磁电式传感器资料.pptx

磁敏传感器是通过磁敏传感器是通过磁电作用磁电作用将被测量（如振动、将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。本章主要介绍本章主要介绍:磁电感应式传感器磁电感应式传感器 霍尔传感器霍尔传感器第1页/共51页7.1 7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁电感应式传感器是利用磁电感应式传感器是利用电磁感应原理电磁感应原理，将运动，将运动速度转换成线圈中的感应电势输出。速度转换成线圈中的感应电势输出。特点特点:1)1)工作不需要外加电源，而是直接从被测物体吸取机工作不需要外加电源，而是直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出，这是一种典型的发电型传械能量并转换成电信号输出，这是一种典型的发电型传感器。感器。2)2)传感器输出功率大，简化了配用的二次仪表电路。传感器输出功率大，简化了配用的二次仪表电路。3)3)它的性能稳它的性能稳定，还可以针对使用对象做成不同的结定，还可以针对使用对象做成不同的结构形式。构形式。第2页/共51页 根据电磁感应定律，线圈两端的感应电势根据电磁感应定律，线圈两端的感应电势e正比正比于匝链线圈的磁通的变化率，即于匝链线圈的磁通的变化率，即 匝链线圈的磁通；匝链线圈的磁通；W线圈匝数。线圈匝数。第3页/共51页 若线圈在恒定磁场中作直线运动并切割磁力线时，若线圈在恒定磁场中作直线运动并切割磁力线时，则线圈两端产生的感应电势则线圈两端产生的感应电势e为为 式中：式中：W 线圈的有效匝数；线圈的有效匝数；B磁场的磁感应强度；磁场的磁感应强度；l每匝线圈的平均长度。每匝线圈的平均长度。x线圈与磁场相对运动的位移；线圈与磁场相对运动的位移；v线圈与磁场相对运动的速度；线圈与磁场相对运动的速度；线圈运动方向与磁场方向之间的夹角；线圈运动方向与磁场方向之间的夹角；当当=90o（线圈垂直切割磁力线）时，有：（线圈垂直切割磁力线）时，有：第4页/共51页 若线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线，感应若线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线，感应电势为电势为 式中，式中，旋转运动的相对角速度；旋转运动的相对角速度；S 每匝线圈的截面积。每匝线圈的截面积。线圈平面的法线方向与磁场方向间的夹角。线圈平面的法线方向与磁场方向间的夹角。当当=90o时，可写成时，可写成 第5页/共51页 由上可见：当传感器的结构确定后，由上可见：当传感器的结构确定后，B、S、W、均为定值，因此，感应电势均为定值，因此，感应电势e与相对速度与相对速度 v（或（或 ）成正比。成正比。根据上述基本原理，磁电式传感器可分为两种根据上述基本原理，磁电式传感器可分为两种基本类型基本类型：变磁通式变磁通式恒定磁通式恒定磁通式第6页/共51页1 1变磁通式变磁通式 永久磁铁与线圈均不动，感应电势是由变化的磁永久磁铁与线圈均不动，感应电势是由变化的磁通产生的。如图通产生的。如图7-1所示的转速传感器。所示的转速传感器。结构特点结构特点 永久磁铁、线圈和外壳永久磁铁、线圈和外壳均固定不动，齿轮安装在被均固定不动，齿轮安装在被测旋转体轴上。当齿轮转动测旋转体轴上。当齿轮转动时，齿轮与软铁磁轭之间的时，齿轮与软铁磁轭之间的气隙距离随之变化，从而导气隙距离随之变化，从而导致气隙磁阻和穿过气隙的主致气隙磁阻和穿过气隙的主磁通发生变化。磁通发生变化。结果在线圈结果在线圈中感应出电势。中感应出电势。第7页/共51页 图图(b)为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转为闭磁路变磁通式传感器，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，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。内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，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磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正应电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。