传感器原理-速度传感器(磁电霍尔).ppt

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1、速度测量概述1、转速测量中主要考虑的问题1）被测物体运动的速度范围超低速(0.102.00r/min)低速(0.5500r/min)中高速中高速中高速中高速(2020000r/min)高速(500200000r/min)超高速(500600000r/min)全速(0.10600000r/min)适用的测速传感器较多2）被测物体可测点几何形状例：光轴、齿轮、叶片、带孔、带槽、带销、微型电机3）环境条件4）动态/静态时的显示、记录、控制5）误差、响应时间、输出控制形式2、转速测量的分类及实现方案根据传感器安装方式：1接触式2非接触式根据传感器不同：1磁电2光电3霍尔4磁敏传感器测量范围（kHz）感

2、应对象检测距离（mm）应用场合磁敏传感器010铁、电工钢0.51.5速度、位移磁电传感器505000电工钢0.51速度霍尔传感器010磁铁15速度、位移光电传感器010自然光、红外光115速度、位移接近开关0200Hz金属15速度、位移3、转速测量电路1）转速测量仪的基本组成：2）转速测量基本方法定数采样定数采样：这种方法其实是测量单个脉冲的周期或指定个数脉冲的总周期。这种测量脉冲的方法又叫做测周法测周法。定时采样定时采样。这种方法其实是测量单位时间的脉冲个数。这种测量脉冲的方法又叫做测频法测频法。频率电压转换(f/V)频率转速N=f/分频数4、转速传感器的选择原则测量环境价格测量范围可靠性系

3、统功耗单位r/minr/s 一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理 在在半半导导体体薄薄片片中中通通以以电电流流I,I,在在与与薄薄片片垂垂直直方方向向加加磁磁场场B B，则则在在半半导导体体薄薄片片的的另另外外两两端端，产产生生一一个个大大小小与与控控制制电电流流I I和和B B乘乘积积成成正正比比的的电电动动势势，这这种种现现象象称称为为霍霍尔尔效效应应。该该电电势势称称为为霍霍尔尔电电势势，该该薄薄片片称称为为霍霍尔元件。尔元件。1 1、霍尔效应、霍尔效应2 2、霍尔电势、霍尔电势UH KH I B 单位磁感应强度和单位控制电流作用时，所单位磁感应强度和单位控制

4、电流作用时，所能输出的霍尔电势的大小。单位是能输出的霍尔电势的大小。单位是mV/mV/（mATmAT）意义：意义：与材料的物理性质和几何尺寸有关，决与材料的物理性质和几何尺寸有关，决定霍尔电势的强弱。定霍尔电势的强弱。若磁感应强度若磁感应强度B B的方向与霍尔元件的平面法线夹的方向与霍尔元件的平面法线夹角为角为时，霍耳电势应为：时，霍耳电势应为：VH KH I B cos 霍耳器件薄膜化是提高灵敏度的一个途径。霍耳器件薄膜化是提高灵敏度的一个途径。霍霍尔尔电压电压UH为为：式中式中 n 半导体单位体积半导体单位体积中的载流子数中的载流子数 e 电子电量电子电量 KH霍尔元件灵敏度，霍尔元件灵敏

5、度，KH1/ned 霍尔器件符号霍尔器件符号HABCDABCDBACDC、D：霍耳输出端，称为：霍耳输出端，称为霍尔端霍尔端或输出端。或输出端。A、B：电极端，称为元件：电极端，称为元件电流端电流端、控制电流端或、控制电流端或 输入电流端。输入电流端。红色红色导线导线红色红色导线导线绿色绿色导线导线绿色绿色导线导线一般为一般为4mm2mm0.1mm4mm2mm0.1mm二材料及结构特点二材料及结构特点 霍尔元件一般采用具有霍尔元件一般采用具有N型的锗、锑化铟和砷化型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成。铟等半导体单晶材料制成。1.锑化铟元件的输出较大，但受温度的影响也较大。锑化铟元件的输出

