磁敏式传感器09.pptx

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1、 磁敏式传感器的定义：对磁场参量（B、）敏感、通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换为电信号的器件或装置。磁电作用：电磁感应、霍尔效应 分类：磁电感应式传感器 霍尔式传感器第2页/共35页第1页/共35页7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁磁电电感感应应式式传传感感器器又又称称磁磁电电式式传传感感器器，是是利利用用导导体体和和磁磁场场发发生生相相对对运运动动而而在在导导体体两两端端输输出出感感应应电电动动势势的的原原理理将将被被测测量量（如如振振动动、位位移移、转转速速等等）转转换换成成电电信信号号的的一一种种传传感感器器。它它不不需需要要辅辅助助电电源源，就就能能把把被被测

2、测对对象象的的机机械械能能转转换换成成易易于于测测量量的的电电信信号号，是是一一种种有有源源传传感感器器。由由于于它它输输出出功功率率大大，且且性性能能稳稳定定，具有一定的工作带宽（具有一定的工作带宽（101000 Hz），所以得到普遍应用。），所以得到普遍应用。磁电感应式传感器电路简单、性能稳定、输出阻抗小，磁电感应式传感器电路简单、性能稳定、输出阻抗小，具有一定的频率响应范围（一般在具有一定的频率响应范围（一般在101000Hz），适用于），适用于转速、振动、位移、扭矩等测量。转速、振动、位移、扭矩等测量。第3页/共35页第2页/共35页7.1.1工作原理根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀

3、磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势。对于一个N匝线圈，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电动势将与的变化速率成正比，即：1.电磁感应电磁感应如果线圈相对于磁场的运动线速度为如果线圈相对于磁场的运动线速度为v或角速度或角速度，则，则或或第4页/共35页第3页/共35页（1）恒磁通式传感器 第5页/共35页第4页/共35页 工工作作原原理理：磁磁路路系系统统产产生生恒恒定定的的直直流流磁磁场场，磁磁路路中中的的工工作作气气隙隙固固定定不不变变，因因而而气气隙隙中中磁磁通通也也是是恒恒定定不不变变的的。其其运运动动部部件件可可以以是是线线圈圈（动动圈圈式式），也也可可以以是是磁磁铁铁

4、（动动铁铁式式），动动圈圈式式（图图（a）和和动动铁铁式式（图图(b)）的的工工作作原原理理是是完完全全相相同同的的。当当壳壳体体随随被被测测振振动动体体一一起起振振动动时时，由由于于弹弹簧簧较较软软，运运动动部部件件质质量量相相对对较较大大，当当振振动动频频率率足足够够高高（远远大大于于传传感感器器固固有有频频率率）时时，运运动动部部件件惯惯性性很很大大，来来不不及及随随振振动动体体一一起起振振动动，近近乎乎静静止止不不动动，振振动动能能量量几几乎乎全全被被弹弹簧簧吸吸收收，永永久久磁磁铁铁与与线线圈圈之之间间的的相相对对运运动动速速度度接接近近于于振振动动体体振振动动速速度度，磁磁铁铁与与

5、线线圈圈的的相相对对运运动动切切割割磁磁力力线线，从从而而产产生生与与运运动动速速度度成成正正比比的的感感应应电势。电势。第6页/共35页第5页/共35页变磁通式磁电传感器结构图(a)开磁路；(b)闭磁路（2）变磁通式磁电传感器）变磁通式磁电传感器第7页/共35页第6页/共35页 开开磁磁路路变变磁磁通通式式：线线圈圈、磁磁铁铁静静止止不不动动，测测量量齿齿轮轮安安装装在在被被测测旋旋转转体体上上，随随被被测测体体一一起起转转动动。每每转转动动一一个个齿齿，齿齿的的凹凹凸凸引引起起磁磁路路磁磁阻阻变变化化一一次次，磁磁通通也也就就变变化化一一次次，线线圈圈中中产产生生感感应应电电势势，其其变变

6、化化频频率率等等于于被被测测转转速速与与测测量量齿齿轮轮上上齿齿数数的的乘乘积积。这这种种传传感感器器结结构构简简单单，但但输输出出信信号号较较小小，且且因因高高速速轴轴上上加加装装齿齿轮轮较危险而不宜测量高转速的场合。较危险而不宜测量高转速的场合。第8页/共35页第7页/共35页 闭闭磁磁路路变变磁磁通通式式传传感感器器，它它由由装装在在转转轴轴上上的的内内齿齿轮轮和和外外齿齿轮轮、永永久久磁磁铁铁和和感感应应线线圈圈组组成成，内内外外齿齿轮轮齿齿数数相相同同。当当转转轴轴连连接接到到被被测测转转轴轴上上时时，外外齿齿轮轮不不动动，内内齿齿轮轮随随被被测测轴轴而而转转动动，内内、外外齿齿轮轮

