感应电动势频率测量转速。7.1磁电感应式传感器特点：传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度，因而它是与被测速度成一定比例关系的。当转速太低时，输出电势很小，以致无法测量。所以这种传感器有一个下限工作频率，一般为50Hz左右，闭磁路转速传感器的下限频率可降低到30Hz左右。其上限工作频率可达100Hz。7.1磁电感应式传感器四、磁电式传感器的动态特性Vo为传感器外壳的运动速度，即被测物体运动速度；Vm为传感器惯性质量块的运动速度。等效机械系统7.1磁电感应式传感器若V(t)为惯性质量块相对外壳的运动速度dttdVmdttVKtcVdttdVm)()()()(0幅频特性])/(2[)/(1)/()(222nnnvA2)/(1)/(2)(nnvarctg式中，ω——被测振动的角频率；ξ——传感器运动系统的阻尼比ωn——传感器运动系统的固有角频率运动方程7.1磁电感应式传感器相频特性磁电式速度传感器的频率响应特性曲线只有ωωn的情况下，Av(ω)≈1，相对速度V(t)的大小才可以作为被测振动速度V0(t)的量度。因此磁电式速度传感器的频率较低，一般为10--15Hz。7.1磁电感应式传感器7.2霍尔式传感器•霍尔传感器工作原理•霍尔元件的结构和基本电路•霍尔元件的主要特性参数•霍尔元件误差及补偿•霍尔式传感器的应用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，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。7.2霍尔式传感器一、霍尔传感器工作原理霍尔器件是一种磁电传感器，其工作机理是霍尔效应。＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－bBflfElIdEH图7.2.1霍尔效应原理图如图7.2.1所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板，导电板通以电流I，方向如图所示。7.2霍尔式传感器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导电板中的电流使金属中自由电子在电场作用下做定向运动。此时，每个电子受洛伦兹力fl的作用，f1的大小为7.2霍尔式传感器fl=eBv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。fl的方向在图7.2.1中是向内的，此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在fl的作用下漂移，结果使金属导电板内侧面积累电子，而外侧面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH，称霍尔电场。该电场强度为bUEHH式中,UH为电位差。7.2霍尔式传感器霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛伦兹力作用外，还受到霍尔电场力的作用，其力的大小为eEH，此力阻止电荷继续积累。随着内、外侧面积累电荷的增加，霍尔电场增大，电子受到的霍尔电场力也增大，当电子所受洛伦磁力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反，即eEH=eBvEH=vB此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。7.2霍尔式传感器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=nevbd，即nebdIv代入上两式得nebdIBEHnedIBUH7.2霍尔式传感器式中令RH=1/ne，称之为霍尔系数（反映霍尔效应强弱），其大小取决于导体载流子密度,则IBKdIBRUHHH7.2霍尔式传感器金属的自由电子密度太大，因而霍尔系数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。材料确定后霍尔系数为常数。式中,KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。由电阻率ρ＝1/neμ，得RH=ρμ可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数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。μ－载流子的迁移率，即单位电场作用下载流子的运动速度。半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。7.2霍尔式传感器霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的，如图7.2.2(a)所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线：1、1′两根引线加激励电压或电流，称激励电极（控制电极）；2、2′引线为霍尔输出引线，称霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的。在电路中，霍尔元件一般可用两种符号表示，如图7.2.2(b)所示。二、霍尔元件的结构和基本电路7.2霍尔式传感器图7.2.2霍尔元件7.2霍尔式传感器(1)额定激励电流和最大允许激励电流额定激励电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在空气中产生10℃温升时，对应的控制电流值。最大允许控制电流：以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流值。三、霍尔元件的主要特性参数7.2霍尔式传感器BIKUHH(2）输入电阻和输出电阻输入电阻：激励电极间的电阻值称为输入电阻。输出电阻：霍尔电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在20℃±5℃时所确定的。7.2霍尔式传感器(3）不等位电势和不等位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。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。如图7.2.3所示。产生这一现象的原因有：①霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；③激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。7.2霍尔式传感器图7.2.3不等位电势示意图不等位电势也可用不等位电阻表示，即IUr00由式可以看出，不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压。7.2霍尔式传感器(4）寄生直流电势（霍尔元件零位误差的一部分）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，称为寄生直流电势。(5）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。它同时也是霍尔系数的温度系数。7.2霍尔式传感器不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电势。四、霍尔元件误差及补偿7.2霍尔式传感器1.不等位电势误差的补偿图7.2.4为霍尔元件的等效电路，其中A、B为霍尔电极，C、D为激励电极，电极分布电阻分别用r1、r2、r3、r4表示，把它们看作电桥的四个桥臂。图7.2.4霍尔元件的等效电路Cr1r3r2r4DAB可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。7.2霍尔式传感器此时可根据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，从而使不等位电势为零。几种补偿线路如图7.2.5所示。RPRPRPRPR(a)(b)(c)(d)图7.2.5不等位电势补偿电路7.2霍尔式传感器2.温度误差及其补偿7.2霍尔式传感器温度误差产生原因：•霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。•当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。减小霍尔元件的温度误差•选用温度系数小的元件•采用恒温措施•采用恒流源供电7.2霍尔式传感器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。霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成KH=KH0(1+αΔT)式中：KH0——温度T0时的KH值；ΔT=T-T0——温度变化量；α——霍尔电势温度系数。•恒流源温度补偿7.2霍尔式传感器大多数霍尔元件的温度系数α是正值，它们的霍尔电势随温度升高而增加αΔT倍。但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，也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。7.2霍尔式传感器恒流源温度补偿电路IsIpRpIHUH图7.2.6图7.2.6就是按此思路设计的一个既简单，补偿效果又较好的补偿电路。电路中Is为恒流源，分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极相并联。当霍尔元件的输入