6、较大，但受温度的影响也较大。2.锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。3.砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但是受温砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但是受温度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。采用砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用采用砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用。特点小结材料：锗材料：锗材料：锗材料：锗 、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟灵敏度低、温度灵敏度低、温度灵敏度低、温度灵敏度低、

7、温度特性及线性度好特性及线性度好特性及线性度好特性及线性度好灵敏度最高、灵敏度最高、灵敏度最高、灵敏度最高、受温度影响大受温度影响大受温度影响大受温度影响大输入1输入2输出1输出2磁性顶端引线衬底霍尔元件溅射工艺制作的溅射工艺制作的溅射工艺制作的溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件锑化铟霍尔元件锑化铟霍尔元件锑化铟霍尔元件霍尔元件的主要特性参数：(1)输入电阻和输出电阻输入电阻：控制电极间的电阻输出电阻：霍尔电极之间的电阻(2)额定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流：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：以元件允许的最大温升限制所对应的控制电流值(3

8、)不等位电势Uo和不等位电阻ro不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。不等位电势是由霍尔电极2和之间的电阻决定的，r 0称不等位电阻 霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标四、霍尔元件连接方式和输出电路四、霍尔元件连接方式和输出电路四、霍尔元件连接方式和输出电路四、霍尔元件连接方式和输出电路1 1、基本测量电路、基本测量电路、基本测量电路、基本测量电路特点：特点：特点：特点：（1 1）测量磁物理量、电量及其它物理量）测量磁物理量、电量及其它物理量）测量磁物理量、电量及其它物理量）测量磁物

9、理量、电量及其它物理量（2 2）实现乘法运算，构成各种非线性运算部件）实现乘法运算，构成各种非线性运算部件）实现乘法运算，构成各种非线性运算部件）实现乘法运算，构成各种非线性运算部件（3 3）输出信号的信噪比大）输出信号的信噪比大）输出信号的信噪比大）输出信号的信噪比大（4 4）频率范围宽：直流）频率范围宽：直流）频率范围宽：直流）频率范围宽：直流 数百千赫兹数百千赫兹数百千赫兹数百千赫兹（5 5）体积小、重量轻）体积小、重量轻）体积小、重量轻）体积小、重量轻（6 6）稳定性好、寿命长）稳定性好、寿命长）稳定性好、寿命长）稳定性好、寿命长2 2、霍尔元件连接方式、霍尔元件连接方式、霍尔元件连接

10、方式、霍尔元件连接方式 控制电流端并联控制电流端并联控制电流端并联控制电流端并联 输出电势为：输出电势为：输出电势为：输出电势为：2 2倍倍倍倍控制电流端串联控制电流端串联控制电流端串联控制电流端串联次级绕阻叠加输出次级绕阻叠加输出次级绕阻叠加输出次级绕阻叠加输出E+-直流供电方式：直流供电方式：直流供电方式：直流供电方式：交流供电方式：交流供电方式：交流供电方式：交流供电方式：3 3、霍尔电势的输出电路、霍尔电势的输出电路、霍尔电势的输出电路、霍尔电势的输出电路四端器件四端器件四端器件四端器件输出电势：输出电势：输出电势：输出电势：mVmV量级量级量级量级线性应用：比例放大器线性应用：比例放

11、大器线性应用：比例放大器线性应用：比例放大器线性度好、低噪声放大器线性度好、低噪声放大器线性度好、低噪声放大器线性度好、低噪声放大器开关应用：射极跟随器开关应用：射极跟随器开关应用：射极跟随器开关应用：射极跟随器灵敏度高：一般放大器灵敏度高：一般放大器灵敏度高：一般放大器灵敏度高：一般放大器五、霍尔元件的测量误差及补偿方法五、霍尔元件的测量误差及补偿方法五、霍尔元件的测量误差及补偿方法五、霍尔元件的测量误差及补偿方法1 1、零位误差及补偿、零位误差及补偿、零位误差及补偿、零位误差及补偿半导体固有特性半导体固有特性半导体固有特性半导体固有特性半导体制造工艺缺陷半导体制造工艺缺陷半导体制造工艺缺陷