7、的的相相对对转转动动使使气气隙隙磁磁阻阻产产生生周周期期性性变变化化，从从而而引引起起磁磁路路中中磁磁通通的的变变化化，使使线线圈圈内内产产生生周周期期性性变变化化的的感感应应电电动动势势。显显然然，感感应应电电势势的的频频率与被测转速成正比。率与被测转速成正比。第9页/共35页第8页/共35页2 磁电感应式传感器基本特性磁电感应式传感器基本特性 当当测测量量电电路路接接入入磁磁电电传传感感器器电电路路时时，磁磁电电传传感感器器的的输输出出电流电流Io为为 式中：式中：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 第10页/共3

8、5页第9页/共35页而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为 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：线圈电阻与指示器电阻匹配问题：如图7.3所示，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。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11页/共35页第10页/共35页测量误差 当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为第12页/

9、共35页第11页/共35页1）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。第13页/共35页第12页/共35页这种影响分为两种情况当传感器线圈相对磁场运动所产生的附加磁场与员工作磁场方向相反时，附加磁场将减弱工作磁场的作用，从而使传感器的灵敏度随检测速度的增而降低。即当传感器向上运动时，I I与方向相反，减弱了工作磁场的作用，使传感器灵敏度降低。当传感器线圈相对磁场运动所产生的附加磁场与原磁场方向相同时，传感器灵敏度增高。即当向下运动时，I I与方向同向，增加了工作磁

10、场的作用，灵敏度增大。这两种情况将导致测量结果中出现非线性项，且速度越大，影响越明显。其结果是线圈的运动方向和速度大小都会使传感器的灵敏度具有不同的数值，使传感器的基波能量降低，谐波能量增加。结果：灵敏度越高，线圈中电流越大，非线性影响越严重。补偿方法：加入补偿线圈。第14页/共35页第13页/共35页2）温度误差 温度误差补偿办法温度误差补偿办法：在结构允许的情况下，在传感器的磁铁下设置热磁分路，进行温度补偿。在磁电式传感器的各种干扰中，通常温度干扰比较在磁电式传感器的各种干扰中，通常温度干扰比较严重。永久磁铁的影响比较小，传感器线圈影响比较严重。永久磁铁的影响比较小，传感器线圈影响比较大。

11、线圈是用铜线绕成的，温度系数为正，温度每升大。线圈是用铜线绕成的，温度系数为正，温度每升高高10，电阻大约增加，电阻大约增加4%；指示器电路的电阻；指示器电路的电阻Rf的的温度系数也是正的，它的数值与线圈电阻温度系数也是正的，它的数值与线圈电阻R1和附加电和附加电阻阻R2有关。当温度增加有关。当温度增加t时，电流为：时，电流为：第15页/共35页第14页/共35页3）动态特性 当被测物振动频率低于传感器的固有频率时，传感器的灵敏度是随振动频率的升高而明显增加的；当振动频率远大于传感器固有频率时，传感器的灵敏度接近为一个常数，它基本上不随频率变化，即在这一频率范围内，传感器的输出电压与振动速度成

12、正比关系，这一频段就是传感器的理想工作频段；在振动频率更高（过大）的情况下，线圈阻抗增加，传感器灵敏度会随着振动频率的增加反而下降。第16页/共35页第15页/共35页7.1.2 测量电路 磁电式传感器只用于测量动态量，可以直接测量磁电式传感器只用于测量动态量，可以直接测量振动物体的线速度或旋转体的角速度，加入积分或者振动物体的线速度或旋转体的角速度，加入积分或者微分电路后，可以测量位移和加速度。微分电路后，可以测量位移和加速度。第17页/共35页第16页/共35页7.1.3 磁电感应式传感器的应用（1）磁电感应式振动速度传感器 第18页/共35页第17页/共35页（2）磁电感应式扭矩传感器第

13、19页/共35页第18页/共35页（3）电磁流量计第20页/共35页第19页/共35页7.2 霍尔式传感器当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差，这一现象被称为霍尔效应。霍尔效应产生的电动势被称为霍尔电势。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。7.2.1 7.2.1 工作原理工作原理1.1.霍尔效应霍尔效应第21页/共35页第20页/共35页 在场为在场为l、宽为、宽为b、厚度为、厚度为d的长方形导电板上，两对垂直侧面各装的长方形导电板上，两对垂直侧面各装上电极。如果在长度方向通入控制电流上电极。如果在长度方向通入控制电流I，在厚度方向施加磁感应强

14、度，在厚度方向施加磁感应强度为为B的磁场时，那么导电板上的自由电子在电场作用下定向移动，此时，的磁场时，那么导电板上的自由电子在电场作用下定向移动，此时，每个电子受到洛伦兹力每个电子受到洛伦兹力L的作用，大小为：的作用，大小为：电子沿电流反方向坐定向移动，又电子沿电流反方向坐定向移动，又在在fL作用下向里漂移，结果在导电作用下向里漂移，结果在导电板里底面积累了电子，而外表面积板里底面积累了电子，而外表面积累了正电荷，将形成附加内电场累了正电荷，将形成附加内电场EH，称为霍尔电场。在，称为霍尔电场。在EH的作用下，的作用下，电子将受到一个与洛伦兹力方向相电子将受到一个与洛伦兹力方向相反的电场力作

