磁电式传感器(1)复习进程.ppt
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1、磁电式传感器(1)一、工作原理一、工作原理: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 e正比于匝链线正比于匝链线圈的磁通的变化率,即圈的磁通的变化率,即 匝链线圈的磁通;匝链线圈的磁通;W W线圈匝数。线圈匝数。若线圈在恒定磁场中作直线运动并切割磁力线时,则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线圈两端产生的感应电势e e为为 B B磁场的磁感应强度;磁场的磁感应强度;x 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 v线圈与磁场相对线圈与磁场相对运动的速度;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
2、磁场方向之间的夹角;W W线圈的有效匝数;线圈的有效匝数;l l每匝线圈的平均长度。每匝线圈的平均长度。当当=90=90o o(线圈垂直切割磁力线)时,有:(线圈垂直切割磁力线)时,有:若线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线,感应电势为若线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线,感应电势为 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 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线圈平面的法线方向与磁场方向间的夹角。向间的夹角。当当=90=90o o时,可写成时,可写成: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 B、S S、W W、均为均
3、为定值,因此,感应电势定值,因此,感应电势e e与相对速度与相对速度 (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基本类型根据上述基本原理,磁电式传感器可分为两种基本类型 :变磁通式;恒定磁通式。变磁通式;恒定磁通式。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通产生永久磁铁与线圈均不动,感应电势是由变化的磁通产生的。如图的。如图7-17-1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、线圈和外壳均固定不永久磁铁、线圈和外壳均固定不动,齿轮安装在被测旋转体轴上。当动,齿轮安装在被测旋转体轴上。当齿轮转动时,齿轮与软铁磁轭之间的
4、齿轮转动时,齿轮与软铁磁轭之间的气隙距离随之变化,从而导致气隙磁气隙距离随之变化,从而导致气隙磁阻和穿过气隙的主磁通发生变化。阻和穿过气隙的主磁通发生变化。2 2恒定磁通式恒定磁通式 工作气隙中的磁通保持不变,而线圈中的感应电势是由于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,并切割磁力线产生的,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。输出感应电势与相对速度成正比。(1 1)磁电式振动传感器)磁电式振动传感器(a)a)工作原理工作原理 磁电式振动传感器由永久磁铁(磁钢)、线圈、弹簧、阻磁电式振动传感器由永久磁铁
5、(磁钢)、线圈、弹簧、阻尼器和壳体等组成,如图尼器和壳体等组成,如图7-27-2所示。它是一种典型的二阶传感所示。它是一种典型的二阶传感器,可以用一个由集中质量器,可以用一个由集中质量m m、集中弹簧、集中弹簧K K和集中阻尼器和集中阻尼器C C组成组成的二阶系统来表示,如图的二阶系统来表示,如图7-37-3所示。所示。(b)(b)典型结构典型结构 磁电式振动传感器的结构有多种:按活动部件是磁铁还是线磁电式振动传感器的结构有多种:按活动部件是磁铁还是线圈又可分为动钢型和动圈型磁电式传感器。圈又可分为动钢型和动圈型磁电式传感器。动钢型磁电式传感器动钢型磁电式传感器 动圈型磁电式传感器动圈型磁电式
6、传感器第二节第二节 霍尔式传感器霍尔式传感器 霍尔式传感器是基于霍尔效应将被测量(如电流、磁场、位霍尔式传感器是基于霍尔效应将被测量(如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等)转换成电动势输出的一种传感器。移、压力、压差、转速等)转换成电动势输出的一种传感器。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(从直流到结构简单、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)大、非接触、使用寿微波)、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、易于微型化和集成化命长、可靠性高、易于微型化和集成化 。缺点缺点:转换率较低、温度影响
7、大、要求转换精度较高时转换率较低、温度影响大、要求转换精度较高时必须进行温度补偿必须进行温度补偿 。一、霍尔效应一、霍尔效应 图图7-117-11所示,一块长为所示,一块长为 、宽为、宽为w w、厚为厚为d d的的N N型半导体簿型半导体簿片,位于磁感应强度为片,位于磁感应强度为B B的磁场中,的磁场中,B B垂直于垂直于 -w-w平面。沿平面。沿 通通电流电流I I,N N型半导体中载流子一电子将受到型半导体中载流子一电子将受到B B产生的洛伦兹力产生的洛伦兹力F FB B的作用。的作用。霍尔元件的结构及工作原理霍尔元件的结构及工作原理 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B
8、 B 的磁场中,磁场方向垂的磁场中,磁场方向垂直于薄片,当有电流直于薄片,当有电流I I 流过薄片时,在垂直于电流和磁场的方流过薄片时,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势向上将产生电动势E EH H,这种现象称为霍尔效应。,这种现象称为霍尔效应。磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况c cd da ab b磁感应强度磁感应强度B B 较大时的情况较大时的情况 作作用用在在半半导导体体薄薄片片上上的的磁磁场场强强度度B B越越强强,霍霍尔尔电电势势也也就就越越高。霍尔电势高。霍尔电势E EH H可用下式表示:可用下式表示:E EH H=K KH H IBIB霍尔效应演示霍尔效应演