12、半导体制造工艺缺陷零位误差零位误差零位误差零位误差温度误差温度误差温度误差温度误差A A、B B同一等位面：同一等位面：同一等位面：同一等位面：U U0 0=0=0、电桥平衡、电桥平衡、电桥平衡、电桥平衡A A、B B非同一等位面：非同一等位面：非同一等位面：非同一等位面：U U0 0=0=0、电桥不平衡、电桥不平衡、电桥不平衡、电桥不平衡电桥补偿原理：在阻值较大的桥臂上并联电阻电桥补偿原理：在阻值较大的桥臂上并联电阻电桥补偿原理：在阻值较大的桥臂上并联电阻电桥补偿原理：在阻值较大的桥臂上并联电阻（a a）（b b）（c c）六、霍尔开关集成传感器六、霍尔开关集成传感器六、霍尔开关集成传感器六

13、、霍尔开关集成传感器霍尔效应霍尔效应集成电路技术集成电路技术开关信号开关信号磁敏传感器磁敏传感器集成霍尔元件集成霍尔元件和开关型两大类和开关型两大类 可分为线性型可分为线性型1 1、结构及工作原理、结构及工作原理、结构及工作原理、结构及工作原理稳压稳压材料：硅材料：硅材料：硅材料：硅工艺：硅平面工艺工艺：硅平面工艺工艺：硅平面工艺工艺：硅平面工艺提高灵敏度提高灵敏度提高灵敏度提高灵敏度N N型硅外延层很薄型硅外延层很薄型硅外延层很薄型硅外延层很薄集成工艺集成工艺集成工艺集成工艺工作原理：工作原理：工作原理：工作原理：有磁场：有磁场：有磁场：有磁场：V VHH，放大，整形：，放大，整形：，放大，

14、整形：，放大，整形：开启阈值，高电平开启阈值，高电平开启阈值，高电平开启阈值，高电平 VT VT导通，具有吸收电流的负载能力导通，具有吸收电流的负载能力导通，具有吸收电流的负载能力导通，具有吸收电流的负载能力磁场减弱：磁场减弱：磁场减弱：磁场减弱：V VH H 减小，放大，整形：减小，放大，整形：减小，放大，整形：减小，放大，整形：关闭阈值，关闭阈值，关闭阈值，关闭阈值，翻转，低电平，翻转，低电平，翻转，低电平，翻转，低电平，VTVT截止截止截止截止开状态开状态开状态开状态关状态关状态关状态关状态2 2、工作特性、工作特性、工作特性、工作特性 12 12 10 10 8 8 6 6 4 4 2

15、 2 0 0 工作点工作点工作点工作点“开开开开”释放点释放点释放点释放点“关关关关”磁滞磁滞磁滞磁滞高高高高低，开状态低，开状态低，开状态低，开状态低低低低高高高高，关状态，关状态，关状态，关状态3 3、接口电路、接口电路、接口电路、接口电路3020T外形外形外形外形应用电路应用电路应用电路应用电路KK4 4、磁场施加方式、磁场施加方式、磁场施加方式、磁场施加方式 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 200.100.100.090.090.080.080.070.070.060.060.050.050.040.040.