比。第8页/共51页2 2恒定磁通式恒定磁通式 工作气隙中的磁通保持不变，而线圈中的感应电工作气隙中的磁通保持不变，而线圈中的感应电势是由于工作气隙中的线圈相对永久磁铁运动，并切势是由于工作气隙中的线圈相对永久磁铁运动，并切割磁力线产生的，输出感应电势与相对速度成正比。割磁力线产生的，输出感应电势与相对速度成正比。第9页/共51页 磁电式振动传感器由永久磁铁（磁钢）、线圈、弹磁电式振动传感器由永久磁铁（磁钢）、线圈、弹簧、阻尼器和壳体等组成，如图簧、阻尼器和壳体等组成，如图7-2所示。所示。按活动部件是磁铁还是线圈：动钢型和动圈型。按活动部件是磁铁还是线圈：动钢型和动圈型。磁电式振动传感器的工作原理第10页/共51页永久磁铁相当于二阶系统中的质量永久磁铁相当于二阶系统中的质量 块块m；阻尼阻尼c大多是由金属线圈骨架在磁场中运动产生的电大多是由金属线圈骨架在磁场中运动产生的电磁阻尼提供的，有的传感器还兼有空气阻尼器；磁阻尼提供的，有的传感器还兼有空气阻尼器；测量结构振动时传感器壳体刚性地固定在振动物体测量结构振动时传感器壳体刚性地固定在振动物体上，传感器壳体随物体一起振动。上，传感器壳体随物体一起振动。它是一种典型的二阶传感器，可以用一个由集中质量m、集中弹簧K和集中阻尼器C组成的二阶系统来表示，如右图第11页/共51页磁电式传感器接入测量电路时，若测量电路输入电阻为Ri，则输出电流i0 为式中，R线圈电阻。电流灵敏度Si为电压灵敏度Su为2 基本特性第12页/共51页说明：B值大，灵敏度也大，因此要选用B值大的永磁材料；线圈的平均长度大也有助于提高灵敏度，但这是有条件的，要考虑两种情况：（1）线圈电阻与指示器电阻匹配问题因传感器相当于一个电压源，为使指示器从传感器获得最大功率，必须使线圈的电阻等于指示器的电阻。（2）线圈的发热问题传感器线圈产生感应电动势，接上负载后，线圈中有电流流过而发热。第13页/共51页 当传感器的工作环境温度发生变化，或受到外界磁场的干扰，或受到机械振动和冲击时，其灵敏度都将发生变化而产生测量误差。相对误差公式如下：3 磁电式传感器的误差1 1温度误差温度误差 第14页/共51页补偿的办法是采用热磁分流器。补偿的办法是采用热磁分流器。热磁分流器由具有热磁分流器由具有很大负温度系数很大负温度系数的特殊磁性的特殊磁性材料做成，它在正常工作温度下将空气磁通分路掉材料做成，它在正常工作温度下将空气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，从而保持空气隙中的工作磁通作温度下显著降低，从而保持空气隙中的工作磁通不随温度变化，维持传感器的灵敏度为一常数。不随温度变化，维持传感器的灵敏度为一常数。第15页/共51页2 2磁电式传感器的非线性误差磁电式传感器的非线性误差主要原因：当磁电式传感器在进行测量时，传感器线圈会有电流流过，这时线圈会产生一定的交变磁通，此交变磁通会叠加在永久磁铁产生的传感器工作磁通上，导致气隙磁通变化。这种影响分为两种情况:附加电场与工作电场方向相同（灵敏度增大），或反之。第16页/共51页 为了补偿这种磁场效为了补偿这种磁场效应，常在传感器中加入应，常在传感器中加入“补偿线圈补偿线圈”。“补偿线圈补偿线圈”原理图如图原理图如图7-4所示。所示。第17页/共51页3 3永久磁铁的不稳定性误差永久磁铁的不稳定性误差 当测量电路的输入电阻当测量电路的输入电阻RiRiR R时，磁电式传感器的时，磁电式传感器的电压灵敏度电压灵敏度SuSu可近似写成可近似写成误差公式可写成误差公式可写成 此时永久磁铁的稳定性将成为误差的决定性因素，因为永久磁铁磁感应强度的稳定性直接影响工作气隙中的磁感应强度的稳定性。第18页/共51页 永久磁铁的磁性能会随着时间的推移而发生变永久磁铁的磁性能会随着时间的推移而发生变化，为提高永磁材料的时间稳定性，永磁材料在充磁化，为提高永磁材料的时间稳定性，永磁材料在充磁前需要先进行退火处理消除内应力。前需要先进行退火处理消除内应力。为了提高永久磁铁耐受机械冲击或振动的能力，为了提高永久磁铁耐受机械冲击或振动的能力，可以事先使永久磁铁经受约上千次的机械振动或冲击可以事先使永久磁铁经受约上千次的机械振动或冲击的环境实验，最后使材料的组织结构稳定下来。的环境实验，最后使材料的组织结构稳定下来。经过这些稳定措施之后，磁电式传感器的灵敏经过这些稳定措施之后，磁电式传感器的灵敏度就可以稳定在某一数值上度就可以稳定在某一数值上，不随环境的变化而变化，不随环境的变化而变化，可以提高测量精度，减小测量误差。可以提高测量精度，减小测量误差。