9、示 当磁场垂直于薄片时,电子受到洛仑兹力的作用,向内侧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,在半导体薄片偏移,在半导体薄片c c、d d方向的端面之间建立起霍尔电势。方向的端面之间建立起霍尔电势。c cd da ab b 在力在力F FB B的作用下,电子向半导体片的一个侧面偏转,在该侧的作用下,电子向半导体片的一个侧面偏转,在该侧面上形成电子的积累,而在相对的另一侧面上因缺少电子而出面上形成电子的积累,而在相对的另一侧面上因缺少电子而出现等量的正电荷。在这两个侧面上产生霍尔电场现等量的正电荷。在这两个侧面上产生霍尔电场E EH H,相应的电势,相应的电势称为霍尔电势称为霍尔
10、电势U UH H。洛伦兹力洛伦兹力F FB B为为 半导体电子运动的速度;半导体电子运动的速度;电子的电荷量。电子的电荷量。霍尔电场产生的电场力霍尔电场产生的电场力F FH H为为 电流密度电流密度 ,n n是单位体积中的载流子数。则流经载流体是单位体积中的载流子数。则流经载流体的电流的电流 将电子速度将电子速度 代入式(代入式(7-207-20),则霍尔电势为),则霍尔电势为 R RH H霍尔系数。系数反映霍尔效应的强弱。霍尔系数。系数反映霍尔效应的强弱。K KH H霍尔器件的灵敏度。它表示霍尔器件在单位磁感应强霍尔器件的灵敏度。它表示霍尔器件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大
11、小。度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小。由此可见:霍尔器件的灵敏度,不仅与霍尔器件的材料有关,由此可见: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另一个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均为输入变均为输入变量时,则输出霍尔电势正比于量时,则输出霍尔电势正比于B B和和I I的乘积的乘积。如果磁场方向与半导体簿片法线方向不垂直,其角度为如果磁场方向与半导体簿片法线方向不垂直,其角度为 ,则霍尔电
12、势为,则霍尔电势为 霍尔电场阻止电子继续偏转,当电场力霍尔电场阻止电子继续偏转,当电场力F FH H与磁场力与磁场力F FB B相同时,相同时,电子积累就达到动态平衡。此时,两侧面建立的电场称为霍尔电子积累就达到动态平衡。此时,两侧面建立的电场称为霍尔电场。电场。当电子运动的方向与外磁场强度的方向相互垂直时,则有当电子运动的方向与外磁场强度的方向相互垂直时,则有 霍尔电势的大小决定于载流体中电子的运动速度,通常称为霍尔电势的大小决定于载流体中电子的运动速度,通常称为载流子迁移率。它是指在单位电场强度作用下,载流子的平均载流子迁移率。它是指在单位电场强度作用下,载流子的平均速度值,此值与载流体材
13、料有关。速度值,此值与载流体材料有关。(7-20)(7-20)二、霍尔元件二、霍尔元件 霍尔元件的外形如图霍尔元件的外形如图7-127-12所示,它是由霍尔片、所示,它是由霍尔片、4 4根引线和根引线和壳体组成,如图壳体组成,如图7-127-12(b b)所示。)所示。霍尔元件的壳体上是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。霍尔元件的壳体上是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最常用的霍尔元件材料是锗(目前最常用的霍尔元件材料是锗(Ge)、硅()、硅(Si)、锑化铟)、锑化铟(InSb)、砷化铟()、砷化铟(InAs)和不同比例亚砷酸铟和鳞酸铟组成)和不同比例亚砷酸铟和鳞酸铟组成的的In(Asy
14、P1-y)型固熔体(其中)型固熔体(其中y表示百分比)等半导体材料。表示百分比)等半导体材料。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片(一般为霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片(一般为4mm2mm0.1mm4mm2mm0.1mm),),在它的长度方向两端面上焊有在它的长度方向两端面上焊有a a、b b两根引线,称为两根引线,称为控制电流端控制电流端引线引线,通常用红色导线。(其焊接处称为,通常用红色导线。(其焊接处称为控制电流极(或称激控制电流极(或称激励电极)励电极),要求焊接处接触电阻很小,并呈纯电阻,即欧姆接要求焊接处接触电阻很小,并呈纯电阻,即欧姆接触(无触(无PNPN结特性)。结特性)。在薄片的另
15、两侧端面的中间以点的形式对称地焊有在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c c、d d两两根根霍尔输出引线霍尔输出引线,通常用绿色导线。(其焊接处称为通常用绿色导线。(其焊接处称为霍尔电极霍尔电极,要求欧姆接触,且电极宽度与基片长度之比要小于要求欧姆接触,且电极宽度与基片长度之比要小于0.10.1,否则,否则影响输出。影响输出。)三、霍尔元件的不等位电势和温度误差的补偿三、霍尔元件的不等位电势和温度误差的补偿 1 1、不等位电势的产生及其补偿、不等位电势的产生及其补偿 不等位电势定义:霍尔元件在额定激励电流作用下,不加外不等位电势定义:霍尔元件在额定激励电流作用下,不加外磁场时,霍尔电极
16、间的空载电势磁场时,霍尔电极间的空载电势U Uo o,称为不等位电势,它是一,称为不等位电势,它是一个主要的零位误差。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同)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,如图一等位面上,如图7-137-13所示;所示;(2 2)霍尔元件材料的电阻率不均,霍尔片的厚度、宽度不一)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。致,电极与片子的接触不良等也会产生不等位电势。可以把霍尔元件等效为可以把霍尔元件等效为一个电桥,如图一个电桥,如图7-147-
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