16、030.030.020.020.010.01 0 0（1 1）磁铁轴心接近式）磁铁轴心接近式）磁铁轴心接近式）磁铁轴心接近式两轴心方向重合两轴心方向重合两轴心方向重合两轴心方向重合 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 200.100.100.090.090.080.080.070.070.060.060.050.050.040.040.030.030.020.020.010.01 0 0（2 2）磁铁侧向滑近式）磁铁侧向滑近式）磁铁侧向滑近式）磁铁侧向滑近式两平面距离不变，两平面距离不变，两平面距离不变，两平面距离不变，

17、磁铁轴线与传感器磁铁轴线与传感器磁铁轴线与传感器磁铁轴线与传感器平面垂直平面垂直平面垂直平面垂直（3 3）采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度）采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度）采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度）采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度0 2.5 5 7.5 100 2.5 5 7.5 10 0.10 0.10 0.08 0.08 0.06 0.06 0.04 0.04 0.02 0.02 六、霍尔线性集成传感器六、霍尔线性集成传感器六、霍尔线性集成传感器六、霍尔线性集成传感器1 1、结构及工作原理、结构及工作原理、结构及工作原理、结构及工作原理输出电压与外加磁场强度呈线性

18、比例关系输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系构成：霍尔元件、放大器、稳压、构成：霍尔元件、放大器、稳压、构成：霍尔元件、放大器、稳压、构成：霍尔元件、放大器、稳压、电流放大输出级、失调调整、线性度调整电流放大输出级、失调调整、线性度调整电流放大输出级、失调调整、线性度调整电流放大输出级、失调调整、线性度调整稳压稳压单端输出：单端输出：单端输出：单端输出：SL3501TSL3501T双端输出：双端输出：双端输出：双端输出：SL3501MSL3501M稳压稳压2 2、主要技术特性、主要技术特性、主要技术特性、主要技术特性-0.

19、3 -0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3-0.3 -0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.35.65.64.64.63.63.62.62.61.61.6 SL3501T SL3501T 输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.322.52.52.02.01.51.51.01.00.50.5 0 0SL3501M SL3501M 输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线霍尔线性集成传感器的技术参数霍尔线性集成传感器的

20、技术参数霍尔线性集成传感器的技术参数霍尔线性集成传感器的技术参数七、霍尔传感器的应用七、霍尔传感器的应用七、霍尔传感器的应用七、霍尔传感器的应用1 1、霍尔位移传感器、霍尔位移传感器、霍尔位移传感器、霍尔位移传感器磁场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越均匀，输出线性越好磁场梯度越均匀，输出线性越好磁场梯度越均匀，输出线性越好磁场梯度越均匀，输出线性越好测量范围：测量范围：测量范围：测量范围：1 2 mm1 2 mm2 2、磁感应强度测量仪、磁感应强度测量仪、磁感应强度测量仪、磁感应强度测量仪ASL3501M SL3501M：霍

21、尔线性集成传感器霍尔线性集成传感器霍尔线性集成传感器霍尔线性集成传感器RPRP1 1：调整表头量程：调整表头量程：调整表头量程：调整表头量程RPRP2 2：调零：调零：调零：调零 C C1 1：低通滤波：低通滤波：低通滤波：低通滤波测量上限：测量上限：测量上限：测量上限：0.3 T0.3 T3 3、直流功率测量仪、直流功率测量仪、直流功率测量仪、直流功率测量仪V4 4、转速测量、转速测量、转速测量、转速测量永磁体安装在轴端永磁体安装在轴端永磁体安装在轴端永磁体安装在轴端永磁体安装在轴侧永磁体安装在轴侧永磁体安装在轴侧永磁体安装在轴侧5 5、测量电流、测量电流、测量电流、测量电流测量大直流电流（

22、测量大直流电流（测量大直流电流（测量大直流电流（10kA10kA）：电阻器分流）：电阻器分流）：电阻器分流）：电阻器分流霍尔元件测量电流：检测通电导线周围的磁场霍尔元件测量电流：检测通电导线周围的磁场霍尔元件测量电流：检测通电导线周围的磁场霍尔元件测量电流：检测通电导线周围的磁场（1 1）导线旁测法）导线旁测法）导线旁测法）导线旁测法（2 2）导线贯穿磁芯法）导线贯穿磁芯法）导线贯穿磁芯法）导线贯穿磁芯法简单、测量精度差、简单、测量精度差、简单、测量精度差、简单、测量精度差、受外界干扰大受外界干扰大受外界干扰大受外界干扰大环形铁芯集中磁力线，环形铁芯集中磁力线，环形铁芯集中磁力线，环形铁芯集中