第19页/共51页7.1.2 测量电路第20页/共51页7.1.3 磁电感应式传感器的应用磁电感应式振动速度传感器 第21页/共51页磁电感应式扭矩传感器第22页/共51页电磁流量计测量导电液体的体积流量第23页/共51页7.2 7.2 7.2 7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 霍尔式传感器是基于霍尔式传感器是基于霍尔效应霍尔效应将被测量（如电流、将被测量（如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等）转换成电动势输磁场、位移、压力、压差、转速等）转换成电动势输出的一种传感器。出的一种传感器。霍尔式传感器特点霍尔式传感器特点:优点优点:结构简单、体积小、坚固、频率响应宽结构简单、体积小、坚固、频率响应宽（从直流到微波）、动态范围（输出电动势的变化）（从直流到微波）、动态范围（输出电动势的变化）大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化集成化。缺点：缺点：转换率较低、温度影响大、要求转换精转换率较低、温度影响大、要求转换精度较高时必须进行温度补偿度较高时必须进行温度补偿。第24页/共51页7.2.1 7.2.1 霍尔效应霍尔效应图图7-5 7-5 霍尔效应霍尔效应N N型半导体簿片：型半导体簿片：长度长度l l 、宽度、宽度w w、厚度、厚度d d位位于磁感应强度为于磁感应强度为B B的磁场的磁场中，中，B B垂直于垂直于l-wl-w平面。沿平面。沿l l 通电流通电流I I。UHwldIFBFHvBEHabcd 半导体薄片置于磁场强度为半导体薄片置于磁场强度为B B的磁场中，磁场方向的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流流过薄片时，在垂直于电流和垂直于薄片，当有电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应，霍尔效应，该电动势称为该电动势称为霍尔电势霍尔电势，上述半导体薄片称为，上述半导体薄片称为霍尔元霍尔元件。件。第25页/共51页当当N N型半导体通电流型半导体通电流I I时，半导体中电子受到洛伦兹力时，半导体中电子受到洛伦兹力 霍尔电场产生的电场力FH为当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有 故霍尔电场的强度为第26页/共51页流过霍尔元件的电流为流过霍尔元件的电流为 所以：所以：R RH H被定义为霍尔元件的被定义为霍尔元件的霍尔系数霍尔系数。显然，霍尔系数由半显然，霍尔系数由半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。1)1)当电子运动的方向与外磁场强度的方向相互垂直时，则有霍尔电势n n是单位体积中的载流子数第27页/共51页设设K KH H即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在单即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小小.单位是单位是mV/mV/（mATmAT）第28页/共51页结论：结论：霍尔器件的灵敏度，不仅与霍尔器件的材料有关，霍尔器件的灵敏度，不仅与霍尔器件的材料有关，还与尺寸有关。还与尺寸有关。当外界磁场强度当外界磁场强度B B和激励电流和激励电流I I中的一个量为常数而中的一个量为常数而另一个为输入量时，则输出霍尔电势正比于另一个为输入量时，则输出霍尔电势正比于B B或或I I。当。当B B和和I I均为输入变量时，则输出霍尔电势正比于均为输入变量时，则输出霍尔电势正比于B B和和I I的乘的乘积。积。2）如果磁场方向与半导体簿片法线方向不垂直，如果磁场方向与半导体簿片法线方向不垂直，其角度为其角度为，则霍尔电势为，则霍尔电势为 第29页/共51页 霍尔元件的外形如图霍尔元件的外形如图7-6所示，它是由霍尔片、所示，它是由霍尔片、4根引线和壳体组成，如图根引线和壳体组成，如图7-6（b）所示。）所示。7.2.2 7.2.2 霍尔元件第30页/共51页7.2.3 7.2.3 霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件的测量误差和补偿1 1.不等位电势的产生不等位电势的产生及补偿方法及补偿方法定义：霍尔元件在额定激励电流作用下，不加外磁场时，霍尔电极间的空载电势U Uo o，称为不等位电势，它是一个主要的零位误差。