15、用，此力阻止电荷的反的电场力作用，此力阻止电荷的继续积聚，当在金属体内电子积累继续积聚，当在金属体内电子积累达到动态平衡时，电子所受的洛伦达到动态平衡时，电子所受的洛伦兹力与电场力大小相等，即兹力与电场力大小相等，即则：则：第22页/共35页第21页/共35页则相应的电动势就称为霍尔电动势则相应的电动势就称为霍尔电动势UH，其大小可表示为：，其大小可表示为：或：或：当电子浓度当电子浓度n，电子定向运动平均速度为，电子定向运动平均速度为v时，根据时，根据电流的定义有：电流的定义有：即：即：对于对于N型半导体，霍尔电压为：型半导体，霍尔电压为：第23页/共35页第22页/共35页对于对于N型材料：

16、型材料：对于对于P型材料：型材料：物理意义：物理意义：KH表征了一个霍尔元件在单位控制电流和表征了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小。单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小。电子在电场中的平均迁移速度为：电子在电场中的平均迁移速度为：则：则：第24页/共35页第23页/共35页2.霍尔元件（1）霍尔元件的基本结构）霍尔元件的基本结构 霍尔元件的基本结构比较简单，它由霍尔片、霍尔元件的基本结构比较简单，它由霍尔片、4根阴线根阴线和壳体三部分组成。和壳体三部分组成。a、b的焊点称为激励电极；的焊点称为激励电极；c、d的的焊点称为霍尔电极。焊点称为霍尔电极。第25页/共3

17、5页第24页/共35页（2）霍尔元件基本特性 线性特性与开关特性：线性特性是指霍尔元件的输出电动势UH分别和基本参数I、B成线性关系（磁通计中的传感器使用）。开关特性是指霍尔元件的输出电动势UH在一定区域随B增加而迅速增加的特性（直流无刷电动机的控制中使用）。不等位电阻：表示未加磁场时，不等位电动势与相应电流的比值。产生原因：霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位下；半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分配。负载特性 温度特性：霍尔元件的温度特性包括霍尔电动势、灵敏度、输入阻抗和输出阻抗的温度特性，它们归结为霍尔系数和电阻率与温度的关系。第26

18、页/共35页第25页/共35页（3）霍尔元件的零位误差及补偿 不等位电动势的补偿n 寄生直流电动势的补偿：元件在制作安装时，尽量做到使电极欧姆接触，并做到均匀散热。欧姆接触：金属与半导体的接触，其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻。1）霍尔元件的零位误差及补偿）霍尔元件的零位误差及补偿第27页/共35页第26页/共35页2）霍尔元件的温度误差及其补偿 一般半导体材料都具有较大的温度系数。所以当温一般半导体材料都具有较大的温度系数。所以当温度发生变化是，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电度发生变化是，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率以及霍尔系数都会发生变化。为了减小温度误差，阻率以及霍尔系数

19、都会发生变化。为了减小温度误差，除了使用温度系数小的半导体材料（如砷化铟）以外，除了使用温度系数小的半导体材料（如砷化铟）以外，还可以采用适当的补偿电路进行补偿。还可以采用适当的补偿电路进行补偿。第28页/共35页第27页/共35页霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系：霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系：如图所示，当霍尔元件如图所示，当霍尔元件的初始温度为的初始温度为T0，初始输入，初始输入电阻为电阻为RI0，灵敏度系数为，灵敏度系数为KH0，分流电阻为，分流电阻为RP0时：时：第29页/共35页第28页/共35页当温度上升当温度上升T时，电路中个参数变化为：时，电路中个参数变化为：则有则有 要使电

20、路满足在温度变化前后，霍尔电动势要使电路满足在温度变化前后，霍尔电动势U0不不发生变化，即发生变化，即则则第30页/共35页第29页/共35页7.2.2 测量电路 电源电源E提供激励电流，可变电阻提供激励电流，可变电阻RP用于调节激用于调节激励电流励电流I的大小，的大小，RL为输出霍尔电动势为输出霍尔电动势uH的负载电的负载电阻，一般用于表征显示仪表、记录装置或放大器的阻，一般用于表征显示仪表、记录装置或放大器的输入电阻。输入电阻。第31页/共35页第30页/共35页7.2.3 霍尔式传感器的应用1、微位移的测量 第32页/共35页第31页/共35页2、转速的测量 第33页/共35页第32页/共35页基于霍尔元件的转速测量电路基于霍尔元件的转速测量电路第34页/共35页第33页/共35页3、压力的测量 第35页/共35页第34页/共35页感谢您的观看！第35页/共35页