23、磁力线，提高电流测量精度提高电流测量精度提高电流测量精度提高电流测量精度6 6、测量表面覆盖层厚度、测量表面覆盖层厚度、测量表面覆盖层厚度、测量表面覆盖层厚度铁磁性物质铁磁性物质非磁性涂层非磁性涂层0 1 2 30 1 2 3 500 500 400 400 300 300 200 200 100 1007 7、自动凭票供水装置、自动凭票供水装置、自动凭票供水装置、自动凭票供水装置控制电路霍尔式传感器的应用实例霍尔式传感器的应用实例霍尔转速测量霍尔转速测量霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔元件霍尔元件霍尔角位移测量霍尔角位移测量霍尔钳形电流表的使用霍尔钳形电流表的使用叉形叉形钳形

24、表漏磁稍钳形表漏磁稍大，但使用方便大，但使用方便 用用钳形表测量钳形表测量 电动机的相电流电动机的相电流实验探究1若闭合电路中有感应电流若闭合电路中有感应电流,电路中就一定有电电路中就一定有电动势动势.演示实验并播放动画演示实验并播放动画画出等效电路图画出等效电路图 实验探究实验探究2：在向线圈中插入条形磁铁的实验中，在向线圈中插入条形磁铁的实验中，磁铁的磁场越强、插入的速度越快，磁铁的磁场越强、插入的速度越快，产生的感应电流就越大。产生的感应电流就越大。实验实验:电磁感应插磁铁电磁感应插磁铁 实验探究实验探究3:一、磁电感应式传感器工作原理一、磁电感应式传感器工作原理 B：稳恒均匀磁场磁感应

25、强度；：稳恒均匀磁场磁感应强度；L：导体有效长度；：导体有效长度；V：导体相对磁场运动速度。：导体相对磁场运动速度。导体在稳恒均匀磁场中运动导体在稳恒均匀磁场中运动N N匝线圈处于变化的磁场中匝线圈处于变化的磁场中两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。开开磁磁路路变变磁磁通通式式：结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。1 1、变磁通式变磁通式闭磁路变磁通式：闭磁路变磁通式：感应电势的频率与被测转速成正比。2 2、恒定磁通式恒定磁通式2 2、恒定磁通式恒定磁通式B0：工作气隙磁感应强度；l：每匝线圈平均长度；N：

26、线圈在工作气隙磁场 中的匝数；v：相对运动速度。二、二、磁电感应式传感器基本特性磁电感应式传感器基本特性Rf：测量电路输入电阻；：测量电路输入电阻；R：线圈等效电阻。：线圈等效电阻。传感器的电流灵敏度为传感器的电流灵敏度为 输出电压和电压灵敏度分别为输出电压和电压灵敏度分别为 为了保证传感器输出的线性度，要保证线圈始终在均匀磁场内运动。提高灵敏度方法：选用具有磁能积较大的永久磁铁；尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度B；增加和N，但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率等因素的限制。三、磁电感应式传感器的测量电路三、磁电感应式传感器的测量电路 磁电式传感器直接输出感应电动势，且传感器通常具有较高的灵敏度，不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。四、磁电感应式传感器的应用四、磁电感应式传感器的应用动圈式振动速度传感器动圈式振动速度传感器 1、芯轴、芯轴2、外壳、外壳3、弹簧片、弹簧片4、铝支架、铝支架5、永久磁铁、永久磁铁6、线圈、线圈7、阻尼环、阻尼环8、引线、引线