产生原因：产生原因：1 1）在制作霍尔元件时，两个霍尔电极不可能保证装）在制作霍尔元件时，两个霍尔电极不可能保证装在同一等位面上，如图在同一等位面上，如图7-77-7所示；所示；2 2）霍尔元件材料的电阻率不均，霍尔片的厚度、宽度）霍尔元件材料的电阻率不均，霍尔片的厚度、宽度不一致，电极与片子的接触不良等也会产生不等位电势。不一致，电极与片子的接触不良等也会产生不等位电势。第31页/共51页 图图7-7 7-7 不等位电势不等位电势图图7-8 7-8 霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路AIU0BCDDAR1R2BCR3R4第32页/共51页不等位电势几种常用补偿方法不等位电势几种常用补偿方法WCDAR2R3R4R1BWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）图7-9 不等位电势的补偿电路WABCDWABCD (b)WCABD第33页/共51页2 2温度误差及补偿温度误差及补偿 霍尔元件与一般半导体元件一样，对温度的变化霍尔元件与一般半导体元件一样，对温度的变化是很敏感的。这是因为霍尔元件的是很敏感的。这是因为霍尔元件的电阻率、载流子迁电阻率、载流子迁移率、浓度移率、浓度等都是温度的函数。因此，在工作温度变等都是温度的函数。因此，在工作温度变化时，它的一些特性参数，如内阻、霍尔电势等都要化时，它的一些特性参数，如内阻、霍尔电势等都要发生相应的变化，从而使霍尔传感器产生温度误差，发生相应的变化，从而使霍尔传感器产生温度误差，必须采用适当电路进行补偿。必须采用适当电路进行补偿。第34页/共51页温度补偿温度补偿 （1 1）输入端并联电阻法）输入端并联电阻法 由由 ，因，因Ri随温度变化，随温度变化，影响流过影响流过Ri的控制电流的控制电流IH。现。现采用采用恒流源供电恒流源供电，使总电流，使总电流I保持不变。保持不变。为补偿为补偿IH和和KH随温度的变化，可随温度的变化，可在输入端并联一适当的电阻在输入端并联一适当的电阻RP，如图如图7-10所示。所示。图图7-10 7-10 输入端输入端并联电阻补偿并联电阻补偿第35页/共51页第36页/共51页（2 2）采用热敏元件法）采用热敏元件法 图图7-11给出了几种最常用的补偿电路的例子。给出了几种最常用的补偿电路的例子。图7-117-11采用热敏元件的温度误差补偿电路第37页/共51页1、磁电式传感器是一种把非电量的变化转换为_的传感器。它的基本型是一种 传感器。2、电感式传感器的基本型是 传感器。3、霍尔灵敏度，它是表示 。4、什么是霍尔效应？为什么半导体材料适合于作霍尔元件？练习练习第38页/共51页7.2.4 7.2.4 集成霍尔传感器集成霍尔传感器 集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器和测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此显著地提一体。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点。优点。第39页/共51页1 1）霍尔式传感器按被测量的性质可分成电量型和非电量型两大类，电量型又有电流型、电压型两类；非电量型按用途可分为开关型（用于控制）和线性型（用于测量）两大类。2 2）按被检测的对象的性质可将霍尔开关的应用分为：直接应用和间接应用。前者直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检测对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测信息的载体。第40页/共51页1 1 开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器 开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器和输出级尔片、差分放大器，施密特触发器和输出级五部分组五部分组成。成。霍尔开关集成传感器内部结构框图23输出+稳压VCC1霍尔元件放大BT整形地H第41页/共51页2 2 线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器 线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出电压与外加磁场成线性比成在一起的传感器。其输出电压与外加磁场成线性比例关系。一般由例关系。一般由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压及稳压四部分组成。四部分组成。霍尔线性集成传感器广泛用于霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。等的测量或控制。第42页/共51页7.2.5 7.2.5 霍尔式传感器的典型应用霍尔式传感器的典型应用例例7-1 7-1 检测磁场检测磁场 检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。的磁感应强度成线性正比的电压。第43页/共51页例例7-2 7-2 霍尔位移传感器霍尔位移传感器将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从 a a端通入电流I I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势V VH1H1，右半部产生露尔电势V VH2H2，其方向相反。因此，c c、d d两端电势为V VH1H1-V VH2H2。如果霍尔元件在初始位置时V VH1H1=V=VH2H2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。第44页/共51页例例7-3 7-3 霍尔转速传感器霍尔转速传感器输入轴输入轴输入轴输入轴霍尔传感器霍尔传感器第45页/共51页 下图所示为两种形式的霍尔转速传感器工作原理图。下图所示为两种形式的霍尔转速传感器工作原理图。第46页/共51页例例7-4 7-4 汽车霍尔电子点火器汽车霍尔电子点火器霍尔传感器霍尔传感器隔磁罩隔磁罩磁钢磁钢缺口缺口霍尔传感器霍尔传感器隔磁罩隔磁罩磁钢磁钢缺口缺口 当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔传感器形当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔传感器形成闭合回路，电路导通，霍尔电路输出成闭合回路，电路导通，霍尔电路输出0.4V0.4V的低电的低电平；当隔磁罩竖边的凸出部分挡在霍尔元件和磁体之平；当隔磁罩竖边的凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，电路截止，霍尔电路输出高电平。间时，电路截止，霍尔电路输出高电平。第47页/共51页霍尔点火装置及电路R R6 6DWDW1 1R R7 7V V1 1+12+12V VC CR R5 5D D1 1R R4 4R R3 3R R1 1R R2 2磁钢磁钢R R8 8D D2 2DWDW2 2H HV V2 2V V3 3当霍尔传感器输出低电平时，当霍尔传感器输出低电平时，V V1 1截止，截止，V V2 2、V V3 3导通，点火导通，点火器的初级绕组有恒定的电流通过；当霍尔传感器输出高器的初级绕组有恒定的电流通过；当霍尔传感器输出高电平时，电平时，V V1 1导通，导通，V V2 2、V V3 3 截止，点火器的初级绕组电流截止，点火器的初级绕组电流截止，此时储存在点火线圈中的能量由初级绕组以高压截止，此时储存在点火线圈中的能量由初级绕组以高压放电的形式输出，即放电点火。放电的形式输出，即放电点火。第48页/共51页小结磁电感应式传感器工作原理，特性分析及应用；霍尔式传感器工作原理、误差分析及补偿方法，霍尔传感器的应用；霍尔集成传感器。第49页/共51页作业1 1、简述变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理。2 2、什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？3 3、磁电式传感器与电感式传感器有哪些不同？4 4、某霍尔元件的l l，b b，d d尺寸分别是1.0cm1.0cm，0.35cm0.35cm，0.1cm0.1cm，沿l l方向通以电流I=1.0mAI=1.0mA，在垂直lblb面的方向加有均匀磁场B=0.3TB=0.3T，传感器的灵敏度系数为22V/22V/（ATAT），试求其输出霍尔电动势及载流子浓度。5 5、欲设计一只磁电式振动加速度传感器，要求测量50Hz50Hz振动频率，最大振动误差不超过5%5%。若相对阻尼比系数取为0.60.6，问传感器的固有频率应为多大？第50页/共51页感谢您的观看！第51页/共51页